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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Kolben zur Verwendung
in einem Kompressor, insbesondere aber nicht ausschließlich auf
einen CO2-Kippscheibenkompressor für eine Fahrzeugklimaanlage,
und auf einen Kompressor, der einen solchen Kolben eingebaut hat.
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Die
US 5,387,091 beschreibt
einen regelbaren Kippscheibenkompressor für eine Klimaanlage in einem
Fahrzeug mit einer Antriebswelle und mindestens einem, in einem
Zylinder beweglichen Kolben. Eine pendelnde Kippscheibe des Kompressors
ist auf jeder Seite mit einer Ringschiene versehen, über der
ein halbkugelförmiger
innerer Gleitschuh eingebaut ist. Die inneren Gleitschuhe greifen
an halbkugelförmigen äußeren Schuhen
an, die auf Innenflächen
einer Kippscheibenaufnahmekehle am Hals eines Kolbens des Kompressors
ausgearbeitet sind. Diese Anordnung lässt eine Trennung zwischen
der Rotationsbewegung, die zwischen der Kippscheibe und den inneren
Gleitschuhen stattfindet, und der Translationsbewegung der äußeren Schuhe
und des Kolbens zu.
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In
der
US 5,826,480 ist
auch ein Kippscheibenkompressor beschrieben, aber hier wird eine
Taumelscheibenanordnung zwischen dem Kolben und der Antriebswelle
verwendet. Die Taumelscheibenanordnung umfasst eine Kippscheibe,
auf der eine Taumelscheibe drehbar angebracht ist, und zwischen der
Taumelscheibe und dem Kolben ist ein Lager angeordnet, das Bewegungen
der Taumelscheibe in Bezug auf den Kolben in einer Umfangsrichtung
zulässt.
Die Taumelscheibe kann sich sowohl im Hinblick auf die Kippscheibe
als auch im Hinblick auf den Kolben frei drehen. Das Lager umfasst
eine Gleitschuhanordnung, in der zwei teilhalbkugelförmige Gleitschuhe
zwischen zwei komplementär
ausgebildeten äußeren Schuhen,
die sich in einer Ausnehmung des Kolbens befinden, schwenkbar angebracht sind,
wobei die Taumelscheibe zwischen jeweils zwei entgegengesetzten
glatten Gleitflächen
der Gleitschuhe aufgenommen ist.
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Die
beiden äußeren Schuhe
werden durch Lagerschalen bereitgestellt, die im Kolben fixiert
sind.
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Die
Verwendung von Lagerschalen, um die in diesem Kompressor am Kolben
befestigten äußeren Schuhe
zu bilden, bietet mehrere Vorteile, wie folgt:
- – der Kolben
kann von seinem unteren Ende her so ausgehöhlt werden, dass seine Masse
stark reduziert wird, was es möglich
macht, dass der Kompressor optimal konstruiert werden kann. Wenn
die Kolben aus Stahl und nicht aus Aluminium, das für diese
Kompressorkonstruktion ungeeignet wäre, hergestellt werden, wird
eine Gewichtsreduktion zu einer wichtigen Konstruktionsüberlegung.
- – Die
Schalen haben eine einfache Form und sind relativ einfach maschinell
herzustellen.
- – Wenn
eine Stellschraube zur Justierung der Position der kolbenseitigen
Lagerschale vorgesehen ist, kann der axiale Zwischenraum oder das
axiale Spiel der Schalen eingestellt werden. Von daher kann, wenn
die Schalen aufgrund der Wirkung der Gleitschuhe verschleißen, das
endgültige
Spiel der Schalen eingestellt werden.
- – Die
Tatsache, dass die Position der Schalen eingestellt werden kann,
ermöglicht
es, dass eine Einstellung stattfinden kann, um weniger als genaue
Fertigungstoleranzen auszugleichen.
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Allgemeiner
ausgedrückt,
müssen
die Lagerschalen, weil in der Lageranordnung Verschleiß stattfindet,
durch eine geeignete Auswahl an Materialien und optional durch eine
anschließende
Wärmebehandlung
oder Beschichtung angemessen konstruiert werden.
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Es
sollte klar sein, dass Druck an die kolbenseitige Lagerschale hauptsächlich während einer Kolbenbewegung
beim Kompressionshub angelegt wird, wenn sich der Kolben von der
Unterseite zur Oberseite des Zylinders hebt. Hingegen wird Druck an
die stellseitige Lagerschale hauptsächlich während des Ansaughubs angelegt,
wenn sich der Kolben von der Oberseite des Zylinders zur Unterseite senkt.
Die Charakteristik der auf den Kolben wirkenden Gaskräfte ist
dergestalt, dass während
des Kompressionshubs, wenn der Kurbelwinkel des Kolbens zwischen
180° und
360° beträgt, die
auf die kolbenseitige Lagerschale wirkende Kraft erheblich stärker ist
als diejenige, die an die stellseitige Lagerschale während des
Ansaughubs angelegt wird, wenn der Kurbelwinkel des Kolbens ungefähr im Bereich
von 50° bis
200° liegt.
