EP1230483A1 - Kolbenmaschine, insbesondere verdichter - Google Patents

Kolbenmaschine, insbesondere verdichter

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EP1230483A1
EP1230483A1 EP00979565A EP00979565A EP1230483A1 EP 1230483 A1 EP1230483 A1 EP 1230483A1 EP 00979565 A EP00979565 A EP 00979565A EP 00979565 A EP00979565 A EP 00979565A EP 1230483 A1 EP1230483 A1 EP 1230483A1
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EP
European Patent Office
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piston
swash plate
piston rod
machine according
drive shaft
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EP00979565A
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Ullrich Hesse
Otfried Schwarzkopf
Petra Beil
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Valeo Compressor Europe GmbH
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Zexel Valeo Compressor Europe GmbH
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    • F05C—INDEXING SCHEME RELATING TO MATERIALS, MATERIAL PROPERTIES OR MATERIAL CHARACTERISTICS FOR MACHINES, ENGINES OR PUMPS OTHER THAN NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES
    • F05C2225/00—Synthetic polymers, e.g. plastics; Rubber

Definitions

  • the invention relates to piston mechanisms with at least one piston, a drive shaft and a coupling mechanism that connects the piston to the drive shaft
  • An example of such a piston machine is an axial piston compressor, as is shown, for example, in DE 197 03 216 A1. It can be used in particular as a compressor in a refrigerant circuit on an air conditioning system, for example for motor vehicles.
  • the compressor is used to remove a refrigerant from a heat exchanger which it evaporates while absorbing heat at low pressure and compressed to a higher pressure, in which the refrigerant gas is liquefied and / or cooled in a further heat exchanger with heat being given off
  • Compressors of this type are known in a wide variety of designs; for various reasons, axial piston compressors which work with a swashplate have become established. With this design, the axial movement of the pistons is generated by a swashplate whose tilt angle can be controlled relative to the drive shaft.
  • a disadvantage of the known constructions is that there are high friction losses in the area of the plain bearings as a function of the speed, since these are proportional to the speed in the plain bearings and relatively high coefficients of friction occur in the area of the plain bearings.
  • a swash plate only in the area of the plain bearings comparatively small relative movements instead of this means that no hydrodynamic lubricating film can be formed and there is insufficient lubrication.
  • the swash plate, the swash plate which may be present, the sliding blocks, the piston rods and the metal pistons have to be overcome during the operation, high moments of inertia
  • a piston machine of the type mentioned with the features of the characterizing part of claim 1 offers the advantage that the lubrication of the slide bearing of the piston machine is either completely unnecessary or at least can be accomplished much easier.
  • the use of plastic namely allows either the slide bearing to be completely to save so that no more lubrication is required, or at least to provide plain bearings that are either self-lubricating or that can be lubricated with lubricants with low viscosity.
  • there are reduced inertial forces in the piston machine according to the invention which leads to improved smoothness. This results in less noise, which increases comfort, for example, in the interior of a vehicle equipped with the piston machine.
  • the lighter design of plastic opens up the possibility of previously separated Executing components in one piece, which leads to a reduced number of parts and thus to reduced manufacturing and assembly costs. The fact that no machining is required also leads to cost and material savings and to a reduction in labor
  • the piston machine is an axial piston compressor which has a swash plate which is pivotably attached to the drive shaft and that the coupling mechanism acts on the swash plate.
  • lubrication if it continues to be It is necessary to use cold machine oils with a very low viscosity.
  • Such oils are advantageous because they always come in small proportions (eg 5-10%) with the refrigerant from the compressor into the refrigerant circuit, since they greatly affect the heat transfer conditions in the heat exchangers have a much less negative effect than the cold machine oils previously used
  • the coupling mechanism has a ball joint which is connected to the piston and which surrounds the swash plate, the ball joint having two sliding blocks which rest on one and the other side of the swash plate, each in one Support the joint shell of the ball joint and consist of plastic.
  • This configuration is advantageous with regard to the lubrication of the sliding blocks in the area of the joint shell.
  • the sliding blocks only perform a comparatively small pivoting movement in the joint shell, which is proportional to the tilting angle of the swashplate Sliding block made from a self-lubricating plastic is much less sensitive to lubrication than a conventional sliding block made from metal
  • the coupling mechanism has a swash plate, which is rotatably mounted on the swash plate, and a piston rod connected to the piston, the swash plate, the piston rod and the piston being made of plastic.
  • This design is also reduced by the use of Disschmiere ⁇ dem Kunststoff the requirements for lubrication of the moving parts, especially the connection between the piston rod on the one hand and the swash plate or the piston on the other
  • the swash plate, the piston rod and the piston are formed in one piece.
