EP1673537B1 - Axial piston compressor, especially for the air conditioning system of a motor vehicle - Google Patents
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- EP1673537B1 EP1673537B1 EP04765822A EP04765822A EP1673537B1 EP 1673537 B1 EP1673537 B1 EP 1673537B1 EP 04765822 A EP04765822 A EP 04765822A EP 04765822 A EP04765822 A EP 04765822A EP 1673537 B1 EP1673537 B1 EP 1673537B1
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- European Patent Office
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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
- F04B27/14—Control
- F04B27/16—Control of pumps with stationary cylinders
- F04B27/18—Control of pumps with stationary cylinders by varying the relative positions of a swash plate and a cylinder block
Definitions
- the invention relates to an axial piston compressor, in particular compressor for the air conditioning systems of a motor vehicle, with a housing and a housing arranged in the housing, driven via 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 (oblique or swivel ring or swash plate) comprises.
- Such Axialkolbenver disguiser is for example from the DE 197 49 727 A1 known.
- This comprises 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 a gaseous working fluid of the compressor is present at a certain pressure.
- the delivery volume and thus the capacity of the compressor are dependent on the pressure ratio between the suction side and pressure side of the piston or 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 to cause a setting up of the moment of the swashplate device in the direction of minimal stroke of the piston, whereby influence on the control behavior is taken.
- the series compressor 6SEU 12 C from DENSO has an engine with the following masses that are 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 rotato risch moved masses 431 g
- the compressor according to the EP 0 809 027 A1 directed. It is about a particular embodiment of the coupling mechanism between the drive shaft and swivel disk device.
- the coupling mechanism is designed for high pressure, for example, when used as a refrigerant R744.
- the last-mentioned prior art also deals with a so-called constant regulation of the flow rate. It is proposed to design the kinematics of the compressor in such a way that the decelerating tilting moments acting on the swashplate clearly dominate the overturning overturning moments.
- the term "flow rate" is relatively blurred.
- the delivery rate could be regarded as constant, if, for example, when doubling the speed halves the tilt angle of the swash plate. This would geometrically the flow rate constant.
- other parameters affect the flow rate when the tilt angle of the swash plate changes, eg. Degree of delivery, oil throw od. Like ..
- the restoring torque of the swash plate is utilized because the swash plate counteracts their inclination due to the dynamic forces on the co-rotating disc part. This behavior can be supported by the force of a spring, so that the increasing with increasing rotational speed or speed flow rate is at least partially compensated by resetting the oblique or pivotal position of the swash plate.
- compressors are known, in particular series compressors for R134a, in which the stroke volume increases on the sole side due to the acting moments of up-regulating and regulating mass forces.
- piston mass is relevant, the pitch diameter on which the pistons are located, and the number of pistons.
- Deviation torque is given, 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 swivel 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 yz should have a certain size J yz ⁇ ⁇ J 3 J 2 increases inevitably).
- Fig. 3 is a diagram for a nearly identical engine specified, this diagram is based on the following calculation scheme, where also ⁇ was varied from 0 ° to 16 °:
- FIGS. 2 and 3 reflect the state of the art.
- the aufzinde behavior is appropriate Fig. 2 Frequently detectable in current R134a series compressors.
- Fig. 3 one tries rather to convert this trend into the opposite, namely accordingly Fig. 3 ,
- the axial piston compressor can be used in particular as a compressor in the air conditioning system of a motor vehicle.
- translationally moving parts are understood, for example, axial piston, piston rod or sliding blocks, and under rotationally moving parts, for example, a swash plate, driver or the like.
- the moment M k, ges should be due to the translationally moving masses, in particular the piston, if necessary, including sliding blocks, piston rods od.
- the core of the present invention is therefore to match the geometry and dimensioning of the translationally moving parts on the one hand and rotationally moving parts on the other hand so that the consequent moments are always about the same size, so that the swashplate tilt angle at varying speeds substantially remains constant.
- the inventors have recognized that, however, an influence of the tilt angle of the swash plate can not be avoided.
- the courses of these angular functions are in Fig. 1 shown. It can be deduced from this that the influence is very small with a small tilt angle, but then increases considerably with larger tilt angles.
- the swash plate tilt angles are limited by a minimum value ⁇ min and a maximum value ⁇ max . Conceivable are limits of 0 ° on the one hand and 30 ° on the other. In practice, the minimum and maximum values are between about 0.6 ° and 18 °. Building on this is off Fig.
