EP1387957A1 - Hubkolbenmaschine mit einer gelenkanordnung - Google Patents

Hubkolbenmaschine mit einer gelenkanordnung

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EP1387957A1
EP1387957A1 EP02742856A EP02742856A EP1387957A1 EP 1387957 A1 EP1387957 A1 EP 1387957A1 EP 02742856 A EP02742856 A EP 02742856A EP 02742856 A EP02742856 A EP 02742856A EP 1387957 A1 EP1387957 A1 EP 1387957A1
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EP
European Patent Office
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piston
center
swivel plate
geometric center
joint arrangement
Prior art date
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EP02742856A
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English (en)
French (fr)
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EP1387957B1 (de
Inventor
Roland Cäsar
Peter Kuhn
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Obrist Engineering GmbH
Mercedes Benz Group AG
Original Assignee
Obrist Engineering GmbH
DaimlerChrysler AG
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Filing date
Publication date
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Publication of EP1387957A1 publication Critical patent/EP1387957A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1387957B1 publication Critical patent/EP1387957B1/de
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Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B27/00—Multi-cylinder pumps specially adapted for elastic fluids and characterised by number or arrangement of cylinders
    • F04B27/08—Multi-cylinder pumps specially adapted for elastic fluids and characterised by number or arrangement of cylinders having cylinders coaxial with, or parallel or inclined to, main shaft axis
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
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    • F04B27/08—Multi-cylinder pumps specially adapted for elastic fluids and characterised by number or arrangement of cylinders having cylinders coaxial with, or parallel or inclined to, main shaft axis
    • F04B27/0873—Component parts, e.g. sealings; Manufacturing or assembly thereof
    • F04B27/0878—Pistons
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
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    • F04B27/0873—Component parts, e.g. sealings; Manufacturing or assembly thereof
    • F04B27/0878—Pistons
    • F04B27/0886—Piston shoes

Definitions

  • the invention relates to a reciprocating piston machine according to the preamble of claim 1.
  • a generic piston engine comprises a machine housing in which a plurality of pistons are arranged in a circular arrangement around a rotating drive shaft.
  • the drive force is transmitted from the drive shaft via a driver to an annular swivel disk and from this in turn via a joint arrangement to the pistons which are translationally displaceable parallel to the machine shaft.
  • the swivel plate is pivotally mounted on the one hand on a sliding sleeve fastened linearly to the machine shaft; on the other hand, it slides along the joint arrangement, which surrounds the swivel plate with two spherical cap-shaped sliding blocks.
  • a center of force transmission is provided in the joint arrangement, which is arranged in the extension of the associated piston axis and forms the geometric center of the spherical sliding surfaces of the sliding blocks.
  • Machine shaft, driver, swivel plate and the joint arrangements and are arranged in a so-called drive room, in which the working medium of the reciprocating piston machine is at a certain pressure.
  • the delivery volume and thus the stroke of the pistons and the inclination of the swivel plate with respect to the machine shaft depend on the pressure ratio between the suction side and the pressure side of the pistons or accordingly on the pressures in the cylinders on the one hand and in the drive chamber on the other.
  • the object of the invention is to provide a reciprocating piston machine with improved operating behavior and higher performance.
  • the reciprocating piston machine according to the invention is characterized by an articulated arrangement to which a force transmission center approximately on the cylinder jacket of the piston axes is assigned, which is positioned in front of the associated piston axis with respect to the direction of rotation of the swivel plate.
  • the center of power transmission is a geometric location where the power transmission between the swivel plate and the respective piston takes place in an idealized manner. Furthermore, the center of force transmission represents the pivot point of the joint arrangement and possibly the common center of several sliding or rolling elements. By shifting the center of force transmission on the cylinder jacket defined by the piston axes, the introduction of force into the corresponding piston can be influenced.
  • the position of the center of force transmission should be shifted against the direction of rotation of the swivel plate in front of the piston axis, so that the torque or tilting moment exerted on the piston because of the inclined arrangement of the swivel plate and corresponding support forces on a piston guide are reduced.
  • the joint arrangement has a first sliding element with a first spherical-segment-shaped sliding surface and a second sliding element with a second spherical-segment-shaped sliding surface, the sliding surfaces having a common geometric center, which is aligned with the center of force transmission Joint arrangement approximately coincides.
  • the center of force transmission can be located approximately on the center plane of the swivel plate or between the center plane of the swivel plate and the piston guide
  • the reciprocating piston machine according to the invention is alternatively characterized in that a first sliding element has a first spherical segment-shaped sliding surface with a first geometric center and a second sliding element has a second spherical segment-shaped sliding surface with a second geometric center, the first and second center points being arranged at a distance from one another.