  • no joints or bearings are required between the piston rod on the one hand and the swash plate or the piston on the other hand, the necessary mobility between these parts is achieved solely by the elasticity of the piston rod provided
  • This design is characterized by the fact that no lubrication is required so that an oil-free compressor can be realized even if the other components are designed so that they do not require separate lubrication beyond self-lubrication Manufacturing and assembly costs
  • the piston rod is preferably a hollow die-cast part.
  • the demands on the piston rod can be met, namely on the one hand sufficient bending stiffness to transmit the compressive forces to the piston, on the other hand sufficient deformability to absorb the relative movement between the piston and the swash plate without great losses can adhere in a particularly simple manner
  • the piston rod in a cross section perpendicular to the longitudinal axis considered has a wall thickness that changes periodically in the circumference. This configuration is advantageous in connection with the use of glass fiber-reinforced thermoplastic for the piston rod in that a high rigidity can be achieved with a small wall thickness
  • the piston rod is designed with a larger wall thickness in the area of the transition into the swash plate. This ensures that the critical buckling stress in this area is increased in such a way that the pressure forces that occur can be transmitted without problems
  • FIG. 1 shows a schematic sectional view of an axial piston compressor according to a first embodiment of the invention
  • FIG. 2 shows a schematic section of an axial piston compressor according to a second embodiment of the invention
  • FIG. 4 shows a schematic diagram of an axial piston compressor according to a third embodiment of the invention
  • - Figure 5 shows a cross section along the plane V of Figure 4.
  • FIG. 1 schematically shows a piston machine according to a first embodiment. It is an axial piston compressor which contains a drive shaft 10, which is mounted in a housing 12. A swashplate is connected to the drive shaft 10 in a rotationally fixed manner, which is located between a position in which extends approximately perpendicular to the longitudinal axis of the drive shaft 10 and can be pivoted to a maximally tilted position, which is shown in FIG.
  • the position which the swash plate assumes during operation is dependent on the difference between the two sides of the spout (housing pressure and Compressor internal pressure) and by the compressor speed and the spring force of a spring 16, which can move the swash plate on the drive shaft 10, the swash plate being supported on a holder 17, so that it is pivoted during a displacement on the drive shaft.
  • the compressor is regulated by Variation of the housing pressure
  • a swash plate 18 is rotatably mounted on the swash plate by means of radial and axial roller bearings 20, 22.
  • a spherical head 24 is formed on the swash plate 18 and is guided in a suitable setting in the housing 12, so that the swash plate 18 is held in a rotationally fixed manner relative to the housing A ⁇ of the swash plate 18, a plurality of ball joints 26 are formed, by means of which a piston rod 28 is mounted on the swash plate 18 in a tensile and pressure-resistant but pivotable manner
  • Each piston 32 is displaceable in a cylinder 34, the central axis of which runs parallel to the longitudinal axis of the drive shaft 10. Only two pistons are shown in the drawing, in fact the compressor can contain more (usually up to seven) pistons
  • each piston rod 28 When the drive shaft 10 is rotated and the swash plate is in a position oblique to the drive shaft, each piston rod 28 performs a reciprocating movement, so that the pistons 32 also perform a reciprocating movement in the corresponding cylinders 34
  • This movement can be used, for example, to compress a refrigerant if the axial piston compressor is used as a refrigerant compressor for an air conditioning system
  • the swash plate 18, the piston rod 28 and the pistons 32 are made of plastic so that only very low requirements have to be met with regard to the lubrication, in particular in the ball joints 26, 30. Furthermore, this results in low mass inertia, which means both the required power and that Running noise occurring during operation is positively influenced If a self-lubricating plastic is selected, lubrication can be dispensed with completely
  • FIG 2 an alternative embodiment of an axial piston compressor according to the invention is shown.
  • the required relative rotation between the piston 32 and the swash plate is achieved with sliding blocks 36 which have a flat running surface 38, which bears against a raceway of the swash plate, as well as have a spherical segment-shaped swivel surface 40, which is in each case in a ⁇ er articulated shell 42 supported
  • the arrangement of the articulated shells 42 and the sliding blocks 36 is selected so that the swash plate can rotate between the two sliding blocks 36, a radial movement being possible at the same time
  • FIG. 4 shows a schematic diagram of an axial piston compressor according to a further embodiment.