Zusätzlich
zu den Gaskräften
wirken auch noch andere Kräfte
auf die Lagerschalen, die durch Überschwingverluste
und Trägheitsverluste bewirkt
werden und Verschleiß verursachen.
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Ein
kritischer Faktor bei der Auslegung von Lageranordnungen für Kippscheibenkompressoren ist
der sogenannte pv-Wert, der das Produkt des angelegten Oberflächendrucks
und der Geschwindigkeit ist. Da die Taumelscheibe eines Kompressors von
dem in der
US 5,826,490 beschriebenen
Typ nur geringe Drehbewegungen vollführt, ist das Produkt des Oberflächendrucks
und der Geschwindigkeit klein, und so können die Lagerschalen mit kleinen Abmessungen
hergestellt werden, wobei hauptsächlich
nur der Oberflächendruck
berücksichtigt
wird. Deshalb bestimmt die Größe der Gleitschuhe
im Wesentlichen die Größe der komplementär ausgebildeten
Lagerschalen.
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Allerdings
hat die in der
US 5,826,490 beschriebene
Anordnung mehrere Nachteile, insbesondere, was die Beschaffenheit
und Auslegung der Lagerschalen betrifft. Diese Nachteile wurden
primär durch
den Wunsch nach einer Massenfertigung des Kompressors herbeigeführt, die
es mit sich bringt, von Stahl- zu Aluminiumkolben zu wechseln. Diese Nachteile
umfassen folgende:
- – Die Lagerschalen können – und tun
dies auch – sich
in ihrem Sitz im Kolben drehen. Dies bewirkt einen Verschleiß des Sitzes,
der besonders stark zum Ausdruck kommt, wenn der Kolben aus Aluminium
hergestellt ist.
- – Eine
Drehung der Lagerschalen in ihren Sitzen verursacht Reibung, so
dass die mechanischen Verluste des Antriebsmechanismus zunehmen.
- – Wenn
Aluminium als Kolbenwerkstoff verwendet wird, erzeugen die Lagerschalen
der beschriebenen Art einen unannehmbar hohen Oberflächendruck
am kolbenseitigen Sitz der Schalen.
- – Der
vorstehend erwähnte
Nachteil wird noch schwerwiegender, wenn der Kolben, wie in der US 5,826,490 beschrieben,
hohl ausgelegt ist, weil hier nur ein ringförmiger Rand des Kolbens als Sitzfläche für die kolbenseitigen
Lagerschale zur Verfügung
steht.
- – Die
Verwendung einer Stellschraube zum Justieren der Position der kolbenseitigen
Lagerschale erhöht
die erforderliche Länge
des Kolbens und führt
damit zu einer erhöhten
Gesamtlänge
des Antriebsmechanismus und von daher des Kompressors insgesamt.
- – Eine
größere Gesamtlänge des
Antriebsmechanismus des Kompressors, insbesondere eine größere Länge der
Kippscheibe und der Taumelscheibe, führt zu einer größeren Variabilität des Schwerpunkts
des Kompressors, wenn er gekippt wird, wie es zu Zwecken der Leistungsteuerung geschieht,
und verursacht somit, vor allem bei höheren Drehzahlen, Ungleichgewicht
und Geräusche.
- – Obwohl
die Verwendung einer kolbenseitigen Lagerschale nützlich ist,
weil sie mit einem Blick auf eine Minimierung des Verschleißes durch
eine geeignete Wahl von Werkstoffen und den Einsatz von Härteverfahren
und verschleißfesten
Beschichtungen hergestellt werden kann, ist die Verwendung einer
stellseitigen Lagerschale nicht so nützlich. Und zwar, weil die
auf dieser Seite der Lageranordnung auftretenden Oberflächendrücke normalerweise
erheblich geringer sind als die auf der Kolbenseite. Zusätzlich erhöht das Vorsehen einer
stellseitigen Lagerschale die Länge
des Kolbens und damit der Antriebsanordnung des Kompressors.
- – Wenn
Stellschrauben in Kompressoren verwendet werden, die eine größere Anzahl
von Kolben umfassen, beispielsweise diejenigen mit sieben Kolben,
wird der Umfang an Montagearbeit unangemessen hoch, die zur Massenproduktion
des Kompressors notwendig ist. Jedoch ist ohne die Verwendung von
Stellschrauben und dem damit verbundenen Durchbohren des Bodens
des Kolbens, das dadurch nötig
wird, ein Einsetzen der Lagerschalen in den Kolben sehr schwierig
und in der in der US 5,826,490 dargestellten
Ausführungsform
praktisch unmöglich.
