EP0752530B1

EP0752530B1 - Hubkolbenmaschine mit Taumelscheibengetriebe

Info

Publication number: EP0752530B1
Application number: EP96810373A
Authority: EP
Inventors: Peter Kuhn; Frank Obrist
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG; DaimlerChrysler AG; Audi AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG; Audi AG; Mercedes Benz Group AG
Priority date: 1995-07-05
Filing date: 1996-06-07
Publication date: 2002-03-27
Anticipated expiration: 2016-06-07
Also published as: JP3373733B2; US5752413A; JPH0925872A; EP0752530A1; DE59608940D1; CH691272A5

Description

Die Erfindung betrifft eine Hubkolbenmaschine mit Taumelscheibengetriebe mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.

Eine Hubkolbenmaschine dieser Art ist bekannt durch die FR-A-563 879. Bei ihr greifen zapfenförmige Mitnehmer in Lagerbuchsen ein, deren Durchmesser grösser ist als derjenige der Kolben, so dass sie in einem zwei Kolben miteinander verbindenden Gehäuseteil des Kolbens gelagert sind, der sich über den Umfang des Kolbens hinaus erstreckt. Eine solche Mitnehmerkonstruktionen ist mit verhältnismässig grossen Reibungskräften verbunden. Ausserdem begrenzt der Zapfeneingriff die mögliche Veränderung der Hubweite der Arbeitskolben.

Durch die US-A- 2,405,006 ist eine durch eine Schwenkscheibe angetriebene Hubkolbenmaschine bekannt, bei der ein Mitnehmerzapfen mit einem eine Kugelfläche aufweisenden Kopf in eine quer zum Kolben verlaufende Bohrung eingreift. Der somit gegebene Linienkontakt zwischen dem Kugelkopf und der Bohrung führt zu erhöhtem Verschleiss, insbesondere da solche der Kolben meist aus Leichtmetall hergestellt werden.

Durch die GB-A-196 158 ist eine in ihrer Hubweite konstante Hubkolbenmaschine mit Taumelscheibengetriebe bekannt, bei der die Taumelscheibe sich scheibenförmig bis in einen Mitnehmerraum der Kolben erstreckt. Dabei erfolgt die Antriebsübertragung von der Scheibe auf die Kolben durch vier halbschalenförmige Führungsteile, die beidseitig der Scheibe mittels bogenförmiger Führungsrippen formschlüssig und gleitend gehalten sind. Aufgrund der wechselnd wirkenden hohen Kräfte an dieser Antriebsübertragung ist die Konstruktion verschleissanfällig und erfordert eine hohe Massgenauigkeit, mit entsprechend hohen Herstellungskosten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Hubkolbenmaschine der eingangs genannten Art zu finden, die eine geringe Baugrösse hat, die sich mit geringerem Aufwand bzw. kostengünstiger herstellen lässt und die geringe Reibungsverluste in der Antriebsübertragung von der Taumelscheibe zu den Kolben aufweist.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäss aufgrund der kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1.

Durch die Kombination Kugelkopf/Querführung ergeben sich kleine Kontaktfläche der Antriebsübertragung, so dass nur geringe Reibungswiderstände auftreten. Durch die Vermeidung eines Linienkontaktes ist auch eine geringe Verschleissanfälligkeit gegeben. Ausserdem ergeben sich Vorteile bei der Herstellung und kompakten Gestaltung der Maschine.

Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche und der folgenden Beschreibung anhand der Zeichnungen zu entnehmen.

Es zeigt:

Fig.1: einen Axialschnitt einer ersten Ausführungsform der Hubkolbenmaschine,
Fig.2: einen Schnitt entlang der Linie II-II der Fig.1,
Fig.3: eine vergrösserte Darstellung eines Bereichs der Fig.2,
Fig.4: eine Schnittdarstellung entsprechend Fig.2, einer Ausführungsform, bei der jeder Kolben eine Verdrehsicherung hat und
Fig.5: einen Axialschnitt einer zweiten Ausführungsform der Hubkolbenmaschine.

Der grundsätzliche Aufbau und die Wirkungsweise einer Hubkolbenmaschine mit Taumelscheibengetriebe ist durch die Fachliteratur bekannt, wie z.B. durch die US-A-5,205,718 oder die DE-A-4139186.