- the engine should be designed so that at least approximately the aforementioned undesirable behavior with respect to the speed change at different tilt angles is greatly reduced.
- the Fig. 4 shows the tilting characteristic of the swashplate for an engine, for which at a tilt angle of 1 °, the mass forces / moments are constructively adjusted so that réellestende and abregder tipping moments approximately compensate.
- the corresponding calculation scheme is as follows:
- Tilt characteristic shown refers to a pressure of 120 bar on the high pressure side and 35 bar on the suction side at speeds of: 600 rev / min, 1200 rev / min, 2500 rev / min, 5000 rev / min, 8000 rev / min and 11000 / min.
- the torque balance for a minimum tilt angle of 1 ° is calculated and adjusted by appropriate selection of the swashplate geometry.
- the inner and outer diameter of the swivel disk were left unchanged, only the height of the swash plate is varied for adaptation.
- the mass is set constant with 45 g for all further calculations.
- Fig. 5 also leaves a similar behavior as Fig. 4 detect; however, the effect of regulation was slightly reduced.
- the height of the swash plate was slightly increased, from 13.130 mm to 13.404 km.
- Fig. 6 and the following calculation scheme shows the control behavior of a swivel ring engine, which is dimensioned such that at a tilt angle of 16 ° takes place a moment compensation, the tilt angle of 16 ° should be equal to ⁇ max .
- the height of the swivel disc has been adjusted to 14.292 mm. It should be noted at this point that, of course, other swash plate parameters can be used for the adjustment of the mass moment of inertia. For ease of comparison, however, the parameter "swash plate height" has been selected by way of example only.
- the control behavior of the swash plate according to Fig. 6 shows a particularly desired result.
- the entire working range of the swash plate ie from ⁇ min to ⁇ max, there is no significant réellestenden effect of moments of moving masses;
- a wide dispersion of the characteristic curves is avoided by virtue of the fact that there is an intersection or convergence of the characteristic curves at maximum tilt angle, ie ⁇ max .
- the sum of the momentum of the up-regulating and regulating mass forces is approximately zero in the range between the mean and maximum tilt angle, in particular at the maximum tilt angle.
- the instantaneous equilibrium mentioned here can be checked without the compressor having to be put into operation for this purpose.
- the characteristic curves can be calculated from the measured geometry and the measured component masses. Possibly. must also be determined the focus of the swash plate.
- FIGS. 7 and 8 show a variant of the embodiment according to Fig. 6 , Above all, the show FIGS. 7 and 8 in that a torque compensation is also possible for a virtual tilt angle, for example a tilt angle whose magnitude is above ⁇ max . If, for example, the working range of the swivel disk tilt angle extends from 1 ° to 16 °, the design of the engine can be carried out in such a way that the torque sum is zero at a virtual tilt angle of 22 °.
- the characteristic curves are calculated with a spring constant with respect to the return spring (return in the direction of the minimum stroke) of 60 N / mm.
- the spring constant chosen smaller be the characteristics would be less sloping towards greater angles of tilt. If the spring constant were to be chosen to be larger, the characteristic curves would be more declining in the direction of larger tilt angles.
- Each 5000 RPM curve is representative of a set of curves at a particular operating point. If it is considered that a certain control pressure of at least 2-3 bar above the suction pressure is required, a favorable control behavior is achieved in that the characteristics have a certain, if possible in a wide range linear slope. This makes it plausible that a closely spaced "characteristic curve" is more in the desired range of the map for all operating ranges than control curves, which drift apart more strongly, as in the FIGS. 2 and 3 is shown.
- Fig. 9 to 12 is a preferred embodiment of an advantageous Schwenkusionn- or swivel ring mechanism shown.
- This mechanism or the corresponding swivel ring engine is designated by the reference numeral 100. It comprises an adjustable in their inclination to a drive shaft 104, rotationally driven by the drive shaft, in this case annular swash plate or swivel ring 107, said swivel ring 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 rotationally arranged support member 109.
- This articulated connection is as Axialabstützung trained, in particular the Fig. 10 and 11 reveal.
- the interaction of the pivot ring 107 with the axial piston corresponds to that of the prior art according to the DE 197 49 727 A1 ,
- the pivot bearing of the pivot ring 107 defines a transverse to the drive shaft 104 extending pivot axis 101.
- This pivot axis is further defined by two coaxially mounted on both sides of the sliding sleeve 108 bearing pin 102, 103 (see Fig. 11 ).