  • This embodiment is based on the function of the axial piston compressor of FIG. 1, that is, it uses a swash plate 18 which can be rotated relative to the swash plate, while it does not but wobble relative to the housing executes a rotating movement
  • the entire coupling mechanism i.e. the swash plate 18 and the piston rod 28, and the pistons 32 are in one piece formed with each other from plastic
  • the relative movements occurring during operation are made entirely possible by the piston rod 28, which is designed for this purpose with the required elasticity.
  • FIG. 4 shows the various geometrical constellations that can occur during the operation of the axial piston compressor.
  • the snapshot with the swash plate 18 oriented perpendicular to the longitudinal axis of the drive shaft 10 corresponds either to operation without delivery capacity or, in the case of operation with a tilted swash plate, to the moment, in which chem the piston rod 28 intersects one of the two radii of the swash plate, which are perpendicular to the drive shaft 10.
  • the end of the piston rod 28 connected to the swash plate 18 has the maximum possible radial distance from the drive shaft with the reference numerals 18 ', 28' and 32 the position of the coupling mechanism and the piston 32 is shown, in which the piston is in an end position of its stroke, namely at the transition from the suction stroke to the pressure stroke.
  • the coupling mechanism and the piston are in the position shown in which they have traveled the maximum stroke H and the piston is in its other position after the pressure stroke has been carried out.
  • the end of the piston rod connected to the swash plate 18 is at the maximum possible radial distance from the drive shaft 10
  • the end of the piston rod connected to the piston 32 is in a central radial n arranged from the drive shaft 10.
  • the piston rod 28 must allow a periodic movement of the end of the piston rod 28 connected to the swash plate 18 in the radial direction by an average with an amplitude of ⁇ x, which is the difference between the maximum radius and the minimum radius of the one with the swash plate 18 connected end of the piston rod corresponds additionally the piston rod must allow a tilting movement, which results from the inclined position of the swash plate and thus the swash plate 18 by the angle ⁇
  • a suitable material which offers the required elasticity with sufficient pressure resistance, are glass fiber reinforced thermoplastic materials, e.g. Ticona GE 1000 and GE 4001.
  • the parts can be injection molded, in particular the piston rod 28 being designed as a hollow profile.
  • a particularly suitable cross section is shown in FIG. 5
  • the piston rod has an inner cavity with a circular cross section and a diameter d of approximately 4 mm, while the maximum outer diameter D is between 6 and 8 mm. endeavors in a cross section perpendicular to the longitudinal axis of the piston rod 28, executed corrugated in the circumferential direction, so that the wall thickness changes periodically. With a comparatively small wall thickness, this profile offers a high degree of rigidity with which the required kink resistance is achieved.
  • FIGS. 6 and 7 show a piston machine according to a fourth embodiment.
  • This is a reciprocating piston machine in which the drive shaft 10 is designed as a crankshaft.
  • a piston rod 28 is connected to the crankshaft and is formed in one piece with a piston 32.
  • the piston rod 28 and the piston are comparable to the embodiment of Figure 3 made of plastic, so that due to the inherent elasticity of the piston rod 28, a connecting rod bearing in the piston can be dispensed with. The requirements for the lubrication of the slide bearing between the crankshaft and the piston rod are also reduced.

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Abstract

Bei einer Kolbenmaschine mit mindestens einem Kolben (32), einer Antriebswelle (10) und einem Koppelmechanismus (18, 28; 36, 38, 40, 42), der den Kolben mit der Antriebswelle verbindet, sollen die Anforderungen an die erforderliche Schmierung gesenkt werden. Zu diesem Zweck ist vorgesehen, dass der Koppelmechanismus wenigstens teilweise aus Kunststoff besteht.

