EP1636492B1 - Axial piston compressor, particularly a compressor for the air-conditioning system of a motor vehicle - Google Patents
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- EP1636492B1 EP1636492B1 EP04732313A EP04732313A EP1636492B1 EP 1636492 B1 EP1636492 B1 EP 1636492B1 EP 04732313 A EP04732313 A EP 04732313A EP 04732313 A EP04732313 A EP 04732313A EP 1636492 B1 EP1636492 B1 EP 1636492B1
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- piston compressor
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Definitions
- the invention relates to an axial piston compressor, in particular a compressor for the air conditioning of a motor vehicle, comprising a housing and a housing arranged in the housing, driven by a drive shaft compressor unit for sucking and compressing a refrigerant, wherein the compressor unit in a cylinder block axially reciprocating piston and a the piston driving, rotating with the drive shaft swash plate comprises.
- Such Axialkolbenverêtr is for example from the DE 197 49 727 A1 known.
- This includes a housing in which a plurality of axial pistons are arranged around a rotating drive shaft in a circular arrangement.
- the driving force is transmitted from the drive shaft via a driver on an annular pivot plate and from this in turn to the parallel to the drive shaft translationally displaceable piston.
- the annular swash plate is pivotally mounted on a sleeve mounted axially displaceably on the drive shaft.
- a slot is provided through which engages the mentioned driver.
- Drive shaft, driver, sliding sleeve and swivel disk are arranged in a so-called.
- Engine room in which gaseous working fluid of the compressor is present at a certain pressure.
- the delivery volume and thus the delivery rate of the compressor depend on the pressure ratio between the intake side and the delivery side of the piston or correspondingly depending on the pressures in the cylinders on the one hand and in the engine room on the other.
- the swash plate is designed as a swash plate, wherein between the swash plate and the piston mounted opposite the swash plate, rotatable receiving disc is arranged.
- the compressors described in these publications are u.a. to take measures to prevent or reduce the imbalance of the engine during operation.
- the known constructions in common that the rotating components relative to the translationally moving parts, namely piston, piston rod, etc. are relatively large and therefore heavy built.
- the known constructions have in common that acts on the actual swash plate device an additional disc by a suitable coupling mechanism.
- the plurality of rotating components are intended to cause a Aufstellendes moment of the swash plate device in the direction of minimum stroke, which affects the control behavior is taken.
- the DENSO 6SEU12C series compressor features an engine with the following masses relevant for control behavior: component number Mass component [g] Total mass [g] piston 6 41 246 slide 12 5 60 translationally moving masses 306 g swash plate 1 391 391 guide pins 2 20 40 rotationally moving masses 431 g
- compressor 6SEU12C DENSO which represents the typical design of a swash plate compressor
- the mass of such a swash plate can not be increased arbitrarily in order to change the control behavior with it. This is because in the compressors of the type described the center of gravity of the swash plate usually has a significant distance from the tilting joint of the swash plate.
- This construction is essentially based on the fact that the swash plate must be coupled in addition to a suitable guide on the drive shaft via an adjusting mechanism with the drive shaft or a component connected to the drive shaft.
- the restoring torque of the swash plate device is utilized because - as already explained - the swash plate counteracts their inclination due to the dynamic forces on the co-rotating disc part.
- This behavior can be assisted by spring forces or hydraulically, pneumatically or the like, so that, as the rotational speed increases, increasing flow rate is at least partially compensated by resetting the inclination.
- such a behavior can in principle be achieved by, for example, integrating an additional mass into the engine, whose Inertia, as described, via a coupling mechanism on the swash plate device affects.
- the present invention is therefore an object of the invention to provide a compressor of the type mentioned, which optionally has a control behavior of the compensation, overcompensation, constant control for the "flow rate", with a minimum mass of pivoting rotary components, so that a Compact design of the compressor is possible.
- the desired control behavior of the compressor is primarily not achieved with the component mass, but taking into account the mass moment of inertia of the swash plate assembly, which depends on the geometry thereof.
- a core idea of the invention is thus to compensate for the moment as a result of translational masses directly by the moment due to rotating masses, or to overcompensate.
- the mass moment of inertia is essentially a function of the component density distribution and also of the component geometry.
- ⁇ density
- r swashplate radius
- h mean swashplate height.
- a component center of gravity will lie on the drive shaft axis, in particular in the tilting point of the swivel disk device (ie in each case for each tilt angle).
- the swash plate as a swivel ring, this can be achieved in that both the inner diameter and the outer diameter are formed taking into account the external environmental conditions each maximum, the external environmental conditions are dictated by the size of the engine room and, for example, by the necessary sliding and Bearing surface for the sliding blocks of a joint arrangement between the swash plate or swash plate ring and piston. Also influence can be taken on the desired moment of inertia by a suitable choice of the swash plate thickness.
- FIG. 1-8 A preferred embodiment of a swashplate mechanism 100 for an axial piston compressor for automotive air conditioning systems is shown schematically.
- This swashplate mechanism 100 includes an adjustable in its inclination to a drive shaft 104, rotationally driven by the drive shaft, in the present case annular swash plate 107, which both with an axially slidably mounted on the drive shaft 104 sliding sleeve 108 and with a distance from the Drive shaft 104 is pivotally connected to this co-rotating support member 109.
- This articulated connection is designed as Axialabstützung, in particular the Figures 2-4 and 5 -8th very good.
- the pivot bearing of the pivot ring 107 defines a pivot axis 101 extending transversely to the drive shaft 104.
- This pivot axis 101 is concretely defined by two coaxially mounted on both sides of the sliding sleeve 108 bearing pin. These bearing pins are mounted radial bores of the pivot ring 107.
- the sliding sleeve can for this purpose on both sides additionally bearing sleeves, which bridge the annulus between the sliding sleeve 108 and the pivot ring 107. Also, this construction largely corresponds to the prior art according to the DE 197 49 727 A1 ,
- This support is provided by a pivot ring 107 arranged on the support sheet 110.
- This support arc 110 is formed so that it engages over an effective between piston and pivot ring assembly, and Although so that regardless of the inclination of the pivot ring 107, a collision between this and the support sheet 110 on the one hand and the aforementioned joint assembly comprehensive bridge-like piston foot on the other hand is excluded.
- the support member 109 is an integral part of a co-rotating with the drive shaft 104 disc 112, and that a raised relative to the disc formed circular segment.
- the support surface of the arc 110 extends approximately concentric with the center of the effective between the piston and swash plate or pivot ring 107 hinge assembly comprising spherical segment-shaped sliding blocks.
- the axial support is therefore effective outside of the aforementioned joint arrangement, with the result that the joint arrangement, which is effective between the piston and swivel disk or swivel ring, is not impaired by axial support measures. This applies in particular to the dimensioning of the aforementioned joint arrangement.
- swivel ring In the Fig. 1-4 the swivel ring is in a tilt position for maximum piston stroke.
- Fig. 5-8 show the swivel ring in a position for a minimum piston stroke.
- the support sheet 110 may be either integral part of the pivot ring 107 or according to the Fig. 3 and 7 be rigidly connected as a separate component with the pivot ring 107.
- the latter embodiment has the advantage that the pivot ring on both flat sides can be precisely grinded with the result of a correspondingly high parallelism of the two opposite treads for the above-mentioned sliding blocks effective between the piston and pivot ring hinge assembly.
- the support arch 110 is also intended to transmit torque, this preferably extends into a corresponding recess on the side of the support element 109 facing the support arch 110.
- the trough is then preferably designed as a radial groove.
- the pivot ring 107 is balanced, in such a way that the focus is in the so-called.