  • This arrangement is preferably relaxed and, if necessary, implemented with play if the swivel disk forms a right angle with the machine shaft and is therefore in a “neutral position” in which no piston stroke is generated.
  • the radius of the receptacle is approximately that Radius of the sliding surfaces
  • the first geometric center is arranged on a side of the center plane of the swivel plate facing the piston guide and the second geometric center is arranged on a side of the center plane of the swivel plate facing away from the piston guide.
  • the arrangement is preferably designed symmetrically with respect to the center plane of the swivel plate in the neutral position. This results in a uniform reduction of an existing game and / or a uniform bracing of the Sliding elements in the event of any deviation of the swashplate from the neutral position.
  • the first geometric center is arranged on the side of the center plane of the swivel plate facing the piston guide and the second geometric center is arranged approximately on the center plane of the swivel plate or likewise on the side of the center plane of the swivel plate facing the piston guide.
  • the first geometric center is offset on the cylinder jacket in the direction of rotation relative to the second geometric center. This results in a reduction in a play present in the neutral position when the swivel plate is pivoted in a first direction and an increase in the play when the swivel plate is pivoted in the opposite direction.
  • FIG. 1 shows a longitudinal section through a reciprocating piston machine according to the invention
  • FIG. 2 is a schematic diagram of the function of the reciprocating piston machine according to FIG. 1, 3 and 4 schematic diagrams for the function of a first
  • Fig. 5 is a schematic diagram of the function of a second ⁇ embodiment of the joint arrangement
  • Fig. 6 is a schematic diagram of the function of a third embodiment of the joint arrangement.
  • the reciprocating piston machine 1 has a plurality of pistons 4 arranged in a machine housing 3. All piston axes 12 are at a fixed distance from the axis of rotation 11, i.e. geometrically arranged on a cylinder jacket (not shown) around the machine shaft 2 and aligned parallel to the axis of rotation 11 of the machine shaft.
  • the pistons 4 are guided in cylindrical liners 10 (piston guides) in which cylindrical compression spaces 13 are formed (cf. FIGS. 2 to 4).
  • the pistons 4 separate the compression chambers 13 from a so-called drive chamber 14 (“crankcase”).
  • the rotational movement of the machine shaft is converted into a translational movement of the pistons 4 by means of a power transmission arrangement which is explained in more detail below.
  • a sliding body in the form of a sliding sleeve 9 is guided on the machine shaft 2.
  • a preferably circular swivel disk 5 is in turn mounted on the sliding sleeve 9, the swivel disk 5 being displaceable together with the sliding sleeve 9 in the direction of the axis of rotation 11.
  • On the sliding sleeve 9 two short pins are attached on both sides, which define a hinge axis 8 oriented transversely to the axis of rotation 11 of the machine shaft, about which the swivel plate 5 can be pivoted.
  • a driver 7 is fixed in a recess 2a of the machine shaft 2.
  • the driver 7 protrudes approximately at a right angle from the machine shaft and engages with a spherical articulation section in a radially open receptacle 15 on the swivel plate side (see FIG. 2). Since the driver 7 is fixed on the machine shaft, pivoting of the swivel plate about the hinge axis 8 is coupled to displacement of the sliding sleeve 9. When the reciprocating piston machine is operating, the rotation of the machine shaft 2 is transmitted to the swivel plate via the driver 7 (rotary movement in the direction of the arrow w).
  • the main median plane rotates with the machine shaft.
  • the swivel plate 5 is encompassed on its periphery in the region of each piston 4 by a joint arrangement 6 which slides over the swivel plate when it executes its rotational movement w.
  • the swivel plate 5 When the swivel plate 5 is inclined relative to the machine shaft 2, the swivel plate causes the pistons on the pressure side to move in compression and the pistons on the suction side to move in the course of their rotation.
  • 2 shows a simplified schematic diagram for power transmission between the machine shaft 2 and the piston 4.
  • FIGS. 3 and 4 show a view in the radial direction from the machine shaft 2 to the outside, the swivel plate 5 moving in the direction of the arrow w in FIG. 3 showing a suction stroke of the piston 4 (arrow s) and in Fig. 4 causes a compression stroke of the piston 4 (arrow v).
  • the joint arrangement 6 has a receptacle with two identical, approximately spherical guide and sliding surfaces ⁇ a, in which two spherical cap-shaped sliding elements 16, 17 are mounted.
  • the receptacle and the sliding elements 16, 17 are assigned a common geometric center point M, which at the same time forms a center of force transmission K of the joint arrangement 6.
  • the sliding surfaces 6a of the receptacle and the spherical surfaces of the sliding elements 16, 17 have the same radius and the same curvature.