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Darüber hinaus
ist in der
EP 0 959
227 A2 ein Kolben zur Verwendung in einem Fahrzeugklimaanlagenkompressor
offenbart, der einen zylindrischen Abschnitt an einem Ende und einen
Fußabschnitt
an seinem anderen Ende umfasst, welcher Fußabschnitt ein Lager für eine Kipp-
oder Taumelscheibenanordnung aufnehmen kann, wobei der Kolben aus mindestens
zwei Einzelteilen hergestellt wurde, die nach separater Herstellung
zusammengefügt
wurden, wobei der zylindrische Abschnitt und der Fußabschnitt
zwei dieser Teile sind und aus voneinander unterschiedlichen Materialien
hergestellt sind, und wobei der Kolben zwei Teile umfasst, die miteinander verbunden
wurden, um die beiden Teile zu einem einheitlichen Ganzen zusammenzufügen. Der
zylindrische Abschnitt ist aus Aluminium hergestellt, und der Fußabschnitt
ist aus Stahl hergestellt, und der Kolben umfasst nur zwei Teile
in Form des zylindrischen Abschnitts und des Fußabschnitts, die nach separater Herstellung
zusammengefügt
werden.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen insbesondere
wie vorstehend beschriebenen Kolben zur Verwendung in einem Kompressor
bereitzustellen, der die vorstehend erwähnten Nachteile überwindet
oder im Wesentlichen abschwächt.
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Insbesondere
soll bei einem Kolben nach der vorliegenden Erfindung die Verwendung
von Lagerschalen oder Schuhen vermieden und eine kompaktere Kolbengeometrie übernommen
werden können, um
Platz zu sparen, wodurch jegliche Qualitätsabnahme der beteiligten Bauteile
vermieden werden kann.
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Nach
einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Kolben zur
Verwendung in einem Kompressor für
eine Fahrzeugklimaanlage nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 bereitgestellt,
dessen beide Teile durch Magnetimpulsschweißen zusammengefügt wurden.
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Vorteilhafter
Weise besteht das aus Stahl hergestellte Teil aus hochfestem Stahl.
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Vorzugsweise
wurde das aus Stahl hergestellte Teil auch oberflächengehärtet.
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Vorzugsweise
ist der zylindrische Abschnitt auch hohl.
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Vorzugsweise
umfasst der Fußabschnitt auch
eine ringförmige
Kappe, die ein offenes Ende des hohlen zylindrischen Abschnitts
verschließt, wenn
sie damit verbunden ist.
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Vorzugsweise
umfasst der Fußabschnitt auch
einen Mantel, der in das Innere des hohlen zylindrischen Abschnitts
eingepasst ist.
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Vorzugsweise
bildet der Fußabschnitt
auch eine Ausnehmung, in die sich die Kipp- oder Taumelscheibenanordnung
erstrecken kann.
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Vorzugsweise
bildet der Fußabschnitt
auch eine teilkugelförmige
Drucklagerfläche
auf einer Seite der Ausnehmung gegenüber derjenigen, die an den
zylindrischen Abschnitt angrenzt, welche Drucklagerfläche in einer
Richtung vom zylindrischen Abschnitt weg Translationskräfte auf
den Kolben überträgt.
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Vorzugsweise
bildet der Fußabschnitt
auch eine zweite teilkugelförmige
Drucklagerfläche
auf einer Seite der Ausnehmung angrenzend an den zylindrischen Abschnitt,
welche Drucklagerfläche
in einer Richtung zum zylindrischen Abschnitt hin Translationskräfte auf
den Kolben überträgt.
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Vorzugsweise
hat die zweite teilkugelförmige Drucklagerfläche auch
einen Flächenbereich,
der wesentlich kleiner ist als die Querschnittsfläche des zylindrischen
Abschnitts.
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Vorzugsweise
hat die zweite teilkugelförmige Drucklagerfläche auch
einen Flächenbereich,
der gleich groß ist
wie derjenige der ersten teilkugelförmigen Drucklagerfläche.
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Vorzugsweise
umfasst der Kolben auch zwei Teile, die durch Kraftschluss zusammengefügt wurden.
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Vorzugsweise
umfasst der Kolben auch zwei Teile, die zusammengefügt wurden,
und die anschließend
zumindest teilweise mit einer reibungsmindernden Beschichtung beschichtet
wurden. Solch eine Beschichtung kann eine Polytetrafluorethylen(PTFE)-Beschichtung
oder eine reibungsmindernde Lackbeschichtung umfassen.
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Nach
einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Kipp- oder
Taumelscheibenkompressor für
eine Fahrzeugklimaanlage mit einem Kolben nach dem ersten Aspekt
der Erfindung bereitgestellt.