- Tipping point For this purpose may be provided relative to the drive shaft 104 diametrically to the support sheet 110 is still a balance weight 114, as only exemplified in Fig. 3 is drawn.
- the average radius determined by the geometry and / or density distribution and / or the average height of the swash plate or swivel ring 107 or swiveling portion thereof is selected such that the centrifugal forces occurring when the swivel ring is rotated are sufficient counteract the pivotal movement of the pivot ring deliberately regulatory and thus to influence the piston stroke and thus the flow rate, in particular to reduce or limit.
- the swash plate is designed as a swivel ring.
- the center of mass should coincide with the tilt point (tilting joint) of the pivot ring.
- Outer and inner diameter of the pivot ring 107 are determined by the diameter of the sliding blocks, which are part of an effective between piston and swivel ring hinge assembly.
- the aforementioned diameter are chosen so that the sliding blocks rest substantially on the flat sides of the pivot ring, in such a way that they protrude only slightly beyond the outer or inner diameter of the pivot ring, even with extreme inclination of the pivot ring.
- both inner and outer radius of the swivel ring should be maximum, wherein the outer diameter is of course also limited by the inner diameter of the housing, which limits the engine room.
- the aforementioned support arc 110 is negligible in terms of its mass compared to the other parts of the pivot ring. It only needs to be considered with regard to any imbalances, e.g. by arrangement of compensatory counterweights.
- the pistons used in the engine according to the invention have a mass of about 30 g to 90 g, preferably 35 g to 50 g. They consist of aluminum or an aluminum alloy (with or without plastic coating) or a plastic composite for this purpose.
- the use of steel, Cast steel or cast iron for the pistons is also conceivable. The consequence is of course that the piston masses get bigger. As a compromise, a combination of steel and aluminum is worth considering. Also conceivable is a combination of metal and plastic.
- the inner radius "r i " of the pivot ring 107 is in the range of 12 mm to 22 mm.
- the outer radius "r a " of the pivot ring 107 is about 34 mm to 42 mm.
- the pistons are on a pitch circle diameter "r m " in the range between 24 mm and 34 mm.
- the height "h" of the pivot ring 107 is in the range of 8 mm to 20 mm, preferably in the range of 14 mm to 16 mm.
- the material which is used for the production of the swivel ring 107 should preferably have a density of greater than 7 g / cm 3 , in particular greater than 8 g / cm 3 .
- the pivot ring consists of at least two materials to achieve an optimal inertia.
- Fig. 3 and 7 Such a compound swivel ring is shown schematically, wherein the inner ring with 107i and the outer ring is labeled 107a.
- the outer ring 107a is preferably made of a material of higher density.
- Fig. 10 In this regard, an alternative construction is shown, which is characterized in that the outer part ring 107a of heavy material, ie, higher density material such as lead od.
- the outer part ring 107a of heavy material, ie, higher density material such as lead od.
- Within an outer circumferential groove 113 of the inner part ring 107i is made, for example, made of wear-resistant steel is.
- the inner part ring 107i is made of a lighter material than the outer part ring 107a.
- Deviationsomomentes specified which is relevant for the tilting of the swash plate or a swivel ring, and in the case shown solely for the tilting of the swash plate or the swivel ring is responsible under the condition that the center of gravity of the swash plate or of the pivot ring is located both in the tilting point and in the geometric center of the swash plate or the swivel ring. This is a desirable ideal case of construction.
- the moment of deviation applies in general with reference to Fig.
- J Y Z - J 1 ⁇ cos 2 ⁇ cos 3 - J 2 ⁇ cos ⁇ 2 ⁇ cos ⁇ 3 - J 3 ⁇ cos ⁇ 2 ⁇ cos ⁇ 3
- the swash plate acts compensating.
- the swivel ring 107 is preferably based on the quotient "moment of inertia / mass", ie "J / m”.
- This quotient expresses the magnitude of the mass moment of inertia at a predetermined swashplate or swivel ring mass.
- the quotient should be greater than 250 gmm 2 / g. Ratios of greater than 400-500 gmm 2 / g are particularly advantageous.
- the design is preferably based on the quotient "J / m” in general, and preferably specifically on the ratio "J y / m k, ges ", ie on the quotient of mass inertia of the swashplate or swivel ring in FIG Referring to the y-axis according to Fig. 9 and the entire piston masses.
- This quotient can be used as an alternative to the aforementioned measures or in parallel to the design of the construction and thus to achieve a desired control behavior.
- ges 1 results preferably for the ratio J y / m k, ges a minimum value for compensation of about 250 ... 300 g mm 2 / g.
- Overcompensation may also be of interest, particularly in compensating for the change in flow rate due to speed changes.
- J yz Since J yz ⁇ J z straight - J ylene, and since J yz should be large, J z is actually the more important size. J y can be used as a reference only because the above relation J z ⁇ 2 J y holds.
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Description
Die Erfindung betrifft einen Axialkolbenverdichter, insbesondere Kompressor für die Klimaanlage eines Kraftfahrzeuges, mit einem Gehäuse und einer in dem Gehäuse angeordneten, über eine Antriebswelle angetriebenen Verdichtereinheit zum Ansaugen und Verdichten eines Kältemittels, wobei die Verdichtereinheit in einem Zylinderblock axial hin- und herlaufende Kolben und eine die Kolben antreibende, mit der Antriebswelle drehende Schwenkscheibe umfaßt.The invention relates to an axial piston compressor, in particular a compressor for the air conditioning of a motor vehicle, comprising a housing and a housing arranged in the housing, driven by a drive shaft compressor unit for sucking and compressing a refrigerant, wherein the compressor unit in a cylinder block axially reciprocating piston and a the piston driving, rotating with the drive shaft swash plate comprises.
Ein derartiger Axialkolbenverdichter ist zum Beispiel aus der
Eine etwas andere Bauart eines Axialkolbenverdichters ist zum Beispiel in der
Des weiteren wird auf folgenden Stand der Technik hingewiesen:
-
DE 2 524 148 -
US 4 815 358 -
US 4 836 090 -
US 4 077 269 -
US 5 105 728
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DE 2 524 148 -
US 4,815,358 -
U.S. 4,836,090 -
US 4,077,269 -
US 5,105,728
Bei den in diesen Druckschriften beschriebenen Kompressoren geht es u.a. darum, Maßnahmen zu treffen, um die Unwucht des Triebwerks im Betrieb zu vermeiden oder zu reduzieren. Im übrigen ist den bekannten Konstruktionen gemeinsam, dass die rotierenden Bauteile gegenüber den translatorisch bewegten Teilen, nämlich Kolben, Kolbenstange etc. relativ groß und dementsprechend schwer gebaut sind. Des weiteren ist den bekannten Konstruktionen gemeinsam, dass auf die eigentliche Schwenkscheibenvorrichtung eine Zusatzscheibe durch einen geeigneten Koppelmechanismus einwirkt. Die mehreren rotierenden Bauteile sollen ein aufstellendes Moment der Schwenkscheibenvorrichtung in Richtung Minimalhub bewirken, wodurch Einfluß auf das Regelverhalten genommen wird.The compressors described in these publications are u.a. to take measures to prevent or reduce the imbalance of the engine during operation. Incidentally, the known constructions in common that the rotating components relative to the translationally moving parts, namely piston, piston rod, etc. are relatively large and therefore heavy built. Furthermore, the known constructions have in common that acts on the actual swash plate device an additional disc by a suitable coupling mechanism. The plurality of rotating components are intended to cause a Aufstellendes moment of the swash plate device in the direction of minimum stroke, which affects the control behavior is taken.