  • the sliding elements 16, 17 are seated on the swivel plate 5 with little play.
  • the center of force transmission K is positioned against the direction of rotation w in front of the piston axis 12 of the associated piston 4 on the cylinder jacket containing all the piston axes.
  • the distance between the center of force transmission M and the piston axis 12 is preferably 10% to 20% of the piston stroke.
  • the force introduction point K s for the suction stroke is therefore further away from the piston 4 and from the piston guide 10 than the force transmission center K of the joint arrangement, while the force introduction point K v for the compression stroke is closer to the piston 4 lies as the center of power transmission K of the joint arrangement.
  • the same applies to the support forces A s and A v which are approximately the same size in a preferred embodiment.
  • FIG. 5 A second exemplary embodiment of the joint arrangement 6 according to the invention is shown in FIG. 5.
  • the joint arrangement 6 has a receptacle with two spherical sliding / guiding surfaces 6a, 6b, in which a first sliding element 18 with a spherical segment-shaped sliding surface 18a and a second sliding element 19 with a spherical segment-shaped sliding surface 19a are mounted.
  • the first slide element 18 is arranged on the side facing the associated piston
  • the second slide element 19 is arranged on the side of the swivel plate 5 facing away from the piston, so that the swivel plate 5 is encompassed by the slide elements 18, 19.
  • the geometric center Mi of the first sliding element 18 is arranged between the central plane 5a of the swivel plate 5 and the piston (not shown), while the geometric center M 2 of the second sliding element 19 lies on the central plane 5a. This results in different radii of curvature for the same angular mobility Sliding surfaces 18a and 19a, the smaller radius being provided in the sliding element 18 arranged on the side of the piston guide.
  • the joint arrangement is braced in the no-load state
  • This preload is compensated for by the fact that the joint arrangement 6 is bent up by forces occurring during operation of the reciprocating piston engine, ideally the static preload and the dynamic operating forces on the joint arrangement neutralize in the load state.
  • the center of force of the joint arrangement 6 is in the state of the prestress between the two geometric centers M x , M 2 , so that the force introduction into the piston (compared to arrangements with a center of force transmission on the central plane 5a) is generally closer to the piston guide and a smaller tilting moment is exerted on the piston.
  • the geometric center M x , M 2 so that the force introduction into the piston (compared to arrangements with a center of force transmission on the central plane 5a) is generally closer to the piston guide and a smaller tilting moment is exerted on the piston.
  • reciprocating piston machines can be designed which, with essentially the same dimensions as reciprocating piston machines according to the prior art, can withstand higher dynamic loads in the area of power transmission between the swash plate and the piston. At the same time, there are reduced or more uniform force relationships in the area of the piston guides and on the joint arrangements. This results in higher performance with smoother running and lower operating noise.

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Abstract

qs wird eine Hubkolbenmaschine, insbesondere ein Kältemittelkompressor (1) für eine Kraftfahrzeug- Klimaanlage, vorgeschlagen mit einer Maschinenwelle (2), mehreren Kolben (4), deren Kolbenachsen jeweils mit gleichem Abstand zur Maschinenwelle auf einem Zylindermantel urn die Maschinenwelle herum angebrdnet sind, einer von der Maschinenwelle (2) angetriebenen kreisringförmigen Schwenkscheibe (5), die über eine Gelenkanordnung (6) an den Kolben angreift, wobei die Gelenkanordnung eine wenigstens abschnittsweise kugelförmige Aufnahme aufweist, in der wenigstens ein Gleitelement gegenüber dem zugeordneten Kolben und gegenüber der Schwenkscheibe bewegbar angeordnet ist. Erfindungsgemäss ist vorgesehen, dass der Gelenkanordnung (6) ein näherungsweise auf dem Zylindermantel der Kolbenachsen liegender Kraftübertragungsmittelpunkt (K) zugeordnet ist, der bezüglich der Drehrichtung der Schwenkscheibe (5) vor der zugehörigen Kolbenachse (12) positioniert ist. Anwendung in Kältemittelkompressoren für Kraftfahrzeuge.