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Nach
einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Kompressor
für eine
Fahrzeugklimaanlage mit einer Antriebswelle, einer mit der Antriebswelle
in Wirkverbindung stehende Kipp- oder Taumelscheibenanordnung, einem
Kolben mit einem zylindrischen Abschnitt an einem Ende und einem Fußabschnitt
an seinem anderen Ende, einem Zylinder, in dem sich der zylindrische
Abschnitt hin- und herbewegen kann, und einem im Fußabschnitt
untergebrachten Lager bereitgestellt, das mit der Kipp- oder Taumelscheibenanordnung
zusammenwirkt, um den Kolben auf und ab zu bewegen, wenn sich die Antriebswelle
dreht, wobei der Kolben aus mindestens zwei Einzelteilen hergestellt
wurde, die nach separater Herstellung zusammengefügt wurden,
wobei der zylindrische Abschnitt und der Fußabschnitt zwei dieser Teile
sind und aus voneinander unterschiedlichen Materialien hergestellt
sind, wobei der Kolben zwei Teile umfasst, die miteinander verbunden
wurden, um die beiden Teile zu einem einheitlichen Ganzen zusammenzufügen, und
wobei der zylindrische Abschnitt aus Aluminium und der Fußabschnitt
aus Stahl hergestellt ist, und der Kolben nur zwei Teile in Form
des zylindrischen Abschnitts und des Fußabschnitts umfasst, die nach
separater Herstellung zusammengefügt werden, und kennzeichnend
ist, dass die beiden Teile durch Magnetimpulsschweißen zusammengefügt wurden.
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Vorzugsweise
umfasst der Kompressor eine Taumelscheibenanordnung mit einer Kippscheibe, auf
der eine Taumelscheibe drehbar angebracht ist.
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Vorzugsweise
hat die Taumelscheibe auch zwei Drehfreiheitsgrade, so dass sie
sich gemeinsam mit der Kippscheibe und in Bezug auf die Kippscheibe
drehen kann.
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Vorzugsweise
wurde der Kompressor auch zur Kompression von CO2 ausgelegt.
Alternativ wurde der Kompressor zur Kompression von R134A ausgelegt.
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In
sämtlichen
vorstehend erwähnten
Ausführungsformen
ist der zylindrische Abschnitt des Kolbens aus Aluminium und der
Fußabschnitt
des Kolbens aus Stahl hergestellt.
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Erstens
kann der Fußabschnitt,
aufgrund dessen, dass er aus Stahl hergestellt ist, von Größe und Form
her viel kompakter ausgelegt werden als ein aus Aluminium hergestellter,
weil Stahl den Kräften
besser Wiederstehen kann, denen der Fußabschnitt ausgesetzt ist.
Insbesondere kann die erste und zweite teilkugelförmige Drucklagerfläche, die
im Fußabschnitt
vorgesehen sind, flächenmäßig um bis zu
50% kleiner ausgelegt werden als die Drucklagerflächen, die
in einem Aluminiumfußabschnitt
vorgesehen sind, und auf die Verwendung von Lagerschuhen oder -schalen
kann ganz verzichtet werden. Typischerweise liegen die Durchmesser
der teilkugelförmigen
Lagerflächen
im Bereich von 8 bis einschließlich
12 mm. Dies bedeutet auch, dass die halbkugelförmigen Gleitschuhe, gegen die
eine Kipp- oder Taumelscheibenanordnung des Kompressors wirkt, und
die an der ersten und zweiten teilkugelförmigen Drucklagerfläche anliegen,
von der Größe her entsprechend
auch kleiner ausgelegt werden können.
Typischerweise haben die Gleitschuhe bei einem Kolben nach der vorliegenden
Erfindung nämlich
ein Gewicht im Bereich von 1,5 g, wohingegen diejenigen zur Verwendung
bei herkömmlichen
Kolbenfußabschnitten
aus Aluminium ein Gewicht im Bereich von 7,0 g haben.
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Der
pv-Wert ist hier relevant, weil der erfindungsgemäße Kolben
vorzugsweise in einem Kolben mit einer Taumelscheibenanordnung verwendet
wird, die nur geringe Drehbewegungen vollzieht, so dass das Produkt
aus dem Oberflächendruck
und der Geschwindigkeit klein ist. Solch eine Taumelscheibenanordnung
umfasst eine Taumelscheibe, die zwei Drehfreiheitsgrade hat, so
dass sie sich zusammen mit der Kippscheibe und in Bezug auf die
Kippscheibe drehen kann. Eine Folge davon, dass der pv-Wert klein
ist, ist, dass die halbkugelförmigen
Gleitschuhe mit kleinen Abmessungen hergestellt werden können, wobei
hauptsächlich
nur der Oberflächendruck berücksichtigt
wird. Die Größe der Gleitschuhe
bestimmt auch die Größe der komplementär ausgebildeten
teilkugelförmigen
Drucklagerflächen,
die im Fußabschnitt
vorgesehen sind, die wie vorstehend angegeben erheblich kleiner
ausgelegt werden können
als diejenigen in einem Aluminiumfußabschnitt, wodurch die maschinelle
Bearbeitungszeit, die zu deren Produktion benötigt wird, verkürzt wird
und in der Folge Kosten eingespart werden.