Die erwähnten Ausführungen sind allesamt relativ aufwendig, teuer, wenig kompakt und aus diesem Grunde für die heutzutage von der Autoindustrie verlangten Kompressoren für Klimaanlagen ungeeignet.The mentioned embodiments are all relatively expensive, expensive, not very compact and therefore unsuitable for today by the automotive industry required compressors for air conditioning.
Auch bei Serienverdichtern, wie sie heutzutage in Kraftfahrzeugen eingesetzt werden, zielt man auf eine geeignete Dimensionierung der bewegten Bauteile bzw. bewegten Massen, um ein gewünschtes Regelverhalten zu erreichen, und zwar dahingehend, dass die beim Drehen der Schwenkscheibe auftretenden Fliehkräfte ausreichen, um der Schwenkbewegung bewusst regelnd entgegenzuwirken und damit den Kolbenhub und somit die Fördermenge zu beeinflussen, insbesondere zu verringern bzw. zu begrenzen. Der Serienverdichter 6SEU12C von DENSO weist zum Beispiel ein Triebwerk mit den folgenden, für das Regelverhalten relevanten Massen auf:
Die vorgenannten Zahlen lassen erkennen, dass eine beträchtliche Bauteilmasse für rotatorisch bewegte Teile vorgesehen ist. Damit versucht man, eine ausreichende Gegenkraft bzw. ein ausreichendes Gegenmoment in bezug auf die translatorisch bewegten Massen herzustellen. Dieser Grundgedanke liegt auch der
In der Veröffentlichung von Björn Fagerli, "A theoretical comparison of the mechanical control behaviour of a R744 and a R134a automotive AC compressor", veröffentlicht im Rahmen der Purdue Compressor Conference 2002, sind die Einflußgrößen dargestellt, die als Momente um das Kippzentrum einer Schwenkscheibenvorrichtung wirken. Diese sind im einzelnen folgende Momente, wobei in Klammern jeweils die Richtung der Momente angegeben ist und (-) abregelnd (in Richtung eines Minimalhubs) und (+) aufregelnd (in Richtung des Maximalhubs) bedeuten:
- Moment infolge der Gaskräfte in den Zylinderräumen (+)
- Moment infolge der Gaskräfte aus dem Triebwerksraum (-)
- Moment infolge einer Rückstellfeder (-)
- Moment infolge einer Aufstellfeder (+)
- Moment infolge rotierender Massen (-); inklusive Moment infolge Schwerpunktlage (z.B. Schwenkscheibe: Kippposition ≠ Massenschwerpunkt): kann (+) sein
- Moment infolge der translatorisch bewegten Massen (+)
- Moment due to gas forces in the cylinder chambers (+)
- Moment due to the gas forces from the engine room (-)
- Moment due to a return spring (-)
- Moment due to an upright spring (+)
- Moment due to rotating masses (-); including moment due to center of gravity (eg swashplate: tilting position ≠ center of gravity): can be (+)
- Moment due to translationally moving masses (+)
In Bezug auf den erwähnten Verdichter 6SEU12C von DENSO, der die typische Bauform eines Schwenkscheibenverdichters repräsentiert, ist zu bemerken, dass die Masse einer solchen Schwenkscheibe nicht beliebig erhöht werden kann, um das Regelverhalten damit zu verändern. Das liegt daran, dass bei den Verdichtern der beschriebenen Art der Massenschwerpunkt der Schwenkscheibe in der Regel einen deutlichen Abstand zum Kippgelenk der Schwenkscheibe aufweist. Diese Konstruktion begründet sich im wesentlichen damit, dass die Schwenkscheibe zusätzlich zu einer geeigneten Führung auf der Antriebswelle über einen Stellmechanismus mit der Antriebswelle oder ein mit der Antriebswelle verbundenes Bauteil gekoppelt werden muß.With respect to the mentioned compressor 6SEU12C DENSO, which represents the typical design of a swash plate compressor, it should be noted that the mass of such a swash plate can not be increased arbitrarily in order to change the control behavior with it. This is because in the compressors of the type described the center of gravity of the swash plate usually has a significant distance from the tilting joint of the swash plate. This construction is essentially based on the fact that the swash plate must be coupled in addition to a suitable guide on the drive shaft via an adjusting mechanism with the drive shaft or a component connected to the drive shaft.
Der erwähnte Abstand vom Schwerpunkt der Schwenkscheibe und des Kippgelenks derselben führt zu einer Unwucht des Triebwerkes, insbesondere in Abhängigkeit vom Schwenkscheibenkippwinkel, und führt im ungünstigsten Fall zu einer aufregelnden Eigenschaft (s.o. "Schwerpunktlage").The mentioned distance from the center of gravity of the swash plate and the tilting joint thereof leads to an imbalance of the engine, in particular as a function of the swashplate tilt angle, and in the worst case leads to an uplifting property (see also "center of gravity").
Somit ist bei den Verdichtern nach dem Stand der Technik; und zwar sowohl nach dem druckschriftlichen als auch tatsächlich praktizierten Stand der Technik ein Kompromiß zu schließen dahingehend, dass eine vorbestimmte Masse der Schwenkscheibe bereitgestellt wird, um ein Gegenmoment zu den translatorisch bewegten Massen herzustellen. Andererseits darf die Masse der Schwenkscheibe aber auch nicht zu groß ausgelegt werden, da dann die Unwucht des Triebwerkes übermäßig würde.Thus, in the compressors of the prior art; and to make a compromise in both the written and actually practiced prior art in that a predetermined mass of the swashplate is provided to counteract the translationally moved masses manufacture. On the other hand, the mass of the swash plate may not be designed too large, because then the imbalance of the engine would be excessive.
Um diesem Problem zu begegnen, hat man auch bereits vorgeschlagen, die Kolben, d.h. die translatorischen Massen möglichst gering, d.h. leicht zu bauen, zum Beispiel aus Aluminium oder anderen Werkstoffen mit geringerer spezifischer Dichte. Auch gibt es diesbezüglich den Vorschlag, Hohlkolben zu verwenden.In order to address this problem, it has also been proposed to use the pistons, i. the translational masses as low as possible, i. easy to build, for example made of aluminum or other materials with a lower specific gravity. There is also the suggestion to use hollow piston in this regard.
Doch auch mit diesen Maßnahmen lässt sich insbesondere eine Konstantregelung der Fördermenge bei unterschiedlichen Drehzahlen nicht erreichen. Dabei sei darauf hingewiesen, dass der Begriff "Konstantregelung" nicht als exakte Aussage zu verstehen ist. Exakt konstant wäre die Fördermenge nämlich nur dann, wenn sich zum Beispiel bei Verdoppelung der Drehzahl der Kippwinkel der Schwenkscheibenvorrichtung halbiert. Zu Bedenken ist jedoch, dass auch noch andere Parameter auf die Fördermenge einwirken, wie zum Beispiel Liefergrad oder Ölwurf od. dgl., wenn sich zum Beispiel der Kippwinkel der Schwenkscheibe ändert.But even with these measures, in particular a constant control of the flow rate at different speeds can not be achieved. It should be noted that the term "constant regulation" is not to be understood as an exact statement. In fact, the delivery rate would only be exactly constant if, for example, the tilting angle of the swashplate device halved when the rotational speed doubled. To be considered, however, that also other parameters act on the flow rate, such as degree of delivery or oil throw od. Like., If, for example, the tilt angle of the swash plate changes.