Description

Hubkolbenmaschine mit einer Gelenkanordnung
Die Erfindung betrifft eine Hubkolbenmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Aus der Offenlegungsschrift DE 197 49 727 AI ist eine gattungsgemäße Hubkolbenmaschine bekannt. Sie umfaßt ein Maschinengehäuse, in dem in einer kreisförmigen Anordnung mehrere Kolben um eine rotierende Antriebswelle herum angeordnet sind. Die Antriebskraft wird von der Antriebswelle über einen Mitnehmer auf eine ringförmige Schwenkscheibe und von dieser wiederum über eine Gelenkanordnung auf die parallel zur Maschinenwelle translatorisch verschiebbaren Kolben übertragen. Dabei ist die Schwenkscheibe einerseits an einer linear verschieblich an der Maschinenwelle befestigten Schiebehülse schwenkbar gelagert; sie gleitet andererseits an der Gelenkanordnung entlang, welche die Schwenkscheibe mit zwei kugelkappenförmigen Gleitsteinen umgreift. In der Gelenkanordnung ist ein Kraftübertragungsmittelpunkt vorgesehen, der in Verlängerung der jeweils zugehörigen Kolbenachse angeordnet ist und den geometrischen Mittelpunkt der kugeligen Gleitflächen der Gleitsteine bildet. Maschinenwelle, Mitnehmer, Schwenkscheibe und die Gelenkanordnungen und sind in einem sogenannten Triebraum angeordnet, in dem gasförmiges Arbeitsmedium der Hubkolbenmaschine mit einem bestimmten Druck vorliegt. Das Fördervolumen und damit der Hub der Kolben und die Neigung der Schwenkscheibe gegenüber der Maschinenwelle sind abhängig vom Druckverhältnis zwischen Saugseite und Druckseite der Kolben bzw. entsprechend abhängig von den Drücken in den Zylindern einerseits und im Triebraum andererseits. Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, eine Hubkolbenmaschine mit einem verbesserten Betriebsverhalten und höheren Leistungen bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch eine Hubkolbenmaschine mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und 3 gelöst.
Die erfindungsgemäße Hubkolbenmaschine zeichnet sich aus durch eine Gelenkanordnung, der ein näherungsweise auf dem Zylindermantel der Kolbenachsen liegender Kraftübertragungsmittelpunkt zugeordnet ist, welcher bezüglich der Drehrichtung der Schwenkscheibe vor der zugehörigen Kolbenachse positioniert ist. Der
Kraftübertragungsmittelpunkt ist ein geometrischer Ort, an dem in idealisierter Weise die Kraftübertragung zwischen Schwenkscheibe und dem jeweiligen Kolben erfolgt. Ferner stellt der Kraftübertragungsmittelpunkt den Drehpunkt der Gelenkanordnung und ggf. den gemeinsamen Mittelpunkt mehrerer Gleit- bzw. Rollelemente dar. Durch eine Verschiebung des Kraftübertragungsmittelpunkt auf dem durch die Kolbenachsen definierten Zylindermantel kann die Krafteinleitung in den entsprechenden Kolben beeinflußt werden. Ausgehend von bekannten Lösungen, bei denen der Kraftübertragungsmittelpunkt in Verlängerung der Kolbenachse angeordnet ist, soll die Lage des Kraftübertragungsmittelpunktes entgegen der Drehrichtung der Schwenkscheibe vor die Kolbenachse verschoben sein, so daß das wegen der geneigten Anordnung der Schwenkscheibe auf den Kolben ausgeübte Dreh- bzw. Kippmoment und entsprechende Abstützkräfte an einer Kolbenführung reduziert sind.
In Ausgestaltung der Erfindung weist die Gelenkanordnung ein erstes Gleitelement mit einer ersten kugelabschnittsförmigen Gleitfläche und ein zweites Gleitelement mit einer zweiten kugelabschnittsförmigen Gleitfläche auf, wobei die Gleitflächen einen gemeinsamen geometrischen Mittelpunkt aufweisen, der mit dem Kraftübertragungsmittelpunkt der Gelenkanordnung näherungsweise zusammenfällt. Eine derartige Anordnung ist besonders einfach und kostengünstig realisierbar. Der Kraftübertragungsmittelpunkt kann in etwa auf der Mittelebene der Schwenkscheibe liegend oder zwischen der Mittelebene der Schwenkscheibe und der Kolbenführung angeordnet sein
Die erfindungsgemäße Hubkolbenmaschine zeichnet sich alternativ dadurch aus, daß ein erstes Gleitelement eine erste kugelabschnittsförmige Gleitfläche mit einem ersten geometrischen Mittelpunkt und ein zweites Gleitelement eine zweite kugelabschnittsförmige Gleitfläche mit einem zweiten geometrischen Mittelpunkt aufweist, wobei erster und zweiter Mittelpunkt voneinander beabstandet angeordnet sind. Diese Anordnung ist vorzugsweise genau dann entspannt und ggf. mit Spiel ausgeführt, wenn die Schwenkscheibe mit der Maschinenwelle einen rechten Winkel einschließt und sich somit in einer „Neutralposition" befindet, in der kein Kolbenhub erzeugt wird. Dabei beträgt der Radius der Aufnahme in etwa dem Radius der Gleitflächen. Bei einer Verstellung der Schwenkscheibe in eine Arbeitsposition, in der sie mit der Maschinenwelle einen Winkel von weniger als 90° einnimmt, werden die Gleitelemente durch die Aufnahme gegen die Schwenkscheibe gedrückt. Dadurch ergibt sich eine besonders einfache Möglichkeit zur Vorspannung der Gelenkanordnung bei zunehmender Abweichung der Schwenkscheibe von ihrer Neutralposition.