- These bearing pins 102, 103 are mounted in radial bores of the pivot ring 107.
- These radial holes are in Fig. 11 designated by the reference numeral 130.
- the sliding sleeve 108 can for this purpose on both sides additionally bearing sleeves 105, 106 (see Fig. 11 ), which bridge the annulus 119 between the sliding sleeve 108 and the pivot ring 107.
- the axial support of the pivot ring on the co-rotating with the drive shaft 104 supporting element 109 is effected by a pivotally connected to the pivot ring 107 support arc 110.
- This support arc 110 is formed so that it overlaps an effective between piston and swivel joint assembly, in such a way that regardless of the inclination of the pivot ring 107, a collision between this and the support arc 110 on the one hand and a joint assembly comprising a piston foot 111 on the other hand is excluded (see Fig. 10 ).
- the piston associated with the piston 111 is identified by the reference numeral 118.
- the support member 109 is part of a rotatably connected to the drive shaft 104 disc 112th
- the support surface of the arc 110 extends approximately concentric with the center of the effective between the piston 118 and pivot ring 107 hinge assembly.
- 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 ring, is not affected by axial support measures. This applies in particular to the dimensioning of the aforementioned joint arrangement.
- the joint arrangement as in the prior art by two spherical segment-like hinge blocks 121, 122 (see Fig. 10 ) defined, between which the pivot ring 107 slidably engages.
- the spherical bearing surfaces of the hinge blocks 121, 122 are corresponding spherical troughs assigned to the mutually facing end faces of the piston foot 111.
- the support surface on the support member 109 for the support sheet 110 is formed as a circular arc-shaped or cylindrical bearing surface 123.
- the support sheet 110 is slidably mounted in the radial direction relative to the pivot ring 107.
- Fig. 12 the engine described in four areas or quadrants Q1, Q2, Q3 and Q4 with respect.
- Drive shaft 104 and pivot ring 107 is divided.
- the first quadrant Q1 is bounded by the drive shaft 104 and the piston support front side, ie the piston facing side of the pivot ring 107.
- the remaining quadrants join the quadrant Q1 counterclockwise about the pivot axis of the pivot ring 107.
- the coordinate z extends parallel to the drive shaft center axis or preferably extends in this.
- the coordinate y extends perpendicular thereto.
- Offset acts as an adjuster. That is, the center of gravity of the swash plate is either in the second or in the fourth quadrant, ie in Q2 or Q4.
- Fig. 14a shows the control behavior for a center of gravity that coincides with the tilt axis.
- This shift in emphasis results in the formation of an additional (partial) moment, which has an upward effect.
- the variation of the torque is not so great that it can be said that the higher the speed, the more the characteristic curves can be shifted to higher pressures. In principle, it is possible thereby to push the curves a little further in a narrow band. According to Fig.
- Fig. 14b and 15b is shown comparatively the influence of the center of gravity. As an advantage it is seen that the characteristics can be shifted approximately parallel by the feature to higher pressures. It is desirable that the compressor decelerates in the higher speed range and up-regulates in the lower speed range. This is in Fig. 15a represented by the opposite arrows "n". The Fig. 14b and 15b correspond to the Fig. 14a and 15a , in each case in the range of small tilt angles and on an enlarged scale:
- Fig. 15b the speeds are staggered from bottom to top as follows: 600rpm, 1200rpm, 2500rpm, 5000rpm, 8000rpm and 11000rpm, with the curves for 600rpm and 1200rpm almost coincide. If the speed is increased to approx. 2500 rpm with a minimum tilt angle of 600 rpm or 1200 rpm, the tilt angle increases to 2.5 °.
- the minimum tilt angle is only about 0.6 °.
- an increase in the minimum tilt angle due to a speed increase already by a few 1/10 ° can therefore be very useful.
- the Fig. 16 to 19 show further examples of different center of gravity positions. This leads to the following findings:
- the engine Depending on the tilt angle, the engine provides an up or down regulation behavior.
- FIGS. 20 and 21 By way of example, the case is also shown that an additionally set-up by means of a corresponding center of gravity position has a regular effect.
- the focus is either in the first or third quadrant.
- the characteristics With increasing speed, the characteristics are due to such a center of gravity position shifted to smaller pressures.
- Such a dimensioning of the components may be attractive, in order to regulate with increasing compressor speed solely by the sum of the effective moments.