Für eine Konstantregelung der Fördermenge bei wechselnden Drehzahlen wird das rückstellende Drehmoment der Schwenkscheibenvorrichtung ausgenutzt, da - wie bereits erläutert - die Schwenkscheibe ihrer Schrägstellung aufgrund der dynamischen Kräfte am mitdrehenden Scheibenteil entgegenwirkt.For a constant control of the flow rate at varying speeds, the restoring torque of the swash plate device is utilized because - as already explained - the swash plate counteracts their inclination due to the dynamic forces on the co-rotating disc part.
Dieses Verhalten kann durch Federkräfte oder hydraulisch, pneumatisch od. dgl. unterstützt werden, so dass bei ansteigender Drehzahl zunehmende Fördermenge durch Rückstellung der Schrägstellung zumindest teilweise kompensiert werden.This behavior can be assisted by spring forces or hydraulically, pneumatically or the like, so that, as the rotational speed increases, increasing flow rate is at least partially compensated by resetting the inclination.
Der Fall einer Kompensation des auf- und abregelnden Momentes kann ebenfalls sehr interessant sein. Drehzahländerungen greifen dann gar nicht in die Regelung ein. Damit kann mit einem einfacheren Regelalgorithmus gearbeitet werden.The case of a compensation of the up and down regulating moment can also be very interesting. Speed changes then do not intervene in the regulation. This can be worked with a simpler control algorithm.
Wie oben bereits ausgeführt, kann prinzipiell ein solches Verhalten erreicht werden, indem man zum Beispiel eine Zusatzmasse in das Triebwerk integriert, deren Massenträgheit sich, wie beschrieben, über einen Koppelmechanismus auf die Schwenkscheibenvorrichtung auswirkt.As already stated above, such a behavior can in principle be achieved by, for example, integrating an additional mass into the engine, whose Inertia, as described, via a coupling mechanism on the swash plate device affects.
Es wurde jedoch auch dargelegt, dass die Masse der Schwenkscheibe nicht beliebig vergrößert werden kann, ohne dass andere Nachteile in Kauf genommen werden müssen. Dies gilt insbesondere auch für die Lehre gemäß der
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Verdichter der eingangs genannten Art zu schaffen, der wahlweise ein Regelverhalten der Kompensation, Überkompensation, Konstantregelung für die "Fördermenge" aufweist, und zwar mit einer minimalen Masse der schwenkbaren Rotations-Bauteile, so dass eine kompakte Bauweise des Verdichters möglich ist.The present invention is therefore an object of the invention to provide a compressor of the type mentioned, which optionally has a control behavior of the compensation, overcompensation, constant control for the "flow rate", with a minimum mass of pivoting rotary components, so that a Compact design of the compressor is possible.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst, wobei bevorzugte konstruktive Details und Weiterentwicklungen in den Unteransprüchen beschrieben sind.This object is achieved by the characterizing features of
Erfindungsgemäß wird also das gewünschte Regelverhalten des Verdichters primär nicht mit der Bauteilmasse erreicht, sondern unter Berücksichtigung des Massenträgheitsmomentes der Schwenkscheibenanordnung, welches von deren Geometrie abhängt.According to the invention, therefore, the desired control behavior of the compressor is primarily not achieved with the component mass, but taking into account the mass moment of inertia of the swash plate assembly, which depends on the geometry thereof.
Ein Kerngedanke der Erfindung ist es also, das Moment infolge translatorischer Massen direkt durch das Moment infolge rotierender Massen zu kompensieren, oder auch zu überkompensieren.A core idea of the invention is thus to compensate for the moment as a result of translational masses directly by the moment due to rotating masses, or to overcompensate.
Das Aufstellmoment, welches an einer Schwenkscheibenvorrichtung hervorgerufen werden soll, ist eine Funktion der Drehzahl bzw. der Winkelgeschwindigkeit ω und des Massenträgheitsmomentes J der Schwenkscheibenvorrichtung:
Das Massenträgheitsmoment selbst ist im wesentlichen eine Funktion der Bauteilmasse und der Bauteilgeometrie, zum Beispiel bei einer Scheibe bestimmt durch den Durchmesser "2r" und die Scheibendicke bzw. -höhe "h":
Noch präziser ausgedrückt ist das Massenträgheitsmoment im wesentlichen eine Funktion der Bauteildichteverteilung und auch der Bauteilgeometrie. Dabei berücksichtigt die Bauteildichteverteilung zum Beispiel Schwenkscheiben aus unterschiedlichen Werkstoffen, nämlich 2, 3 oder mehr Werkstoffen oder einem Werkstoff mit unterschiedlicher Dichteverteilung (Metallschaum, heterogenes Material):
wobei δ = Dichte,
r = Schwenkscheibenradius, und
h = Schwenkscheibenhöhe bedeuten.Expressed more precisely, the mass moment of inertia is essentially a function of the component density distribution and also of the component geometry. The component density distribution, for example, takes account of swivel disks made of different materials, namely 2, 3 or more materials or a material with a different density distribution (metal foam, heterogeneous material):
where δ = density,
r = swashplate radius, and
h = mean swashplate height.
Zusätzlich ist die Lage des Bauteilschwerpunktes zu berücksichtigen. Bevorzugt wird ein Bauteilschwerpunkt auf der Antriebswellenachse, insbesondere im Kipppunkt der Schwenkscheibenvorrichtung liegen (also dann jeweils für jeden Kippwinkel).In addition, the position of the component center of gravity must be taken into account. Preferably, a component center of gravity will lie on the drive shaft axis, in particular in the tilting point of the swivel disk device (ie in each case for each tilt angle).
Aus den Zusammenhängen ist erkennbar, dass es effektiv ist (Exponent), die Geometrie der Schwenkscheibenvorrichtung so zu wählen, dass das gewünschte Regelverhalten erreicht wird.It can be seen from the contexts that it is effective (exponent) to select the geometry of the swivel disk device in such a way that the desired control behavior is achieved.
Besonders vorteilhaft ist es, eine Geometrie der Schwenkscheibe zur Verfügung zu stellen, die einen Kompromiß aus "geringer Bauteilmasse" und (genügend) "großen Massenträgheitsmoment" darstellt.It is particularly advantageous to provide a geometry of the swashplate which represents a compromise between "low component mass" and (sufficiently) "large mass moment of inertia".
Bei Ausbildung der Schwenkscheibe als Schwenkring kann dies dadurch erreicht werden, dass sowohl der Innendurchmesser als auch der Außendurchmesser unter Berücksichtigung der äußeren Umgebungsbedingungen jeweils maximal ausgebildet werden, wobei die äußeren Umgebungsbedingungen vorgegeben werden durch die Größe des Triebwerksraumes sowie zum Beispiel durch die notwendige Gleit- und Lagerfläche für die Gleitsteine einer Gelenkanordnung zwischen Schwenkscheibe bzw. Schwenkscheibenring und Kolben. Auch kann Einfluß genommen werden auf das gewünschte Massenträgheitsmoment durch geeignete Wahl der Schwenkscheibendicke.In forming the swash plate as a swivel ring, this can be achieved in that both the inner diameter and the outer diameter are formed taking into account the external environmental conditions each maximum, the external environmental conditions are dictated by the size of the engine room and, for example, by the necessary sliding and Bearing surface for the sliding blocks of a joint arrangement between the swash plate or swash plate ring and piston. Also influence can be taken on the desired moment of inertia by a suitable choice of the swash plate thickness.
Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes Schwenkscheibentriebwerk anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt in:
- Fig. 1
- eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Schwenkscheiben-Mechanismus für einen Axialkolbenverdichter für Fahrzeug-Klimaanlagen in schematischer Perspektivansicht, wobei die Schwenkscheibe sich in einer Stellung für einen maximalen Kolben befindet;
- Fig. 2
- den Mechanismus gemäß
Fig. 1 in schematischer Seitenansicht; - Fig. 3
- den Schwenkscheiben-Mechanismus entsprechend den
Fig. 1 und2 , teilweise in Seitenansicht, teilweise im Schnitt; - Fig. 4
- den Schwenkscheiben-Mechanismus entsprechend
Fig. 3 in Seitenansicht; - Fig. 5
- den Mechanismus gemäß
Fig. 1-4 in schematischer Perspektivansicht, wobei sich die Schwenkscheibe in einer Kolben-Minimalhub-Stellung befindet; - Fig. 6
- den Mechanismus gemäß
Fig. 5 in Seitenansicht; - Fig. 7
- den Schwenkscheiben-Mechanismus gemäß den
Fig. 5 und6 , teilweise in Seitenansicht, teilweise im Schnitt; - Fig. 8
- den Schwenkscheiben-Mechanismus gemäß
Fig. 7 in Seitenansicht; - Fig. 9
- eine schematische Darstellung der Koordinaten eines Schwenkscheiben-Mechanismus zur Berechnung des Massenträgheitsmomentes; und
- Fig. 10
- Teil eines Compound-Schwenkringes im Querschnitt und vergrößertem Maßstab.
- Fig. 1
- an embodiment of a swash plate mechanism according to the invention for an axial piston compressor for vehicle air conditioning systems in a schematic perspective view, wherein the swash plate is in a position for a maximum piston;
- Fig. 2
- according to the mechanism
Fig. 1 in a schematic side view; - Fig. 3
- the swash plate mechanism according to the
Fig. 1 and2 partly in side view, partly in section; - Fig. 4
- the swash plate mechanism accordingly
Fig. 3 in side view; - Fig. 5
- according to the mechanism
Fig. 1-4 in a schematic perspective view, wherein the swash plate is in a piston-minimum stroke position; - Fig. 6
- according to the mechanism
Fig. 5 in side view; - Fig. 7
- the swash plate mechanism according to the
Fig. 5 and6 partly in side view, partly in section; - Fig. 8
- the swashplate mechanism according to
Fig. 7 in side view; - Fig. 9
- a schematic representation of the coordinates of a swash plate mechanism for calculating the mass moment of inertia; and
- Fig. 10
- Part of a compound swivel ring in cross-section and enlarged scale.
In den
Das Schwenklager des Schwenkringes 107 definiert eine sich quer zur Antriebswelle 104 erstreckende Schwenkachse 101. Diese Schwenkachse 101 wird konkret definiert durch zwei gleichachsig beidseitig der Schiebehülse 108 gelagerte Lagerbolzen. Diese Lagerbolzen sind radialen Bohrungen des Schwenkringes 107 gelagert. Die Schiebehülse kann zu diesem Zweck beidseitig zusätzlich Lagerhülsen aufweisen, die den Ringraum zwischen der Schiebehülse 108 und dem Schwenkring 107 überbrücken. Auch diese Konstruktion entspricht weitgehend dem Stand der Technik gemäß der
Von Bedeutung ist die axiale Abstützung des Schwenkringes an dem mit der Antriebswelle 104 mitdrehend angeordneten Stützelement 109. Diese Abstützung erfolgt durch einen am Schwenkring 107 angeordneten Stützbogen 110. Dieser Stützbogen 110 ist so ausgebildet, dass er eine zwischen Kolben und Schwenkring wirksame Gelenkanordnung übergreift, und zwar so, dass unabhängig von der Neigung des Schwenkringes 107 eine Kollision zwischen diesem und dem Stützbogen 110 einerseits und einem die vorgenannte Gelenkanordnung umfassenden brückenartigen Kolbenfuß andererseits ausgeschlossen ist. Das Stützelement 109 ist integraler Bestandteil einer mit der Antriebswelle 104 mitdrehenden Scheibe 112, und zwar ein gegenüber der Scheibe erhaben ausgebildetes Kreissegment.Of importance is the axial support of the pivot ring on the co-rotating with the
Die Stützfläche des Bogens 110 erstreckt sich etwa konzentrisch zum Mittelpunkt der zwischen Kolben und Schwenkscheibe bzw. Schwenkring 107 wirksamen Gelenkanordnung, die kugelsegmentförmige Gleitsteine umfaßt. Die axiale Abstützung ist also außerhalb der vorgenannten Gelenkanordnung wirksam mit der Folge, dass die Gelenkanordnung, die zwischen Kolben und Schwenkscheibe bzw. Schwenkring wirksam ist, durch axiale Abstützungsmaßnahmen nicht beeinträchtigt wird. Dies gilt insbesondere für die Dimensionierung der vorgenannten Gelenkanordnung.The support surface of the
Des weiteren ist erkennbar, dass bei der dargestellten Ausführungsform das Schwenklager der Schwenkscheibe bzw. des Schwenkringes 107 nur zur Drehmomentübertragung und das Stützelement 109 nur zur axialen Abstützung der Kolben bzw. Gaskraftabstützung dienen. Die Drehmomentübertragung ist also von der Axialabstützung des Schwenkringes 107 entkoppelt.Furthermore, it can be seen that serve in the illustrated embodiment, the pivot bearing of the swash plate or the
In den
Die in den
Der Stützbogen 110 kann entweder integrales Bauteil des Schwenkringes 107 sein oder entsprechend den
Falls der Stützbogen 110 auch zur Drehmomentübertragung dienen soll, erstreckt sich dieser vorzugsweise in eine entsprechende Mulde, an der dem Stützbogen 110 zugewandten Seite des Stützelements 109 hinein. Die Mulde ist dann vorzugsweise als Radialnut ausgebildet.If the
Es sei an dieser Stelle nochmals darauf hingewiesen, dass die dargestellte Ausführung eines Schwenkscheiben-Mechanismus nur beispielhaft ist. Das erfindungsgemäße Konzept eignet sich zum Beispiel genauso gut für einen Schwenkscheiben- bzw. Schwenkring-Mechanismus gemäß der
Vorzugsweise ist der Schwenkring 107 ausgewuchtet, und zwar so, dass der Schwerpunkt im sog. Kipppunkt liegt. Zu diesem Zweck kann relativ zur Antriebswelle 104 diametral zum Stützbogen 110 noch ein Ausgleichsgewicht 114 vorgesehen sein, so wie dies nur beispielhaft in
Wie bereits eingangs dargelegt, ist der durch die Geometrie und/oder Dichteverteilung bestimmte mittlere Radius und/oder die mittlere Höhe der Schwenkscheibe bzw. des Schwenkrings 107 bzw. des Schwenkbaren Anteils desselben derart gewählt, dass die beim Drehen des Schwenkringes auftretenden Fliehkräfte ausreichen, um der Schwenkbewegung des Schwenkringes bewusst regelnd entgegenzuwirken und damit den Kolbenhub und somit die Fördermenge zu beeinflussen, insbesondere zu verringern bzw. zu begrenzen.As already stated at the outset, the average radius determined by the geometry and / or density distribution and / or the average height of the swash plate or
Bei der dargestellten Ausführungsform ist die Schwenkscheibe als Schwenkring ausgebildet. Zusätzlich kann es vorteilhaft sein, für eine Anlenkung an andere Bauteile des Triebwerkes oder für einen Massenausgleich Ausformungen, Bohrungen, Vorsprünge od. dgl. vorzusehen. Auf jeden Fall sollte vorzugsweise der Massenschwerpunkt mit dem Kipppunkt (Kippgelenk) des Schwenkringes zusammenfallen.In the illustrated embodiment, the swash plate is designed as a swivel ring. In addition, it may be advantageous to provide for a linkage to other components of the engine or for mass balancing formations, holes, protrusions od. Like. In any case, preferably the center of mass should coincide with the tilt point (tilting joint) of the pivot ring.