Die Hubkolbenmaschine 1 hat beispielsweise sieben Kolben 2, die in Umfangsrichtung der Maschine nebeneinander angeordnet sind. Die Taumelscheibe 3 hat einen sich mit der Maschinenwelle 4 drehenden Scheibenteil 5 und einen in Antriebsverbindung mit den Kolben 2 stehenden und folglich nicht mitdrehenden Scheibenteil 6. Hierfür ist zwischen beiden Scheibenteilen 5,6 eine mit Lagerkugeln 7,8 ausgerüstete Drehlagerung 9 vorgesehen, die axiale und radiale Kräfte aufnimmt, um die dem Kolbenantrieb dienende Taumelbewegung zu übertragen.

Die Verbindung zwischen der Maschinenwelle 4 und dem mitdrehenden Scheibenteil 5 erfolgt durch einen Mitnehmerbolzen 10, der in eine die Winkelverstellung der Taumelscheibe 3 ermöglichende Ausnehmung 11 eines seitlich am mitdrehenden Scheibenteil 5 angeformten Mitnehmerkörpers 12 eingreift. Für die eine Schwenkbewegung zulassende Lagerung der Taumelscheibe 3 auf der Maschinenwelle 4 trägt diese einen Kugelkörper 13, der von einer entsprechend geformten Kugelfläche 14 des mitdrehenden Scheibenteils 5 umfasst ist.

Die Kraft für die Winkelverstellung der Taumelscheibe 3 ergibt sich aus der Summe der jeweils beidseitig der Kolben 2 gegeneinander wirkenden Drücke, so dass diese Kraft vom Druck im Triebraum 15 abhängig ist. Für die Regelung dieses Druckes kann eine Strömungsverbindung mit einem äusseren Druckgasstrom vorgesehen sein, der bei Anwendung der Maschine als Verdichter vorhanden ist. Diese Verbindung kann Kanäle 16 aufweisen, die zu dem für die Maschinenwelle 4 vorgesehenen Dicht- und Lagerraum 17 führen und anschliessend in den Triebraum 15, so dass auch eine Kühlung erzielt wird. Entsprechend der Neigung der Taumelscheibe 3 ändert sich der untere Totpunkt der Kolbenbewegung, während der obere Totpunkt unverändert oder weitgehend unverändert bleibt. Je höher der Druck an der Unterseite der Kolben 2 bzw. im Triebraum 15 relativ zum Druck auf der Oberseite der Kolben 2 bzw. auf der Saugseite des Verdichters, umso kleiner wird die Hubweite der Kolben 2 und damit die Förderleistung des Verdichters .

Für die Ausführung ihrer Hubbewegung sind die sieben Kolben 2 mit dem Umfang der Taumelscheibe 3 verbunden. Im Gegensatz zu vorbekannten Konstruktionen hat jede Verbindung zwischen einer Stelle der Taumelscheibe 3 und einem Kolben 2 nur ein Kugelgelenk 20, indem die Art der Lagerung des Kugelkopfes 21 dessen Bewegung quer zur Achse des Kolbens 2 bzw. radial zu der Taumelscheibe 3 zulässt. Hierfür hat der Kolben 2 einen Kolbenschaft 22, der seinen die Kolbenringe 23 tragenden Kolbenkopf 24 starr mit einem in der Zylinderbohrung 25 gleitenden Führungskopf 26 verbindet.

Bei den Ausführungsbeispielen nach Fig.1 bis 4 hat die Taumelscheibe 3 für jeden Kolben 2 einen sich radial von ihr wegerstreckenden, kurzen Kugelzapfen 27, der mit dem Kugelkopf 21 in eine Querbohrung 28 des Führungskopfes 26 eingreift.

Um einen zu starken Druckbelastungen führenden Linienkontakt zwischen dem Kugelkopf 21 und einer zylindrischen Querbohrung 28 zu vermeiden, ist vorzugsweise der Kugelkopf 21, nach dem Vorbild der Aussenringe von Radialgelenklagern, von einem Gleitring 29 mit kugelförmiger Innenfläche 30 umfasst. Der Eingriff des Kugelkopfes 21 in den Gleitring 29 bewirkt, dass dieser bei der Radialbewegung des Kugelkopfes 21 in der Querbohrung 28 des Führungskopfes 26 gleitet.