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Weil
zweitens der Fußabschnitt
des Kolbens 1 so dimensioniert sein muss, dass er den Kräften, die
er tragen muss, ohne Verformung oder Rißbildung widerstehen kann,
ermöglicht
es die Fähigkeit, ihn
aus Stahl und nicht aus Aluminium herzustellen, dass seine Abmessungen
so klein wie möglich
gehalten werden können.
In dieser Hinsicht können
die Abmessungen eines Fußabschnitts
aus Stahl, was Breite, Länge
und Tiefe anbelangt, erheblich kleiner ausgelegt werden als ein
entsprechender aus Aluminium hergestellter Fußabschnitt. Die Tiefe des Fußabschnitts
bezieht sich auf das Ausmaß,
in dem der Fußabschnitt
radial über
den zylindrischen Abschnitt hinaus vorsteht.
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Drittens
ist die Verwendung eines zylindrischen Abschnitts aus Aluminium
auch vorteilhaft, weil er vom Gewicht her leichter ist als ein zylindrischer
Abschnitt aus Stahl und in der vorliegenden Erfindung hohl hergestellt
werden kann. Weil es zusätzlich
vorteilhaft ist, einen aus Aluminium hergestellten Zylinderblock
aus entsprechenden Gewichtseinsparungsgründen zu verwenden, bedeutet
die Verwendung eines Kolbens mit einem aus Aluminium hergestellten
zylindrischen Abschnitt, dass sowohl der zylindrische Abschnitt
als auch die Zylinderbohrung, in welcher er sich auf- und abbewegt,
dasselbe tribologische Verhalten aufweisen. Insbesondere ist es
bei Kompressoren, die in Fahrzeugklimaanlagen mit Kolben ohne Ringen
verwendet werden, vorteilhaft, dass ein kleiner Zwischenraum zwischen
dem zylindrischen Abschnitt des Kolbens und der Zylinderbohrung
besteht, damit ein geringer Gasaustritt in das Kompressorgehäuse möglich ist.
Wenn der zylindrische Abschnitt und die Zylinderbohrung beide aus demselben
Material hergestellt sind, haben sie denselben Wärmedehnungskoeffizienten, so
dass der Zwischenraum entlang des ganzen Längenverlaufs des zylindrischen
Abschnitts und unter allen Wärmebetriebsbedingungen
konstant ist.
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Ein
weiterer Vorteil bietet sich, wenn der Zylinderblock und der zylindrische
Abschnitt aus demselben Material hergestellt sind, weil sie dann
beide denselben Elastizitätsmodul
aufweisen. Die Kräfte, die
während
des Gebrauchs auf den Kolben ausgeübt werden, sind nicht ausschließlich nur
axiale Kräfte,
sondern umfassen eine wesentliche radiale Komponente, die vom Neigungswinkel
der Kipp- oder Taumelscheibenanordnung abhängt. Die radiale Kraftkomponente
bewirkt, dass ein Kontakt zwischen dem zylindrischen Abschnitt des
Kolbens und der Zylinderbohrung auftritt, der zum Verschleiß in der
Bohrung und darauf folgender Kompression und entsprechendem Verschleiß des zylindrischen
Abschnitts des Kolbens führt.
Wenn diese beiden Bauteile aus demselben Material und deshalb mit
demselben Elastizitätsmodul
hergestellt sind, können
die Auswirkungen des Verschleißes
besser gesteuert werden.
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Die
vorliegende Erfindung wird nun beispielhaft mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen
beschrieben.
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1 ist
eine perspektivische Seitenansicht eines herkömmlichen Aluminiumkolbens;
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2 ist
eine 1 ähnliche
perspektivische Ansicht, aber eines Kolbens nach der vorliegenden
Erfindung;
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3 ist
eine Teillängsquerschnittsansicht eines
Kolbens nach der vorliegenden Erfindung an seiner Stelle in einem
Taumelscheibenkompressor;
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4 ist
ein Längsquerschnitt
des in 3 gezeigten Kompressors;
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5 ist
eine 4 ähnliche
Ansicht, aber in kleinerem Maßstab,
die ein alternatives Mittel zum Zusammenfügen der Bestandteile des Kolbens
zeigt; und
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6 ist
eine 5 ähnliche
Ansicht, die aber ein alternatives Mittel zum Zusammenfügen der Bestandteile
des Kolbens und eine weitere Modifizierung zeigt.
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In
allen Zeichnungen sind dieselben Bauteile oder Bauteile mit denselben
Funktionen mit derselben Bezugszahl versehen.