Description

Beschreibung
Kolbenmaschine insbesondere Verdichter
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft Kolbenmaschmen mit mindestens einem Kolben, einer Antriebswelle und einem Koppelmechaπismus, der den Kolben mit der Antriebswelle verbindet
Ein Beispiel für eine solche Kolbenmaschine ist ein Axialkolbeπverdichter, wie er beispielsweise in der DE 197 03 216 A1 gezeigt ist Er kann insbesondere als Kompressor in einem Kaltemittelkreisiauf einer Klimaanlage verwendet werden, beispielsweise für Kraftfahrzeuge Der Kompressor dient dazu, ein Kältemittel aus einem Wärmeübertrager, in welchem es unter Wärmeaufnahme bei niedrigem Druck verdampft anzusaugen und auf einen höheren Druck zu verdichten, bei dem das Kaltemittelgas in einem weiteren Wärmeübertrager unter Wärmeabgabe verflüssigt und/oder abgekühlt wird
Solche Kompressoren sind in den unterschiedlichsten Bauarten bekannt, aus verschiedenen Gründen haben sich Axialkolbenverdichter durchgesetzt, die mit einer Schragscheibe arbeiten Bei dieser Bauart wird die axiale Bewegung der Kolben von einer Schragscheibe erzeugt, deren Kippwinkel relativ zur Antriebswelle gesteuert werden kann Mit der Schragscheibe sind zug- und druckfest die Kolben verbunden, da die Zylinder, in welchen die Kolben verschiebbar sind, feststehend sind, wahrend die Schragscheibe angetrieben wird, sind als Koppelmechaπismus zwischen der Schragscheibe und den Kolben entweder Gleitsteine mit Gleitlagern vorgesehen, die an den Kolben angebracht sind, oder eine Taumelscheibe mit Kolbenstangen, die in Gleitlagern an deπ Kolben angebracht sind Wenn die Kolben direkt mit der Schragscheibe verbunden sind, sind an jedem Kolben zwei halbkugelformige Lager ausgebildet, in welchem die beiden Gleitsteine so angeordnet sind, daß sie auf der einen und der anderen Seite der Schragscheibe auf einer Laufflache angreifen Wenn dagegen eine Taumelscheibe verwendet wird, ist diese relativ zur Schragscheibe drehbar gelagert, so daß auf die Taumelscheibe nur die Schragstellung der Schragscheibe übertragen wird nicht aber deren Drehbewegung Die Kolbenstangen sind sowohl an der Taumelscheibe als auch an den Kolben durch ein Kugelgelenk gelagert
Nachteilig bei den bekannten Konstruktionen ist, daß es im Bereich der Gleitlager drehzahlabhangig zu hohen Reibverlusten kommt, da diese bei der Gleitlageruπg proportional zur Drehzahl sind und im Bereich der Gleitlager relativ hohe Reibkoeffizienten auftreten Bei der Verwendung einer Taumelschei- be finden im Bereich der Gleitlager nur vergleichsweise kleine Relativbewe- guπgen statt Somit kann sich damit kein hydrodynamischer Schmierfilm ausbilden und es kommt zur Mangelschmierung Gleichzeitig müssen, da die Schragscheibe, die gegebenenfalls vorhandene Taumelscheibe die Gleitsteine, die Kolbenstangen und die Kolben aus Metall bestehen wahrend des Be- tπebs hohe Massentragheitsmomente überwunden werden
Vorteile der Erfindung
Eine Kolbenmaschine der eingangs genannten Art mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 bietet den Vorteil, daß die Schmierung der Gleitlager der Kolbenmaschine entweder vollständig überflüssig ist oder wenigstens sehr viel einfacher bewerkstelligt werden kann Die Verwendung von Kunststoff ermöglicht es nämlich entweder, die Gleitlager vollständig einzusparen, so daß keinerlei Schmierung mehr erforderlich ist, oder wenigstens solche Gleitlager vorzusehen, die entweder seibstschmierend sind oder mit Schmierstoffen mit geringer Viskosität geschmiert werden kon- nen Zusätzlich ergeben sich bei der erfiπdungsgemaßeπ Kolbenmaschine verringerte Massenkrafte, was zu einer verbesserten Laufruhe fuhrt Somit ergibt sich eine geringere Gerauschentwicklung was den Komfort beispielsweise im Inπenraum eines Fahrzeugs erhöht das mit der Kolbenmaschine ausgestattet ist Schließlich eröffnet die leichtere Formgebung von Kunststoff die Möglichkeit, bisher getrennte Bauteile eiπstuckig auszufuhren, was zu einer verringerten Teileaπzahl und somit verringerten Herstellungs- und Moπtagekosten fuhrt Auch die Tatsache, daß keine spanende Bearbeitung mehr erforderlich ist, fuhrt zu Kosten- und Materialeinsparungen und zu einer Verringerung des Ar- beitsaufwaπdes