In Ausgestaltung der Erfindung ist der erste geometrische Mittelpunkt auf einer der Kolbenführung zugewandten Seite der Mittelebene der Schwenkscheibe und der zweite geometrische Mittelpunkt auf einer von der Kolbenführung abgewandten Seite der Mittelebene der Schwenkscheibe angeordnet. Vorzugsweise ist die Anordnung symmetrisch bezüglich der Mittelebene der Schwenkscheibe in der Neutralposition ausgeführt. Dadurch ergibt sich eine gleichmäßige Reduzierung eines vorhandenen Spiels und/oder eine gleichmäßige Verspannung der Gleitelemente bei jeglicher Abweichung der Schwenkscheibe von der Neutralposition.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der erste geometrische Mittelpunkt auf der der Kolbenführung zugewandten Seite der Mittelebene der Schwenkscheibe und der zweite geometrische Mittelpunkt näherungsweise auf der Mittelebene der Schwenkscheibe oder ebenfalls auf der der Kolbenführung zugewandten Seite der Mittelebene der Schwenkscheibe angeordnet. Insgesamt ergibt sich eine Verlagerung des Kraftübertragungsmittelpunktes in Richtung des Kolbens bzw. in Richtung der Kolbenführung. Dadurch ergeben sich geringere, auf den Kolben eingeleitete Momente und geringere Abstützkräfte an der Kolbenführung.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der erste geometrische Mittelpunkt gegenüber dem zweiten geometrischen Mittelpunkt in Drehrichtung auf dem Zylindermantel versetzt angeordnet. Dadurch ergibt sich eine Reduzierung eines in der Neutralposition vorhandenen Spiels bei einer Verschwenkung der Schwenkscheibe in eine erste Richtung und einer Vergrößerung des Spiels bei einer Verschwenkung der Schwenkscheibe in die entgegengesetzte Richtung.
Weitere Merkmale und Merkmalskombinationen ergeben sich aus der Beschreibung sowie den Zeichnungen. Konkrete Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Hubkolbenmaschine,
Fig. 2 eine Prinzipskizze zur Funktion der Hubkolbenmaschine gemäß Fig. 1, Fig. 3 und 4 Prinzipskizzen zur Funktion eines ersten
Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Gelenkanordnung,
Fig. 5 eine Prinzipskizze zur Funktion eines zweiten ■ Ausführungsbeispiels der Gelenkanordnung sowie
Fig. 6 eine Prinzipskizze zur Funktion eines dritten Ausführungsbeispiels der Gelenkanordnung.
In Fig. 1 ist ein Längsschnitt durch eine Hubkolbenmaschine 1 in Form eines Kältemittelkompressors für eine Kraftfahrzeug- Klimaanlage dargestellt. Die Hubkolbenmaschine 1 weist mehrere in einem Maschinengehäuse 3 angeordnete Kolben 4 auf. Sämtliche Kolbenachsen 12 sind in einem festen Abstand zur Drehachse 11, d.h. geometrisch auf einem Zylindermantel (nicht dargestellt) um die Maschinenwelle 2 herum angeordnet und parallel zur Drehachse 11 der Maschinenwelle ausgerichtet. Die Kolben 4 sind in zylindrischen Laufbuchsen 10 (Kolbenführungen) geführt, in denen zylindrische Verdichtungsräume 13 gebildet sind (vgl. Fig. 2 bis 4). Die Kolben 4 trennen die Verdichtungsräume 13 von einem sogenannten Triebraum 14 („Kurbelgehäuse") ab. Über eine nachfolgend näher erläuterte Kraftübertragungsanordnung wird die Rotationsbewegung der Maschinenwelle in eine Translationsbewegung der Kolben 4 übergeführt.