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Ein
Kolben 2 zur Verwendung in einem Kompressor, und wie in
den 2 bis 5 der Zeichnungen gezeigt, umfasst
einen zylindrischen Abschnitt 2 an einem Ende und einen
Fußabschnitt 3 an seinem
anderen Ende. Der Fußabschnitt 3 umfasst ein
erstes Teil, das eine ringförmige
Kappe 4 bildet, die an ein Ende des zylindrischen Abschnitts
angefügt
ist, und eine Brücke 5,
die eine Ausnehmung 6 bildet, die ein (nicht gezeigtes)
Lager für
eine Kipp- oder eine Taumelscheibenanordnung des Kompressors aufnehmen
kann. Auf jeder Seite der Ausnehmung 6 ist eine erste bzw.
zweite teilkugelförmige Drucklagerfläche 7 bzw. 8 ausgebildet,
um von der Kipp- oder Taumelscheibenanordnung ausgehende Translationskräfte auf
den Kolben 1 zu übertragen. Die
auf die erste Fläche 7 (siehe 3) übertragenen
Translationskräfte
verlaufen in einer Richtung vom zylindrischen Abschnitt 2 weg,
um im Gebrauch den Kolben aus einer Zylinderbohrung des Kolbens herauszuziehen,
wohingegen die auf die zweite Fläche 8 übertragenen
Kräfte
in einer Richtung zum zylindrischen Abschnitt 2 hin verlaufen,
um den Kolben 1 beim Kompressionshub des Kolbens in die
Bohrung zu drücken.
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Die
Abschnitte 2 und 3 bestehen aus verschiedenen
Materialien, wurden separat hergestellt, und wurden zu einem einheitlichen
Ganzen zusammengefügt,
um den Kolben 1 vorzugsweise aus hochfestem Stahl durch
Bearbeiten oder Verformen zu bilden. Der zylindrische Abschnitt 2 besteht
aus Aluminium (Al), und der Fußabschnitt 3 besteht
aus Stahl (St), vorzugsweise einem hochfesten Stahl. Da sowohl die
erste als auch zweite Lagerfläche 7 und 8 im
Fußabschnitt
aus Stahl ausgebildet sind, können ihre
Flächenbereiche
im Vergleich zueinander gleich groß und erheblich kleiner als
der Querschnittsflächenbereich
des zylindrischen Abschnitts 2 ausgelegt sein.
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Wenn
wie vorstehend angegeben die relativen Größen der ersten und zweiten
Drucklagerfläche 7 und 8 mit
denjenigen eines einzig aus Aluminium bestehenden Kolbens verglichen
werden, wie er in 1 gezeigt ist, bei dem vergleichbare
Teile dieselben Bezugszahlen aber mit einem Suffix 'A' zugeteilt bekommen haben, dann ist
zu sehen, dass sie um ungefähr
50% kleiner sind. Auch sind die Breite W, die Länge L und die Tiefe D des Fußabschnitts
erheblich kleiner als diejenigen (WA, LA, DA) des Fußabschnitts
im herkömmlichen
Kolben.
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Wie
zuvor bereits erklärt
wurde, kann bei einem wie in 3 gezeigten
Kippscheibenkompressor 20 mit einer Taumelscheibenanordnung 21,
wobei die Taumelscheibe 22 der Anordnung zwei Drehfreiheitsgarde
hat, so dass sie sich gemeinsam mit einer Kippscheibe 23 und
auch in Bezug auf die Kippscheibe 23 drehen kann, die Größe der halbkugelförmigen Gleitschuhe 24 und 25 erheblich
reduziert werden. Dies bedeutet, dass wie vorstehend angegeben, die
erste und zweite Drucklagerfläche 7 und 8,
die mit dem Gleitschuh 24 bzw. 25 in Kontakt sind,
auch verkleinert sind. Dies hat für den Kompressor 20 erhebliche
Vorteile, weil der Innen- und Außendurchmesser ID bzw. OD des
Kompressorgehäuses
mit den entsprechenden Kosten- und Platzeinsparungen ebenfalls verkleinert
sein kann.
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Den
Kolben 1 in zwei Abschnitten 2 und 3 herzustellen,
hat den erheblichen weiteren Vorteil, dass die geeignetste Herstellungsform
für jedes
Teil verwendet werden kann. Insbesondere wird der zylindrische Abschnitt 2 des
Kolbens 1 am besten unter Verwendung einer Drehmaschine
hergestellt, weil die Genauigkeit seiner Zylinderfläche von
größter Bedeutung
ist. Hingegen wird der Fußabschnitt 3 wegen den
verschiedenen Flächen
wie den Flächen 7 und 8, die
genau ausgebildet sein müssen,
am besten unter Verwendung einer Fräsmaschine hergestellt. Auch kann
der Fußabschnitt 4 zu
Anfang mit einer relativ genauen Form durch Gießen oder Schmieden hergestellt
werden, bevor er einem maschinellen Endbearbeitungsvorgang unterzogen
wird, um die verschiedenen Flächen
genau auszubilden. Eine solche maschinelle Bearbeitung ist viel
schwieriger durchzuführen,
wenn der Kolben 1 als einheitliches Ganzes und nicht in
den verschiedenen Teilen gefertigt wird, wie es die vorliegende
Erfindung vorschlägt.