Gemäß einer bevorzugten Ausfuhrungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß die Kolbenmaschine ein Axialkolbenverdichter ist, der eine Schragscheibe aufweist, die an der Antriebswelle schwenkbar angebracht ist und daß der Kop- pelmechanismus an der Schragscheibe angreift In diesem Fall können zur Schmierung, falls sie sich weiterhin als notwendig erweist Kaltemaschinenole mit sehr geringer Viskosität verwendet werden Solche Ole sind, das sie immer in kleinen Anteilen (z B 5-10%) mit dem Kältemittel vom Verdichter in den Kältemittel-Kreislauf gelangen vorteilhaft, da sie die Warmeubergangsbedin- gungen in den Wärmetauschern sehr viel weniger negativ beeinflussen als die bisher verwendeten Kaltemaschinenole
Gemäß einer bevorzugten Ausfuhruπgsform der Erfindung ist vorgesehen, daß der Koppeimechanismus ein mit dem Kolben verbundenes Kugelgelenk auf- weist, das die Schragscheibe umgreift, wobei das Kugelgelenk zwei Gleitsteine aufweist, die auf der einen und der anderen Seite der Schragscheibe anliegen, sich jeweils in einer Gelenkschale des Kugelgelenks abstutzen und aus Kunststoff bestehen Diese Ausgestaltung ist vorteilhaft hinsichtlich der Schmierung der Gleitsteine im Bereich der Gelenkschale Die Gleitsteine fuh- ren in der Geleπkschale nämlich nur eine vergleichsweise kleine Schwenkbewegung durch, die zum Kippwiπkel der Schragscheibe proportional ist Ein Gleitstein aus einem selbstschmierenden Kunststoff ist sehr viel unempfindlicher gegen eine Maπgelschmierung als ein herkömmlicher Gleitstem, der aus Metall besteht
Gemäß einer alternativen bevorzugten Ausfuhrungsform ist vorgesehen, daß der Koppelmechaπismus eine Taumelscheibe aufweist, die drehbar an der Schragscheibe gelagert ist, sowie eine mit dem Kolben verbundene Kolbenstange, wobei die Taumelscheibe die Kolbenstange und der Kolben aus Kunststoff bestehen Auch diese Gestaltung verringert durch die Verwendung von selbstschmiereπdem Kunststoff die Anforderungen an eine Schmierung der sich bewegenden Teile, insbesondere der Verbindung zwischen der Kolbenstange einerseits und der Taumelscheibe bzw dem Kolben andererseits
Gemäß einer bevorzugten Ausfuhrungsform ist vorgesehen, daß die Taumel- scheibe die Kolbenstange und der Kolben einstuckig ausgebildet sind Bei dieser Gestaltung sind keine Gelenke oder Lager zwischen der Kolbenstange einerseits und der Taumelscheibe bzw dem Kolben andererseits erforderlich, die notwendige Bewegbarkeit zwischen diesen Teilen wird allein von der Elastizität der Kolbenstange bereitgestellt Diese Gestaltung zeichnet sich dadurch aus, daß keinerlei Schmierung erforderlich ist so daß ein olfreier Verdichter realisiert werden kann wenn auch die übrigen Bauteile so ausgeführt sind, daß sie über eine Selbstschmierung hinaus keine separate Schmierung benotigen Ferner ergibt sich ein besonders geringer Herstellungs- und Montageaufwand
Vorzugsweise ist die Kolbenstange ein hohles Spntzgußteil Auf diese Weise lassen sich die Anforderungen an die Kolbenstange, nämlich einerseits ausreichende Biegesteifigkeit, um die Druckkräfte auf den Kolben zu übertragen, andererseits ausreichende Verformbarkeit, um ohne große Verluste die Relativ- bewegungeπ zwischen Kolben und Taumelscheibe aufnehmen zu können, in besonders einfacher Weise einhalten Zu diesem Zweck kann vorgesehen sein, daß die Kolbenstange in einem Querschnitt senkrecht zur Langsachse betrachtet, eine sich in Umfaπgsnchtung periodisch ändernde Wandstärke aufweist Diese Ausgestaltung ist in Verbindung mit der Verwendung von glasfaserverstärktem thermoplastischen Kunststoff für die Kolbenstange dahingehend vorteilhaft daß bei geringer Wandstarke eine hohe Steifigkeit erzielt wer- den kann
Ferner kann vorgesehen sein, daß die Kolbenstange im Bereich des Übergangs in die Taumelscheibe mit größerer Wandstarke ausgeführt ist Auf diese Weise wird gewahrleistet, daß die kritische Kπickspannung in diesem Bereich derart erhöht wird, daß die auftretenden Druckkräfte problemlos übertragen werden können
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteran- spruchen
Zeichnungen
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf verschiedene Ausfuhrungsformen beschrieben, die in den beigefugten Zeichnungen dargestellt sind In diesen zeigen
- Figur 1 in einer schematischen Schnittansicht einen Axialkolbenverdichter gemäß einer ersten Ausfuhrungsform der Erfindung,
- Figur 2 in einem schematischen Schnitt einen Axialkolbeπverdichter gemäß einer zweiten Ausfuhrungsform der Erfindung,
- Figur 3 in einem vergrößerten Maßstab das Detail III von Figur 2
- Figur 4 in einer Prinzipskizze einen Axialkolbeπverdichter gemäß einer dritten Ausfuhrungsform der Erfindung, - Figur 5 einen Querschnitt entlang der Ebene V von Figur 4.