Das Ausführungsbeispiel der Fig.5 veranschaulicht, dass das Kugelgelenk 20' zwischen einem Kolben 2 und der Taumelscheibe 3 auch mit umgekehrter Anordnung als zuvor beschrieben ausführbar ist, indem ein Kugelkopf 21' starr am Führungskopf 26' des Kolbens 2 befestigt ist und die ihn aufnehmende Querbohrung 28' sich radial in die Taumelscheibe 3 hinein erstreckt. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel kann der Kugelkopf 21' von einer nichtdargestellten Gleithülse umfasst sein.

Um zu verhindern, dass sich der Scheibenteil 6 der Taumelscheibe 3 durch die Reibungskräfte der Lagerung 9 mitdreht, ist an zumindest einem Kolben 2 eine Verdrehsicherung vorgesehen, so dass das Mitdrehen durch die Gelenkverbindung zwischen Taumelscheibe 3 und Kolben 2 verhindert wird. Hierfür erstreckt sich ein mit zwei Abflachungen 32 versehener Führungszapfen 33 durch die Wand 34 des Maschinengehäuses 35 und greift in eine achsparallel verlaufenden Führungsnut 36 des Kolbens ein, so dass zwischen den Abflachungen 32 und den Seitenwänden der Führungsnut 36 ein Gleitkontakt vorhanden ist.

Für die Aufnahme der Führungsnut 36 ist der Schaft 22 des betreffenden Kolbens 2 mit einem geeigneten Querschnitt versehen, der von dem im unteren Teil der Fig.1 gezeigten schlanken Querschnitt abweicht.

Fig.4 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem jeder Kolben 2 durch einen in eine Führungsnut 36 eingreifenden Führungszapfen gegen Verdrehung um seine Achse geführt ist. Dabei ist der Führungszapfen 33 mit einem bestimmten Spiel zwischen den Seitenwänden der Führungsnut 36 eingeschlossen. Da die sieben Kolben 2 eine gegeneinander phasenverschobene, oszillierende, begrenzte Drehbewegung ausführen, übernimmt in jeder Taumelposition der Taumelscheibe 3 derjenige Kolben die Verdrehsicherung des Scheibenteils 6 der Taumelscheibe 3, bei dem der Kontakt zwischen dem Führungszapfen 33 und einer Seitenwand der zugehörigen Führungsnut 36 am nächsten ist. Folglich wechselt der Führungskontakt in Umfangsrichtung der Maschine von einem Kolben 2 zum anderen, so dass die Beanspruchung durch die Führung entsprechend verteilt wird.

Claims

Hubkolbenmaschine mit Taumelscheibengetriebe, mit einem ersten Teil (5) der Taumelscheibe (3), der über ein Schwenkgelenk (10,11;13,14) mit der Maschinenwelle (4) in Antriebsverbindung steht und mit einem zweiten Taumelscheibenteil (6), der mit den Kolben (2) in Antriebsverbindung steht, wobei die Taumelbewegung über eine Drehlagerung (9) vom ersten auf den zweiten Taumelscheibenteil übertragen wird und die Antriebsverbindung mit jeweils einem der Kolben (2) durch jeweils einen am zweiten Taumelscheibenteil (6) vorgesehenen Mitnehmer (21) erfolgt, der quer in den Kolben (2) hineinragt, dadurch gekennzeichnet, dass der Mitnehmer ein die von einem Gleitring (29) mit kugelförmiger Innenfläche (30) umfasster Kugelkopf (21,21') ist und der Gleitring (29) in einer quer zur Kolbenachse verlaufenden Führungsbohrung (28) verschiebbar gehalten ist, wobei die Kolben (2) gegen Verdrehung gesichert sind.
Hubkolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugelköpfe (21) am Umfang des zweiten Taumelscheibenteils (6) starr befestigt sind und die Kugelführung (28) sich quer durch das antriebsseitige Ende (26) des Kolbens (2) erstreckt.
Hubkolbenmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in mindestens einen der Kolben (2) ein Führungselement (33) eingreift, so dass die Verdrehung des Kolbens (2) um seine Längsachse zumindest eng begrenzt ist.
Hubkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (2) einen Dichtringe (23) tragenden Kolbenkopf (24) und einen Führungskopf (26) aufweist, die durch einen Kolbenschaft (22) miteinander verbunden sind.