Außen- und Innendurchmesser des Schwenkringes 107 werden durch die Durchmesser der Gleitsteine bestimmt, die Teil einer zwischen Kolben und Schwenkring wirksamen Gelenkanordnung sind. Die vorgenannten Durchmesser werden so gewählt, dass die Gleitsteine im wesentlichen auf den Flachseiten des Schwenkringes aufliegen, und zwar so, dass sie auch bei extremer Neigung des Schwenkringes nur geringfügig über den Außen- oder Innendurchmesser des Schwenkringes vorstehen. In jedem Fall sollten unter den gegebenen Umständen sowohl Innen- als auch Außenradius des Schwenkringes maximal sein, wobei der Außendurchmesser natürlich auch begrenzt ist durch den Innendurchmesser des Gehäuses, welches den Triebwerksraum begrenzt.Outer and inner diameter of the
Der vorerwähnte Stützbogen 110 ist hinsichtlich seiner Masse im Vergleich zu den übrigen Teilen des Schwenkringes vernachlässigbar. Er muß lediglich in Bezug auf etwaige Unwuchten berücksichtigt werden, z.B. durch Anordnung kompensatorisch wirksamer Gegengewichte.The
Die Kolben, die beim erfindungsgemäßen Triebwerk verwendet werden, weisen eine Masse von etwa 30 g bis 90 g auf, vorzugsweise 35 g bis 50 g. Sie bestehen zu diesem Zweck aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung (mit oder ohne Kunststoffbeschichtung) oder aus einem Kunststoff-Verbund. Die Verwendung von Stahl, Stahlguß oder Grauguß für die Kolben ist ebenfalls denkbar. Die Folge ist dann natürlich, dass die Kolbenmassen größer werden. Als Kompromiß ist eine Kombination von Stahl und Aluminium überlegenswert. Denkbar ist auch eine Kombination von Metall und Kunststoff.The pistons used in the engine according to the invention have a mass of about 30 g to 90 g, preferably 35 g to 50 g. They consist of aluminum or an aluminum alloy (with or without plastic coating) or a plastic composite for this purpose. The use of steel, Cast steel or cast iron for the pistons is also conceivable. The consequence is of course that the piston masses get bigger. As a compromise, a combination of steel and aluminum is worth considering. Also conceivable is a combination of metal and plastic.
In der Regel liegt der Innenradius "ri" des Schwenkringes 107 im Bereich von 12 mm bis 22 mm. Der Außenradius "ra" des Schwenkringes 107 beträgt etwa 34 mm bis 42 mm.In general, the inner radius "r i " of the
Die Kolben liegen auf einem Teilkreisdurchmesser "rm" im Bereich zwischen 24 mm und 34 mm.The pistons are on a pitch circle diameter "r m " in the range between 24 mm and 34 mm.
Bevorzugt wird eine Geometrie im Bereich von "ri = 20 mm", "rm = 29 mm" und "ra = 38 mm", wobei sich rm aus der Gleichung rm = (ra + ri)/2 errechnet.Preference is given to a geometry in the range of "r i = 20 mm", "r m = 29 mm" and "r a = 38 mm", where r m from the equation r m = (r a + r i ) / 2 calculated.
Die Höhe "h" des Schwenkringes 107 liegt im Bereich von 8 mm bis 20 mm, vorzugsweise im Bereich zwischen 14 mm bis 16 mm.The height "h" of the
Der Werkstoff, der für die Herstellung des Schwenkringes 107 verwendet wird, sollte vorzugsweise eine Dichte von größer als 7 g/cm3, insbesondere größer als 8 g/cm3 aufweisen.The material which is used for the production of the
Vorzugsweise besteht der Schwenkring aus mindestens zwei Werkstoffen zur Erzielung einer optimalen Massenträgheit. In
Der Schwenkring 107 hat vorzugsweise ein Massenträgheitsmoment J2 = Jη bzw. J = m/4 (ra 2 + ri 2 + h2/3), das größer ist als 100.000 gmm2. Vorzugsweise ist das Massenträgheitsmoment größer als J=200.000-250.000 gmm2.The pivoting
Weiter hat der Schwenkring vorzugsweise ein Massenträgheitsmoment von
(Anmerkung: In der Regel (Scheibe oder Ring) ist Jδ immer ungefähr J3 = 2 × J2. Es kommt aber primär auf J3 an, wobei J2 und J3 jedoch wie beschrieben, voneinander abhängig sind.)Next, the pivot ring preferably has a moment of inertia of
( Note: Usually (disc or ring), J δ is always approximately J 3 = 2 × J 2 , but J 3 is the prime choice, but J 2 and J 3 are interdependent as described.)
Wie oben dargelegt, gibt es verschiedene Einflußgrößen (Momente), die in das Regelverhalten der Schwenkscheibe bzw. des Schwenkringes eingreifen. Dabei gilt es, das Moment infolge translatorischer Massen direkt durch das Moment infolge rotierender Massen zu kompensieren oder ggf. zu überkompensieren.As explained above, there are various influencing variables (moments) which intervene in the control behavior of the swash plate or swivel ring. It is important to compensate for the moment due to translational masses directly by the moment due to rotating masses or possibly overcompensate.
Nachstehend ist die Herleitung des sog. Deviationsmomentes angegeben, welches für das Kippen der Schwenkscheibe bzw. eines Schwenkringes maßgeblich ist, und zwar im dargestellten Fall allein für das Kippen der Schwenkscheibe bzw. des Schwenkringes verantwortlich ist unter der Voraussetzung, dass der Massenschwerpunkt der Schwenkscheibe bzw. des Schwenkringes sowohl im Kipppunkt als auch im geometrischen Mittelpunkt der Schwenkscheibe bzw. des Schwenkringes liegt. Hierbei handelt es sich um einen anzustrebenden Idealfall der Konstruktion. Für die Herleitung des Deviationsmomentes gilt ganz allgemein unter Bezugnahme auf
(Anmerkung: J3 ≈ 2 J2
Ziel: Jyz soll eine bestimmte Größe haben
Jyz ↑} J3 ↑ J2 erhöht sich zwangsläufig!)Below is the derivation of the so-called. Deviationsomomentes specified, which is relevant for the tilting of the swash plate or a swivel ring, and in the case shown solely for the tilting of the swash plate or the swivel ring is responsible under the condition that the center of gravity of the swash plate or of the pivot ring is located both in the tilting point and in the geometric center of the swash plate or the swivel ring. This is a desirable ideal case of construction. For the derivation of the moment of deviation applies in general with reference to
(Note: J 3 ≈ 2 J 2
Goal: J yz should have a certain size
J yz ↑} J 3 ↑ J 2 inevitably increases!)