- Figur 6 in einem schematischen Schnitt einen Kolbenverdichter gemäß einer vierten Ausfuhruπgsform der Erfindung in einer ersten Stellung, und
- Figur 7 in einem schematischen Schnitt den Kolbenverdichter von Figur 6 in einer zweiten Stellung
Beschreibung der Ausfuhruπgsbeispiele
In Figur 1 ist schematisch eine Kolbenmaschine gemäß einer ersten Ausfuhrungsform dargestellt Es handelt sich um einen Axialkolbeπverdichter, der eine Antriebswelle 10 enthalt, die in einem Gehäuse 12 gelagert ist Mit der An- tπebswelle 10 ist drehfest eine Schragscheibe verbunden, die zwischen einer Stellung, in der sie sich etwa senkrecht zur Langsachse der Antriebswelle 10 erstreckt und einer maximal gekippten Stellung verschwenkt werden kann, die in Figur 1 gezeigt ist Die Stellung, die die Schragscheibe im Betrieb einnimmt, stellt sich in Abhängigkeit von der Differenz zwischen den beiden Koibenseiten (Gehausedruck und Verdichteriπnendruck) sowie durch die Verdichterdrehzahl und die Federkraft einer Feder 16 ein, welche die Schragscheibe auf der Antriebswelle 10 verschieben kann, wobei sich die Schragscheibe an einem Halter 17 abstutzt, so daß sie bei einer Verschiebung auf der Antriebswelle verschwenkt wird Geregelt wird der Verdichter durch Variation des Gehause- drucks
An der Schragscheibe ist drehbar eine Taumelscheibe 18 mittels radialen und axialen Walzlagern 20, 22 gelagert An der Taumelscheibe 18 ist ein Kugelkopf 24 ausgebildet, der in einer geeigneten Kulisse im Gehäuse 12 gefuhrt wird, so daß die Taumelscheibe 18 relativ zum Gehäuse drehfest gehalten wird Aπ der Taumelscheibe 18 sind mehrere Kugelgelenke 26 ausgebildet, mittels denen jeweils eine Kolbenstange 28 zug- und druckfest, aber schwenkbar an der Taumelscheibe 18 gelagert ist Das andere Ende jeder Kolbenstange 28 ist mittels eines weiteren Kugelgelenks 30 zug- und druckfest mit einem Kolben 32 gekoppelt Jeder Kolben 32 ist in einem Zylinder 34 verschiebbar, dessen Mittelachse parallel zur Längsachse der Antriebswelle 10 verlauft In der Zeichnung sind nur zwei Kolben gezeigt, tatsächlich kann der Verdichter mehr (üblicherweise bis zu sieben) Kolben enthalten
Wenn die Antriebswelle 10 in Drehung versetzt wird und die Schragscheibe sich in einer Stellung schräg zur Antriebswelle befindet, fuhrt jede Kolbenstange 28 eine hm- und hergehende Bewegung aus, so daß auch die Kolben 32 eine hin- und hergehende Bewegung in den entsprechenden Zylindern 34 ausfuhren Diese Bewegung kann dazu genutzt werden beispielsweise ein Kältemittel zu verdichten, wenn die Axialkolbeπverdichter als Kaltemittelver- dichter für eine Klimaanlage verwendet wird
Um hinsichtlich der Schmierung insbesondere in den Kugelgelenken 26, 30 nur sehr geringe Anforderungen einhalten zu müssen, sind die Taumelscheibe 18 die Kolbenstange 28 und die Kolben 32 aus Kunststoff hergestellt Ferner ergeben sich so geringe Massenträgheiten, was sowohl die erforderliche An- tπebsleistung als auch das beim Betrieb auftretende Laufgerausch positiv beeinflußt Wenn ein selbstschmierender Kunststoff gewählt wird, kann auf eine Schmierung vollständig verzichtet werden
In Figur 2 ist eine alternative Ausfuhrungsform eines erfindungsgemaßeπ Axialkolbenverdichters dargestellt Im Unterschied zur ersten Ausfuhrungsform wird bei dieser Ausfuhrungsform die erforderliche Relativdrehung zwischen dem Kolben 32 und der Schragscheibe durch Gleitsteine 36 erzielt, die eine ebene Laufflache 38, die an einer Laufbahn der Schragscheibe anliegt, sowie eine kugelsegmeπtformige Schwenkflache 40 aufweisen, die sich jeweils in ei- πer Gelenkschale 42 abstutzt Die Anordnung der Gelenkschalen 42 und der Gleitsteine 36 ist so gewählt, daß sich die Schragscheibe zwischen den beiden Gleitsteiπen 36 drehen kann wobei gleichzeitig eine radiale Bewegung möglich
Da die Schwenkflachen 40 relativ zu den Gelenkschaleπ 42 nur geringfügig verschwenkt werden, was die Erzielung eines hydrodynamischen Schmierfilms unmöglich macht, werden Gleitsteine aus Kunststoff verwendet, die hinsichtlich der Schmierung geringere Anforderungen stellen