Auf der Maschinenwelle 2 ist ein Schiebekörper in Form einer Schiebehülse 9 geführt. An der Schiebehülse 9 ist wiederum eine vorzugsweise kreisringförmige Schwenkscheibe 5 gelagert, wobei die Schwenkscheibe 5 gemeinsam mit der Schiebehülse 9 in Richtung der Drehachse 11 verschiebbar ist. An der Schiebehülse 9 sind beidseitig zwei kurze Zapfen angebracht, die eine quer zur Drehachse 11 der Maschinenwelle ausgerichtete Scharnierachse 8 definieren, um die die Schwenkscheibe 5 schwenkbar ist. In einer Ausnehmung 2a der Maschinenwelle 2 ist ein Mitnehmer 7 festgelegt. Der Mitnehmer 7 ragt in etwa rechtwinklig von der Maschinenwelle ab und greift mit einem kugelförmigen Anlenkabschnitt in eine radial geöffnete Aufnahme 15 seitens der Schwenkscheibe ein (vgl. Fig. 2). Da der Mitnehmer 7 an der Maschinenwelle festgelegt ist, ist ein Verschwenken der Schwenkscheibe um die Scharnierachse 8 an das Verschieben der Schiebehülse 9 gekoppelt. Über den Mitnehmer 7 wird im Betrieb der Hubkolbenmaschine die Rotation der Maschinenwelle 2 auf die Schwenkscheibe übertragen (Drehbewegung in Richtung des Pfeils w) .
Senkrecht zur Scharnierachse 8 ist eine durch die Drehachse 11 verlaufende Hauptmittelebene definiert, die eine Saugseite von einer Druckseite der Hubkolbenmaschine trennt. Die Hauptmittelebene rotiert mit der Maschinenwelle.
Die Schwenkscheibe 5 ist an ihrem Umfang im Bereich eines jeden Kolbens 4 von einer Gelenkanordnung 6 umgriffen, die über die Schwenkscheibe gleitet, wenn diese ihre Rotationsbewegung w ausführt. Bei einer Neigung der Schwenkscheibe 5 gegenüber der Maschinenwelle 2, veranlaßt die Schwenkscheibe im Verlauf ihrer Rotationsbewegung die auf der Druckseite befindlichen Kolben zu einer Verdichtungsbewegung und die auf der Saugseite liegenden Kolben zu einer Ansaugbewegung. In Fig. 2 ist eine vereinfachte Prinzipskizze zur Kraftübertragung zwischen Maschinenwelle 2 und Kolben 4 dargestellt .
Weitere Angaben zum Aufbau und zur Funktion der Hubkolbenmaschine 2 sind aus der DE 197 49 727 AI zu entnehmen, auf die hiermit ausdrücklich Bezug genommen wird. Bei der aus der DE 197 49 727 AI bekannten Ausführungsvariante der Hubkolbenmaschine sind der Kraftübertragungsmittelpunkt einer Gelenkanordnung jeweils exakt in Verlängerung der zugehörigen Kolbenachse auf dem Zylindermantel angeordnet. Ein erstes Ausführungsbeispiel der Gelenkanordnung 6 ist in den Fig. 3 und 4 schematisch näher dargestellt. Die Fig. 3 und 4 (wie auch die Fig. 5 und 6) geben dabei eine Ansicht in radialer Richtung von der Maschinenwelle 2 nach außen wieder, wobei die sich in Richtung des Pfeils w bewegende Schwenkscheibe 5 in Fig. 3 einen Saughub des Kolbens 4 (Pfeil s) und in Fig. 4 einen Verdichtungshub des Kolbens 4 (Pfeil v) bewirkt .
Die Gelenkanordnung 6 weist eine Aufnahme mit zwei gleichen, in etwa kugelförmigen Führungs- und Gleitflächen βa auf, in der zwei kugelkappenförmige Gleitelemente 16, 17 gelagert sind. Der Aufnahme sowie den Gleitelementen 16, 17 ist ein gemeinsamer geometrischer Mittelpunkt M zugeordnet, der zugleich einen Kraftübertragungsmittelpunkt K der Gelenkanordnung 6 bildet. Die Gleitflächen 6a der Aufnahme und die kugeligen Flächen der Gleitelemente 16, 17 weisen den gleichen Radius und die gleiche Krümmung auf. Die Gleitelemente 16, 17 sitzen mit einem geringen Spiel auf der Schwenkscheibe 5 auf. Der Kraftübertragungsmittelpunkt K ist entgegen der Drehrichtung w vor der Kolbenachse 12 des zugehörigen Kolbens 4 auf dem alle Kolbenachsen beinhaltenden Zylindermantel positioniert. Der Abstand des Kraftübertragungsmittelpunktes M zur Kolbenachse 12 beträgt vorzugsweise 10% bis 20% des Kolbenhubs.