Der aus Stahl bestehende Teil des Kolbens, bei dem es sich um den
Fußabschnitt 3 handelt,
kann auch oberflächengehärtet werden,
bevor er mit den anderen Kolbenteilen zusammengefügt wird,
um den fertigen Kolben 1 zu bilden.
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In
einer ersten, wie in 3 und 4 gezeigten
Ausführungsform
umfasst der zylindrische Abschnitt 2 einen Hohlzylinder
aus Aluminium, der an seinem Kopf 9 geschlossen ist, aber
an seinem anderen Ende durch die ringförmige Kappe 4 eines
Fußabschnitts 3 aus
Stahl verschlossen ist. In dieser Ausführungsform ist der Fußabschnitt 3 mit
einem Mantel 10 versehen, der so in den hohlzylindrischen Abschnitt 2 kraftschlüssig eingepasst
oder eingepresst ist, dass der Fußabschnitt 3 mit dem
zylindrischen Abschnitt 2 um die Kappe 4 herum
angefügt ist.
Zusätzlich
ist der Fußabschnitt 3 durch
Magnetimpulsschweißen
am zylindrischen Abschnitt 2 befestigt.
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In
einer Ausführungsform,
die nicht Teil der Erfindung ist, umfasst der Mantel 10,
wie in 5 gezeigt, ein geschlitztes Federteil, das axiale
Schlitze 11 bildet, kraftschlüssig in den hohlzylindrischen
Abschnitt 2 eingepasst ist und danach nach außen gerichtete
radiale Kräfte
auf den zylindrischen Abschnitt 2 ausübt, um sich selbst in Position
zu halten.
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Als
Ergebnis der Unterschiede beim Wärmedehnungskoeffizienten
zwischen den verschiedenen Materialien, die für die Teile des Kolbens 1 verwendet wurden,
wie etwa den zylindrischen Abschnitt 2 und den Fußabschnitt 3,
können
vorzugsweise in beiden vorstehenden Ausführungsformen diese beiden Abschnitte,
nachdem sie kraftschlüssig
miteinander verbunden wurden, durch Magnetimpulsschweißen einen
noch engeren Verbund bilden. Dieser Prozess ist zum Zusammenfügen eines
aus Aluminium bestehenden und eines aus Stahl bestehenden Bauteils höchst geeignet,
weil es hohen Lasten standhalten kann.
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Wie
vorstehend angegeben, wird nach der vorliegenden Erfindung Magnetimpulsschweißen eingesetzt.
Dabei handelt es sich um einen Kaltschweißprozess, der wieder den Vorteil
bietet, keine Schmelzphase zwischen den beiden Bestandteilen zu
benötigen,
bei denen es sich wieder um verschiedene Materialien handeln kann.
Auch ist die Schweißnaht
stärker,
als das schwächere
Material der beiden zusammengefügten
Materialien.
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Beim
Magnetimpulsschweißen
wird die Schweißnaht
zwischen zwei sich überlappenden Rohren
ausgebildet, wobei eines zumindest teilweise in das andere eingesteckt
ist. Es wird deshalb klar sein, dass es sich deshalb für eine wie
in 5 gezeigte Anordnung eignet, bei welcher der Stahlmantel 10 des
Fußabschnitts 3 in
den hohlzylindrischen Aluminiumabschnitt 2 des Kolbens 1 eingesteckt
ist. Der Prozess bringt die Entladung eines sehr hohen Stroms, der
in manchen Fällen
bis zu 2 Millionen Ampere betragen kann, in einer extrem kurzen
Zeit, beispielsweise in weniger als 100 Mikrosekunden, über eine
Spule mit sich, welche die zu verschweißenden Bauteile umgibt. Die
Spule berührt
die Bauteile nicht, aber der Entladungsstrom induziert einen sehr
hohen Wirbelstrom in das äußere Bauteil,
in diesem Fall das zylindrische Bauteil 2 aus Aluminium,
das im Ergebnis herabsinkt und sich selbst am innenliegenden Bauteil,
in diesem Fall dem Mantel 10 anschweißt. Es wird klar sein, dass
der Strom in der Spule wie auch der Wirbelstrom im äußeren Bauteil
sehr starke, aber in entgegengesetzte Richtungen gerichtete Magnetfelder
erzeugen, so dass sie einander abstoßen. Wenn die Spule stärker ist
als der zylindrische Abschnitt 2, bewegt sich der Abschnitt 2 mit
einer sehr hohen Geschwindigkeit, die seine Elastizitätsgrenze übersteigt,
von der Spule weg, so dass er plastisch wird und im Ergebnis auf
das Innenrohr herabsinkt, um die Schweißverbindung zu bilden. Der
eigentliche Schweißvorgang
dauert weniger als 100 Mikrosekunden, und da ein Zwischenraum zwischen
den Bauteilen benötigt
wird, damit der Prozess funktioniert, sind keine engen Toleranzen
zwischen dem Mantel 10 und dem zylindrischen Abschnitt 2 erforderlich.