Deviationsmoment
Im übrigen gilt unabhängig von
Dabei bedeuten die oben verwendeten Größen was folgt:
- θ
- Drehwinkel der Welle (wobei die vor- und nachstehenden Betrachtungen der Einfachheit halber für θ=0 angestellt werden)
- η
- Anzahl der Kolben
- R
- Abstand der Kolbenachse zur Wellenachse
- ω
- Wellendrehzahl
- α
- Kippwinkel des Schwenkringes/Schwenkscheibe
- mk
- Masse eines Kolbens inklusive Gleitsteine bzw. Gleitsteinpaar
- mk,ges
- Masse aller Kolben inklusive Gleitsteine
- msw
- Masse des Schwenkringes
- ra
- Außenradius des Schwenkringes
- ri
- Innenradius des Schwenkringes
- h
- Höhe des Schwenkringes
Dichte des Schwenkringes - V
- Volumen des Schwenkringes
- βi
- Winkelposition des Kolbens i
- zi
- Beschleunigung des Kolbens i
- Fmi
- Massenkraft des Kolbens i (inklusive einem Gleitsteinpaar)
- M(Fmi)
- Moment infolge der Massenkraft des Kolbens i
- Mk,ges
- Moment infolge der Massenkraft aller Kolben
- Msw
- Moment infolge des Aufstellmomentes des Schwenkringes/Schwenkscheibe (Deviationsmoment)
- θ
- Angle of rotation of the shaft (the above and following considerations are for simplicity θ = 0)
- η
- Number of pistons
- R
- Distance of the piston axis to the shaft axis
- ω
- Shaft speed
- α
- Tilt angle of the swivel ring / swashplate
- mk
- Mass of a piston including sliding blocks or pair of sliding blocks
- mk, ges
- Mass of all pistons including sliding blocks
- msw
- Mass of the swivel ring
- ra
- Outer radius of the swivel ring
- ri
- Inner radius of the swivel ring
- H
- Height of the swivel ring
Density of the swivel ring - V
- Volume of the swivel ring
- βi
- Angular position of the piston i
- zi
- Acceleration of the piston i
- Fmi
- Mass force of the piston i (including a sliding block pair)
- M (Fmi)
- Moment due to the mass force of the piston i
- Mk, ges
- Moment due to the mass force of all pistons
- msw
- Moment due to the installation torque of the swivel ring / swashplate (deviation moment)
Dabei ist es im Rahmen der vorliegenden Erfindung Ziel, dass das Moment infolge des Aufstellmomentes der Schwenkscheibe oder des Schwenkrings, d.h. das Deviationsmoment größer/gleich dem Moment infolge der Massenkräfte aller Kolben ist, d.h. folgende Beziehung gilt:
bzw.
respectively.
Die vorgenannte Gleichung zeigt, dass die Drehzahl auf beide Terme gleichartig Einfluß hat und deshalb Drehzahländerungen an dem Momentenverhältnis nichts ändern. Dies ergibt sich auch aus nachstehendem Beispiel in den Tabellen 1 und 2, wobei:
- Kolbenzahl: n = 7
- Abstand Kolbenachse zur Antriebswellen-Längsachse: R = 25 mm
- Innenradius ri/Außenradius ra des Schwenkringes: ri / ra = 15/35
- Dichte: δ = 7, 9
- Schwenkringhöhe: h = 10 mm
- Masse/Kolben: mk = 39
- Piston number: n = 7
- Distance between piston axis and drive shaft longitudinal axis: R = 25 mm
- Inner radius r i / outer radius r a of the swivel ring: r i / r a = 15/35
- Density: δ = 7, 9
- Swing ring height: h = 10 mm
- Mass / piston: m k = 39
Die Tabelle 2 zeigt, dass der jeweilige Schwenkscheiben bzw. -ring-Kippwinkel am Momentenverhältnis nur wenig ändert. Des weiteren ergibt sich aus der vorstehenden Gleichung, dass tanα ≠ sin2α, und dass dementsprechend das Momentenverhältnis insbesondere für kleine Winkel α wenig vom Winkel α abhängt. Daraus ergibt sich eine sinnvolle Auslegung für einen mittleren Winkel α: Mk,ges = Msw, oder für αmax: Mk,ges = Msw. Die Schwenkscheibe wirkt dabei kompensierend.Table 2 shows that the respective swash plate or ring tilt angle changes only slightly at the torque ratio. Furthermore, it follows from the above equation that tanα ≠ sin2α, and that accordingly the torque ratio, in particular for small angles α, depends little on the angle α. This results in a meaningful design for a mean angle α: Mk, ges = Msw , or for αmax : Mk, ges = Msw . The swash plate acts compensating.
Die nachstehende Tabelle 3 zeigt Ergebnisse für den Fall:
- Schwenkscheibe wirkt kompensierend
- Schwenkscheibe wirkt abregelnd bzw. überkompensierend
- Swivel disk compensates
- Pivoting disc has a decreasing or overcompensating effect
Für das Momentengleichgewicht sind demzufolge im wesentlichen nur die geometrischen Größen relevant, wobei natürlich auch die Massen der Kolben und der Schwenkscheibe Einfluss haben. Konkret sind von Relevanz auf das Momentengleichgewicht folgende Größen:
Bei Ausbildung der Schwenkscheibe als Schwenkring ist es zweckmäßig, den Abstand zwischen Kolbenachse und Antriebswellenachse aus der Beziehung
zu berechnen.When forming the swash plate as a pivot ring, it is expedient, the distance between the piston axis and drive shaft axis from the relationship
to calculate.
Für eine optimale Auslegung der Schwenkscheibe, hier des Schwenkringes 107 bezieht man sich vorzugsweise auf den Quotienten "Trägheitsmoment/Masse", also "J/m". Dieser Quotient drückt die Größe des Massenträgheitsmomentes bei einer vorbestimmten Schwenkscheiben- bzw. Schwenkringmasse aus. Der Quotient sollte größer als 250 gmm2/g sein. Besonders vorteilhaft sind Quotienten von größer als 400-500 gmm2/g. "J" bezieht sich auf jede Schwerpunktachse (also: J = J1 = J2 = J3, wobei in der Regel J3 ≈ 2J2 gilt), wobei der Schwerpunkt der rotierenden Masse vorzugsweise im Zentrum des Kippgelenkes derselben liege.For an optimal design of the swash plate, here the
Größere Massenträgheiten sind insbesondere dann zu wählen, wenn Kolbenmassen deutlich größer als 40 g/Kolben gewählt werden.Greater mass inertias are to be selected in particular if piston masses are chosen to be significantly greater than 40 g / piston.
Mit der erfindungsgemäßen Konstruktion soll vor allem eine mechanische Abregelung der Fördermenge eines Axialkolbenverdichters bei Drehzahl-Erhöhung erreicht werden. Der Idealfall wäre natürlich eine Konstantregelung, wobei die Konstantregelung ein Unterfall der erfindungsgemäß angestrebten durch Geometrie und Momentenverteilung verursachten mechanischen Abregelung ist.With the construction according to the invention, in particular a mechanical reduction of the flow rate of an axial piston compressor should be achieved with an increase in speed. The ideal case would of course be a constant control, wherein the constant control is a sub-case of the inventively aimed by mechanical and torque distribution caused mechanical Abregelung.
Das nachstehende Beispiel zeigt eine vorteilhafte Auslegung bei verschiedenen Radien, Volumina und Massen für einen Schwenkring 107:
Dabei ergeben sich die vorstehenden Werte aus folgenden allgemein gültigen Gleichungen für einen Schwenkring:
Wie dargelegt, bezieht man sich bei der Auslegung vorzugsweise auf den Quotienten "J/m" ganz allgemein, sowie vorzugsweise speziell auf das Verhältnis "Jy/mk,ges", also auf den Quotienten aus Massenträgheit der Schwenkscheibe bzw. des Schwenkringes im Bezug auf die y-Achse gemäß
Dabei kann davon ausgegangen werden, dass ein Verhältnis von rotierenden zu translatorischen Massen msw/mk,ges von deutlich kleiner als "1" sich sehr nachteilig auf das hier angestrebte Regelverhalten auswirkt. Das vorgenannte Verhältnis muß also vermieden werden.It can be assumed that a ratio of rotating to translatory masses m sw / m k, ges of significantly smaller than "1" is very disadvantageous the goal here rule behavior. The above ratio must therefore be avoided.