Beim Saughub (gem. Fig. 3) ist die von der Schwenkscheibe 5 auf den Kolben 4 übertragene Kraft Fs im allgemeinen deutlich kleiner als die beim Verdichtungshub (gem. Fig. 4) übertragene Kraft Fv. Daraus ergeben sich ebenfalls stark unterschiedliche Querkräfte Qs und Qv. Diese Querkräfte Qs und Qv erzeugen jeweils Momente auf den Kolben, die von der Kolbenführung 10 ausgeglichen werden müssen und schließlich auf Abstützkräfte As und Av führen. Die Abstützkräfte As und Av sind idealisiert im Bereich des unteren Endes der Kolbenführung 10 dargestellt. Durch den seitlichen Versatz des Kraftübertragungsmittelpunktes M ergeben sich idealisierte Krafteinleitungspunkte Ks und Kv auf der Kolbenachse 12. Der Krafteinleitungspunkt Ks für den Saughub liegt somit weiter entfernt vom Kolben 4 und von der Kolbenführung 10 als der Kraftübertragungsmittelpunkt K der Gelenkanordnung, während der Krafteinleitungspunkt Kv für den Verdichtungshub näher am Kolben 4 liegt als der Kraftübertragungsmittelpunkt K der Gelenkanordnung. Für den Saughub (gem. Fig. 3) bedeutet dies, daß die Querkraft Qs weiter von der Kolbenführung 10 entfernt eingeleitet wird, während beim Verdichtungshub (gem. Fig. 4) die Querkraft Qv näher an der Kolbenführung 10 eingeleitet wird als ohne einen Versatz zwischen Kraftübertragungsmittelpunkt K und Kolbenachse 12. Dadurch ergibt sich für den Saughub ein gegenüber einer Anordnung ohne Versatz vergleichsweise erhöhtes Moment auf den Kolben und für den Verdichtungshub ein vergleichsweise reduziertes Moment. Entsprechend verhält es sich mit den Abstützkräften As und Av, die in einer bevorzugten Ausführungsform näherungsweise gleich groß sind.
Ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Gelenkanordnung 6 ist in Fig. 5 dargestellt. Die Gelenkanordnung 6 weist eine Aufnahme mit zwei kugeligen Gleit-/Führungs- flächen 6a, 6b auf, in der ein erstes Gleitelement 18 mit einer kugelabschnittsförmigen Gleitfläche 18a und ein zweites Gleitelement 19 mit einer kugelabschnittsförmigen Gleitfläche 19a gelagert sind. Das erste Gleitelement 18 ist auf der dem zugehörigen Kolben zugewandten Seite, das zweite Gleitelement 19 auf der von dem Kolben abgewandten Seite der Schwenkscheibe 5 angeordnet, so daß die Schwenkscheibe 5 von den Gleitelementen 18, 19 umgriffen ist.
Der geometrische Mittelpunkt Mi des ersten Gleitelementes 18 ist zwischen der Mittelebene 5a der Schwenkscheibe 5 und dem (nicht dargestellten) Kolben angeordnet, während der geometrische Mittelpunkt M2 des zweiten Gleitelementes 19 auf der Mittelebene 5a liegt. Somit ergeben sich für eine gleiche Winkelbeweglichkeit unterschiedliche Krümmungsradien der Gleitflächen 18a und 19a, wobei der kleinere Radius bei dem auf Seiten der Kolbenführung angeordneten Gleitelement 18 vorgesehen ist. In der „Neutralstellung" der Schwenkscheibe 5, d.h. wenn Schwenkscheibe und Maschinenwelle einen Winkel von 90° einschließen, sitzen die Gleitelemente 18, 19 mit einem gewissen Spiel auf der Schwenkscheibe 5, so daß beim Anlauf der Hubkolbenmaschine geringe Reibungskräfte zwischen den Gleitelementen und der Schwenkscheibe auftreten und sich rasch ein Schmierfilm bilden kann. Das genannte Spiel reduziert sich bei einer Neigung der Schwenkscheibe 5 (zunehmender Schwenkwinkel) aus Gründen der Geometrie, so daß sich schließlich bei einer in Fig. 5 gezeigten Neigung der Schwenkscheibe im lastfreien Zustand eine Verspannung der Gelenkanordnung ergibt (Vorspannung) . Diese Vorspannung wird dadurch kompensiert, daß die Gelenkanordnung 6 durch im Betrieb der Hubkolbenmaschine auftretende Kräfte aufgebogen wird. Im Idealfall neutralisieren sich im Lastzustand die statische Vorspannung und die dynamischen Betriebskräfte an der Gelenkanordnung.
Da mit zunehmendem Schwenkwinkel der Schwenkscheibe 5 die von der Gelenkanordnung 6 aufzunehmende Belastung in beide Richtungen der Kolbenbewegung steigt, ergibt sich eine zunehmende, schwellende elastische Aufbiegung der Gelenkanordnung 6 mit entsprechender Geräuschentwicklung. Diese kann durch die vorgeschlagene Anordnung sowohl bei der Saug- als auch bei der Verdichtungsbewegung gleichermaßen stark vermindert bzw. eliminiert werden.