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Magnetimpulsschweißen ist
ein kalter Prozess, weil er so schnell vonstatten geht. Im Ergebnis werden
die Bauteile nicht über
30°C erwärmt, was
zu niedrig ist, um irgendeinen Qualitätsverlust der beteiligten Metalle
zu bewirken. Auch wird die Schweißverbindung zum stärksten Teil
des Systems. Sie kann mit jedem Material, das leitfähig ist,
verwendet werden und ist deshalb höchst geeignet, um Aluminium an
Stahl anzuschweißen.
Jedoch können
auch andere ähnliche
oder nicht ähnliche
Metalle erfolgreich verschweißt
werden, sowie auch Metalle mit Nichtmetallen verbunden werden, wobei
keine metallurgische Bindung erforderlich ist, beispielsweise bei
einer Keramik-/Metallverbindung.
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7 zeigt
ein anderes Verfahren (das nicht zur vorliegenden Erfindung gehört) zum
Zusammenfügen
des zylindrischen Abschnitts 2 mit dem Fußabschnitt 3,
bei dem der Mantel 10 des Fußabschnitts 3 und
die innenliegende zylindrische Fläche des hohlzylindrischen Abschnitts 2 so
mit komplementären Schraubgewinden 12 versehen
sind, dass die beiden Abschnitte 2 und 3 zusammengeschraubt
werden können.
Alternativ können
die ringförmige
Kappe 4 und der zylindrische Abschnitt 2 mit Innengewinde versehen
sein, damit die beiden Teile 2 und 4 unter Verwendung
mechanischer Befestigungsmittel wie Schrauben aneinander befestigt
werden können.
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Ein
weiterer Kolben, der nicht zur Erfindung gehört, ist in 7 gezeigt;
ein zusätzliches
Teil 14 ist hinzugekommen, das eine drehverhindernde Sperreinrichtung
umfasst, die sich zwischen dem Fußabschnitt 3 und dem
zylindrischen Abschnitt 2 befindet. Die Sperreinrichtung
umfasst einen Ring 14, der mit mindestens einem seitlichen
Vorsprung und vorzugsweise zwei seitlichen Vorsprüngen 15 ausgestattet
ist, die symmetrische Flügel
umfassen können,
die den Kolben 1 gegen die angrenzende Wandfläche eines
Gehäuses
des Kompressors abstützen
und dadurch eine Drehung des Kolbens um seine Längsachse verhindern. Die Vorsprünge 15 brauchen
nicht übermäßig dick
ausgelegt zu sein, wenn sie keinen Biegemomenten ausgesetzt werden,
weil sie vom Hauptkörper
des Kolbens 1 nach außen
vorstehen. Dies trägt
dazu bei, das Gesamtgewicht des Kolbens 1 niedrig zu halten.
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Der
Ring mit der Sperreinrichtung 14 ist vorzugsweise auf dieselbe
Weise wie der zylindrische Abschnitt 2 am Fußabschnitt 3 des
Kolbens 1 angebracht. In dem dargestellten Beispiel ist
die innere ringförmige
Fläche
des Rings 14 auch mit einem Schraubgewinde versehen, damit
er am Mantel 10 des Fußabschnitts 3 angeschraubt
werden kann. Alternativ könnte
er, bevor er am zylindrischen Abschnitt 2 befestigt wird,
auf einen geschlitzten Federmantel 10 aufgepresst werden,
wie vorstehend mit Bezug auf 5 beschrieben
wurde, und, falls nötig, anschließend durch
Reibschluss am zylindrischen Abschnitt 2 und Fußabschnitt 3 festgesetzt
werden.
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Der
Ring 14 kann aus Aluminium oder Stahl bestehen, sollte
vorzugsweise aber aus demselben Material bestehen wie das Gehäuse des
Kompressors, um Verschleiß zwischen
denjenigen Teilen des Rings 14, wie etwa den Vorsprüngen 15 zu
reduzieren, die mit der Fläche
des Gehäuses
in Kontakt kommen. Auf jeden Fall kann zumindest der Fußabschnitt 3,
und, falls vorhanden, der Ring 14, um die Reibungskräfte zwischen
dem Fußabschnitt 3 und dem
Gehäuse
minimal zu halten, mit einer reibungsmindernden Beschichtung wie
einer Polytetrafluorethylenbeschichtung (PTFE-Beschichtung) oder
einer reibungsmindernden Lackbeschichtung versehen werden.