In Figur 4 ist eine Prinzipskizze eines Axialkolbeπverdichters gemäß einer weiteren Ausfuhrungsform gezeigt Diese Ausfuhrungsform basiert hinsichtlich ihrer Funktion auf dem Axialkolbenverdichter von Figur 1 , verwendet also eine Taumelscheibe 18, die relativ zur Schragscheibe drehbar ist, wahrend sie rela- tiv zum Gehäuse eine taumelnde nicht aber eine drehende Bewegung ausfuhrt Im Gegensatz zur Ausgestaltung gemäß Figur 1 , bei der gelenkig mit dem Kolben und der Taumelscheibe 18 verbundene Kolbenstangen 28 verwendet werden, sind bei dieser Ausfuhrungsform der gesamte Koppelmechanismus, also die Taumelscheibe 18 und die Kolbenstange 28, sowie die Kolben 32 einstuckig miteinander aus Kunststoff ausgebildet Die wahrend des Betriebs auftretenden Relativbewegungen werden vollständig von der Kolbenstange 28 ermöglicht, die zu diesem Zweck mit der erforderlichen Elastizität ausgeführt ist Im Hinblick auf die erforderliche Knicksteifigkeit der Kolbenstange 28 ist es vorteilhaft, diese am Übergang in die Taumelscheibe 18 mit ver- großertem Querschnitt auszufuhren
In Figur 4 sind die verschiedenen geometrischen Konstellationen gezeigt, die wahrend des Betriebs des Axialkolbenverdichters auftreten können Die Momentaufnahme mit der senkrecht zur Längsachse der Antriebswelle 10 ausge- richteten Taumelscheibe 18 entspricht entweder einem Betrieb ohne Förderleistung oder, beim Betrieb mit gekippter Taumelscheibe, dem Moment, in wel- chem die Kolbenstange 28 einen der beiden Radien der Taumelscheibe schneidet, die senkrecht zur Antriebswelle 10 sind In diesem Zustand hat das mit der Taumelscheibe 18 verbundene Ende der Kolbenstange 28 den maximal möglichen radialen Abstand von der Antriebswelle Mit den Bezugszeichen 18', 28' und 32 ist die Stellung des Koppelmechanismus und des Kolbens 32 gezeigt, in der der Kolben sich in einer Endstelluπg seines Hubes befindet, nämlich am Übergang vom Saughub zum Druckhub Mit den Bezugszeichen 18", 28" und 32" sind der Koppelmechanismus und der Kolben in der Stellung gezeigt, in der sie den maximalen Hub H zurückgelegt haben und sich der Kol- ben in seiner anderen Eπdstelluπg nach dem Ausfuhren des Druckhubes befindet In den beiden Stellungen 28', 28" befindet sich das mit der Taumelscheibe 18 verbundene Ende der Kolbenstange im maximal möglichen radialen Abstand von der Antriebswelle 10 Das mit dem Kolben 32 verbundene Ende der Kolbenstange ist in einem mittleren radialen Abstand von der Antriebswelle 10 angeordnet. Somit muß die Kolbenstange 28 mittels ihrer Eigenelastizitat eine periodische Bewegung des mit der Taumelscheibe 18 verbundenen Endes der Kolbenstange 28 in radialer Richtung um einen Mittelwert mit einer Amplitude von Δx ermöglichen, die der Differenz zwischen dem maximalen Radius und dem minimalen Radius des mit der Taumelscheibe 18 verbundenen Endes der Kolbenstange entspricht Zusätzlich muß die Kolbenstange eine Kippbewegung ermöglichen, die aus der Schragstellung der Schragscheibe und somit der Taumelscheibe 18 um den Winkel α resultiert
Ein geeignetes Material, welches die erforderliche Elastizität bei gleichzeitig ausreichender Druckfestigkeit bietet, sind glasfaserverstärkte thermoplastische Kunststoffe, beispielsweise Ticona GE 1000 und GE 4001 Die Teile können spritzgegossen werden, wobei insbesondere die Kolbenstange 28 als Hohlprofil ausgeführt wird Ein besonders geeigneter Querschnitt ist in Figur 5 gezeigt Die Kolbenstange weist einen Innenhohlraum mit kreisförmigem Quer- schnitt und einem Durchmesser d von etwa 4 mm auf, wahrend der maximale Außendurchmesser D zwischen 6 und 8 mm betragt Die Außenkoπtur ist, be- trachtet in einem Querschnitt senkrecht zur Längsachse der Kolbenstange 28, in Umfangsrichtung gewellt ausgeführt, so daß sich die Wandstärke periodisch ändert. Dieses Profil bietet bei vergleichsweise geringer Wandstärke eine hohe Steifigkeit, mit der die erforderliche Knickfestigkeit erzielt wird.