Bei einem Massenverhältnis von msw/mk,ges = 1 ergibt sich vorzugsweise für das Verhältnis Jy/mk,ges ein Mindestwert für Kompensation von etwa 250 ... 300 g mm2/g.At a mass ratio of m sw / m k, ges = 1 results preferably for the ratio J y / m k, ges a minimum value for compensation of about 250 ... 300 g mm 2 / g.
Größere Werte sind je nach gewünschtem Regelverhalten einstellbar; insbesondere ist aber eine exakte Kompensation von Änderungen des Schwenkscheiben-Kippwinkels bei einem Massenverhältnis von mk,ges = msw von Interesse.Larger values can be set depending on the desired control behavior; In particular, however, is an exact compensation of changes in the swashplate tilt angle at a mass ratio of m k, ges = m sw of interest.
Überkompensationen können ebenfalls von Interesse sein, insbesondere bei Kompensation der Änderung der Fördermenge infolge von Drehzahländerungen.Overcompensation may also be of interest, particularly in compensating for the change in flow rate due to speed changes.
Analog ließen sich auch die Quotienten Jz/mk,ges und Jz/msw zur Auslegung für das gewünschte Regelverhalten verwenden, da das Trägheitsmoment Jz in Bezug auf die z- bzw. Antriebswellen-Achse zusammen mit Jy das maßgebliche Deviationsmoment bildet. Dabei gilt für die dargestellte Schwenkringgeometrie die Beziehung:
Da Jyz ≈ Jz (...) - Jy (...) ist, und da Jyz groß sein soll, ist Jz eigentlich die wichtigere Größe. Jy kann man nur deshalb als Bezugsgröße heranziehen, weil die vorstehende Beziehung Jz ≈ 2 Jy gilt.Since J yz ≈ J z (...) - J y (...), and since J yz should be large, J z is actually the more important size. J y can be used as a reference only because the above relation J z ≈ 2 J y holds.
Sämtliche in den Anmeldungsunterlagen offenbarten Merkmale werden als erfindungswesentlich beansprucht, soweit sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind.All disclosed in the application documents features are claimed as essential to the invention, as far as they are new individually or in combination over the prior art.
- 100100
- Schwenkscheiben-MechanismusSwivel-disk mechanism
- 101101
- Schwenklager (Schwenkachse)Swivel bearing (swivel axis)
- 104104
- Antriebswelledrive shaft
- 107107
- Schwenkringswivel
- 107i107i
- innerer Schwenkringinner swivel ring
- 107a107a
- äußerer Schwenkringouter swivel ring
- 108108
- Schiebehülsesliding sleeve
- 109109
- Stützelement (axiale Abstützung)Support element (axial support)
- 110110
- Stützbogensupporting arch
- 112112
- Scheibedisc
- 113113
- Umfangsnutcircumferential groove
- 114114
- Ausgleichsgewichtcounterweight
Claims (15)
- Axial piston compressor, especially a compressor for the air-conditioning system of a motor vehicle, having a housing and, for drawing in and compressing a coolant, a compressor unit arranged in the housing and driven by means of a drive shaft (104), the compressor unit comprising pistons moving axially back and forth in a cylinder block and comprising a swash plate (107) which drives the pistons and rotates together with the drive shaft (104),
characterised in that
for a predetermined mass of the swash plate (107) moved in rotation on the one hand and/or a particular mass moved in translation (for example, pistons, piston rod and/or sliding blocks) on the other hand, the mean radius governed by the geometry and/or by the density distribution and/or the mean height of the swash plate (107) or of the pivotal portion thereof is/are so selected that the centrifugal forces occurring on rotation of the swash plate (107) are sufficient to counteract the pivotal movement of the swash plate (107) to provide deliberate regulation and thereby to influence, especially to reduce or to limit, the piston stroke and, consequently, the quantity delivered. - Axial piston compressor according to claim 1,
characterised in that
the swash plate is a swash ring (107). - Axial piston compressor according to claim 1 or 2,
characterised in that
the quotient moment of inertia/mass "J/m" of the swash plate (107) or of the pivotal part thereof is at least about 250 gmm2/g, especially greater than 400 to 500 gmm2/g, higher values being selected when the piston masses are greater than 40 g/piston, and the moment of inertia "J" being calculated in relation to each axis through the centre of gravity of the swash plate or of the pivotal part thereof. - Axial piston compressor according to claim 3,
characterised in that
the swash plate or the pivotal part thereof is made from a material having a density of at least 6 - 8 g/cm3. - Axial piston compressor according to one of claims 1 - 4,
characterised in that
the swash plate (107) or the pivotal part thereof is made from two or more disparate materials governing the mean radius for the calculation of the mass moment of inertia, the disparate materials being separated from one another radially and/or axially, especially so that in the case of a swash ring (167) an outer (107a) or inner partial ring is made from a first material (107i), for example a material of relatively high density, such as lead or the like, inside an outer (113) or inner circumferential groove of an inner (107i) or outer partial ring, which is made from relatively hard and wear-resistant material such as, for example, steel, ceramic material or the like. - Axial piston compressor according to one of claims 1 - 5,
characterised in that
the swash plate (107) or the pivotal part thereof has, in relation to each centre of gravity axis, a mass moment of inertia "J" greater than 100,000 g/mm2, especially greater than 200,000 to 250,000 g/mm2. - Axial piston compressor according to one of claims 1 - 6,
characterised in that
the pistons each have a mass of about 30 g to 90 g, especially 35 g to 50 g. - Axial piston compressor according to one of claims 1 - 7,
characterised in that
the mean radius and/or the mean height of the swash plate or of the pivotal part thereof is/are so dimensioned that the centrifugal forces occurring on rotation of the swash plate (107), which forces counteract the pivotal movement of the swash plate (107), are greater than the forces acting on the swash plate from the pistons, which forces cause further extending pivotal movement, so that with increasing speed of rotation the piston stroke is reduced by an amount such that an approximately constant delivered quantity is established. - Axial piston compressor according to one of claims 1 - 8,
characterised in that
the centre of gravity of the swash plate (107) or of the pivotal part thereof is located in or at least close to the axis of the drive shaft (104), where especially also the centre of the tilt-providing articulation is located. - Axial piston compressor according to one of claims 5 - 9,
characterised in that,
when the swash plate (107) or the pivotal part thereof is made from a plurality of materials of different densities, the radially outer parts (107a) consist of denser material than the radially inner parts (107i). - Axial piston compressor according to one of claims 2 - 10,
characterised in that,
when the swash plate is in the form of a swash ring (107), the inner and outer diameters are each selected maximally within the external conditions (for example, inner diameter of the drive mechanism space, sufficient support for the sliding blocks of an articulated arrangement effective between the pistons and swash plate, etc.). - Axial piston compressor according to one of claims 5 - 11,
characterised in that,
when the swash plate is made from at least two materials of different densities, one material has a density of 6 - 8 g/cm3, whereas the other material has a density greater than 6-8 g/cm3. - Axial piston compressor according to one of claims 1 - 12,
characterised in that
the quotient Msw/Mk,ges is ≥ 1, Msw being the moment due to the moment of deviation of the swash plate and Mk,ges being the moment due to the mass forces of the masses moved in translation (pistons). - Axial piston compressor according to one of claims 1 - 13,
characterised in that
the quotient of the mass inertia of the swash plate in relation to the y axis, that is to say an axis perpendicular to the z or drive shaft axis, and the total piston mass "Jy/mk,ges" is at least about 250 - 300 g mm2/g for the case where msw/mk,ges = 1, wherein:msw = mass of the swash plate (= rotating mass)mk,ges = mass of all pistons, including sliding blocks (= translational mass).
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