Der Kraftübertragungsmittelpunkt der Gelenkanordnung 6 befindet sich im Zustand der Vorspannung zwischen den beiden geometrischen Mittelpunkten Mx, M2, so daß die Krafteinleitung in den Kolben (gegenüber Anordnungen mit einem Kraftübertragungsmittelpunkt auf der Mittelebene 5a) generell näher an der Kolbenführung erfolgt und ein kleineres Kippmoment auf den Kolben ausgeübt wird. Dennoch sind Ausführungsbeispiele vorsehbar, bei denen die geometrischen
Mittels der vorgeschlagenen Gelenkanordnungen lassen sich Hubkolbenmaschinen konzipieren, die bei im wesentlichen gleicher Dimensionierung gegenüber Hubkolbenmaschinen nach dem Stand der Technik höhere dynamische Belastungen im Bereich der Kraftübertragung zwischen Schwenkscheibe und Kolben ertragen können. Gleichzeitig ergeben sich reduzierte bzw. vergleichmäßigte Kräfteverhältnisse im Bereich der Kolbenführungen sowie an den Gelenkanordnungen. Somit ergeben sich höhere Leistungen bei gleichzeitig ruhigerem Lauf und niedrigeren Betriebsgeräuschen.

Claims

Patentansprüche
1. Hubkolbenmaschine, insbesondere Kältemittelkompressor (1) für eine Kraftfahrzeug-Klimaanlage, mit
- einer Maschinenwelle (2),
- mehreren Kolben (4), deren Kolbenachsen jeweils mit gleichem Abstand zur Maschinenwelle auf einem Zylindermantel um die Maschinenwelle herum angeordnet sind,
- einer von der Maschinenwelle (2) angetriebenen, insbesondere kreisringförmigen Schwenkscheibe (5) , die
- über jeweils eine Gelenkanordnung (6) an den Kolben angreift, wobei
- die Gelenkanordnung eine wenigstens abschnittsweise kugelförmige Aufnahme aufweist, in der
- wenigstens ein Gleit- bzw. Rollelement gegenüber dem zugeordneten Kolben und gegenüber der Schwenkscheibe bewegbar angeordnet ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a ß
- der Gelenkanordnung (6) ein näherungsweise auf dem Zylindermantel der Kolbenachsen liegender Kraftübertragungsmittelpunkt (K) zugeordnet ist, der
- bezüglich der Drehrichtung der Schwenkscheibe (5) vor der zugehörigen Kolbenachse (12) positioniert ist.
2. Hubkolbenmaschine nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a ß die Gelenkanordnung ein erstes Gleitelement (18, 20) mit einer ersten kugelabschnittsförmigen Gleitfläche (18a, 20a) und ein zweites Gleitelement (19, 21) mit einer zweiten kugelabschnittsförmigen Gleitfläche (19a, 21a) aufweist, wobei die Gleitflächen einen gemeinsamen geometrischen Mittelpunkt (M) aufweisen, der mit dem Kraftübertragungsmittelpunkt (K) der Gelenkanordnung näherungsweise zusammenfällt.
3. Hubkolbenmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, insbesondere nach dem Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a ß
- ein erstes Gleitelement (18, 20) eine erste kugelabschnittsförmige Gleitfläche (18a, 20a) mit einem ersten geometrischen Mittelpunkt (Mi, M3) und
- ein zweites Gleitelement (19, 21) eine zweite kugelabschnittsförmige Gleitfläche (19a, 21a) mit einem zweiten geometrischen Mittelpunkt (M2, M4) aufweist, wobei erster und zweiter Mittelpunkt voneinander beabstandet angeordnet sind.
4. Hubkolbenmaschine nach Anspruch 1 oder 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a ß der erste geometrische Mittelpunkt auf einer der Kolbenführung zugewandten Seite der Mittelebene (5a) der Schwenkscheibe (5) und der zweite geometrische Mittelpunkt auf einer von der Kolbenführung abgewandten Seite der Mittelebene der Schwenkscheibe angeordnet ist.
5. Hubkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 und/oder 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a ß der erste geometrische Mittelpunkt (Mi) auf der der Kolbenführung zugewandten Seite der Mittelebene (5a) der Schwenkscheibe und der zweite geometrische Mittelpunkt (M2) näherungsweise auf der Mittelebene (5a) der Schwenkscheibe oder ebenfalls auf der der Kolbenführung zugewandten Seite der Mittelebene (5a) der Schwenkscheibe angeordnet ist.
6. Hubkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 und/oder 3 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a ß der erste geometrische Mittelpunkt (M3) ist gegenüber dem zweiten geometrischen Mittelpunkt (M4) in Drehrichtung (w) auf dem Zylindermantel versetzt angeordnet.
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