In den Figuren 6 und 7 ist eine Kolbenmaschine gemäß einer vierten Ausfüh- ruπgsform dargestellt. Es handelt sich hier um eine Hubkolbeπmaschine, bei der die Antriebswelle 10 als Kurbelwelle ausgeführt ist. Mit der Kurbelwelle ist eine Kolbenstange 28 verbunden, die einstuckig mit einem Kolben 32 ausge- bildet ist. Der Kolbenstange 28 und der Kolben bestehen vergleichbar der Ausführungsform von Figur 3 aus Kunststoff, so daß aufgrund der Eigenelastizität der Kolbenstange 28 auf ein Pleuellager im Kolben verzichtet werden kann. Auch verringern sich die Anforderungen an die Schmierung des Gleitlagers zwischen der Kurbelwelle und der Kolbenstange.
Bezugszeichenliste
10: Antriebswelle 12: Gehäuse
14: Schrägscheibe
16: Feder
17: Halter
18: Taumelscheibe 0: Wälzlager 2: Wälzlager 4: Kugelkopf 6: Kugelgelenk 8: Kolbenstange 0: Kugelgelenk 2: Kolben 4: Zylinder 6: Gleitstein 8: Lauffläche 0: Schwenkfläche 2: Gelenkschale

Claims

Patentansprüche
1. Kolbenmaschine mit mindestens einem Kolben (32), einer Antriebswelle (10) und einem Koppelmechanismus (18, 28; 36, 38, 40, 42), der den Kolben mit der Antriebswelle verbindet, dadurch gekennzeichnet, daß der Koppelmechaπismus wenigstens teilweise aus Kunststoff besteht.
2. Kolbenmaschine nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß sie ein Axialkolbeπverdichter ist, der eine Schrägscheibe (14) aufweist, die an der Antriebswelle (10) schwenkbar angebracht ist, und daß der Koppelmechanismus an der Schrägscheibe (14) angreift.
3. Kolbenmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kop- pelmechanismus ein mit dem Kolben (32) verbundenes Kugelgelenk ( 36, 42) aufweist, das die Schrägscheibe (14) umgreift, wobei das Kugelgelenk zwei Gleitsteine (36) aufweist, die auf der einen und der anderen Seite der Schrägscheibe (14) anliegen, sich jeweils in einer Gelenkschale (42) des Kugelgelenks abstützen und aus Kunststoff bestehen.
4. Kolbenmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Koppelmechanismus eine Taumelscheibe (18) aufweist, die drehbar an der Schrägscheibe (14) gelagert ist, sowie eine mit dem Kolben verbundene Kolbenstange (28), wobei die Taumelscheibe (18), die Kolbenstange (28) und der Kolben (32) aus Kunststoff bestehen.
5. Kolbenmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Taumelscheibe (18), die Kolbenstange (28) und der Kolben (32) einstückig ausgebildet sind.
6. Kolbenmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenstange (28) ein hohles Spritzgußteil ist.
7. Kolbenmaschine nach einem der Ansprüche 5 und 6, dadurch gekeππzeich- net, daß die Kolbenstange (28), in einem Querschnitt senkrecht zur Längsachse betrachtet, eine sich in Umfangsrichtuπg periodisch ändernde Wandstärke aufweist.
8. Kolbenmaschine nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekeππzeich- πet, daß die Kolbenstange (28) aus glasfaserverstärktem thermoplastischem
Kunststoff besteht.
9. Kolbenmaschine nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenstange (28) im Bereich des Übergangs in die Taumelschei- be (18) mit größerer Wandstärke ausgeführt ist.
10. Kolbenmaschine nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebswelle (10) als Kurbelwelle ausgebildet ist und der Koppelmechaπismus eine Kolbenstange (28) enthält, die starr mit dem Kolben verbunden ist.
11. Kolbenmaschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben aus Kunststoff besteht und die Kolbenstange (28) einstückig mit dem Kolben ausgebildet ist.
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