- the illustrated control characteristic has nothing to do with a compensation of inertial forces, since at no speed the tilt angle is kept constant.
- the compensation of the mass forces initially only relates to the compensation of the moments M k, ges and M sw in a predetermined tilt angle. In this criterion also falls the illustrated case "adjusting moment due to the center of gravity".
- the invention relates to a compensation of the moments M k, ges and M sw and an additional moment due to the center of gravity (Avemregelnd).
- the speed of the engine has only a moderate, if any, influence on the individual rotational speeds associated characteristics, if the angular functions tan ( ⁇ ) and sin (2 ⁇ ) have a significant effect. This is in any case small for small " ⁇ "
- the tilt angle of the swash plate or the swivel ring 107 changes at a speed increase from minimum to maximum by about 2 ° to 4 °, in particular under the condition of an approximately constant pressure in the engine room. This change means that the tilt angle is practically constant under the given conditions. Similarly, then the piston stroke is practically constant.
- the control characteristics are very close to each other and run almost parallel to each other. Accordingly, an optimal spring constant for a relatively narrow characteristic bundle can be set, with the result that the spring constant for all speeds between minimum and maximum speed is set almost optimally or can be adjusted. It is about 40 to 90 N / mm, in particular about 40 to 70 N / mm.
- the proportion J yz is smaller than the Steiner proportion y s ⁇ z s ⁇ m.
- the proportion J YZ always regulates the compressor, while the proportion y s ⁇ z s ⁇ m always corrects (set by the position in the quadrant Q2, Q4 according to FIG Fig. 12 ).
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Description
Die Erfindung betrifft einen Axialkolbenverdichter, insbesondere Verdichter für die Klimaanlagen 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 (Schräg- oder Schwenkring oder Taumelscheibe) umfasst.The invention relates to an axial piston compressor, in particular compressor for the air conditioning systems of a motor vehicle, with a housing and a housing arranged in the housing, driven via 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 (oblique or swivel ring or 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:
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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 Aufstellen des Momentes der Schwenkscheibenvorrichtung in Richtung Minimalhub der Kolben 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 to cause a setting up of the moment of the swashplate device in the direction of minimal stroke of the piston, whereby influence on the control behavior is taken.
Die erwähnten Konstruktionen sind allesamt relativ aufwendig, teuer, wenig kompakt und aus diesem Grunde für die heutzutage von der Automobilindustrie verlangten Kompressoren für Klimaanlagen ungeeignet.The mentioned constructions are all relatively expensive, expensive, not very compact and therefore unsuitable for the air conditioning compressors required today by the automotive industry.
Auch bei Serienverdichtern, wie sie in Fahrzeugen eingesetzt werden, zielt man auf eine geeignete Dimensionierung der bewegten Bauteile (insbesondere Masse), um das gewünschte Regelverhalten zu erreichen. Der Serienverdichter 6SEU 12 C 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 Gegen kraft bzw. ein ausreichendes Gegenmoment in bezug auf die translatorisch bewegten Massen herzustellen. Dieser Grundgedanke liegt auch der
Die Einflußgrößen, die als Momente um das Kippzentrum einer Schwenkscheibenvorrichtung wirken, 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 (zum Beispiel Schwenkscheibe: Kippposition ≠ Massenschwerpunkt): kann (+) oder (-) 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 (+) or (-)
- Moment due to translationally moving masses (+)
In bezug auf den erwähnten Verdichter 6SEU 12 C 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 6SEU 12 C from 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 (der Schwerpunkt wandert "wie bei einer Schaukel" unterhalb des Kippgelenkes), und führt im ungünstigsten Fall zu einer aufregelnden Eigenschaft (sog. "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 depending on the Schwenkscheibenkippwinkel (the center of gravity moves "like a swing" below the tilting joint), and leads in the worst case to an aufzustenden property (so-called. "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. Im übrigen, bei Ausbildung einer Schwenkscheibe in Form eines Schwenkringes wird die Erhöhung der Masse desselben durch die Bauhöhe begrenzt.Thus, in the prior art compressors, both prior art and actual prior art, a compromise has to be made in that a predetermined mass of the swashplate is provided to counteract the translationally moved masses. 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. Moreover, in forming a swash plate in the form of a swivel ring, the increase in the same mass is limited by the height.
Um diesem Problem zu begegnen, hat man bereits vorgeschlagen, die Kolben, d.h. die translatorisch bewegten Massen möglichst gering, d.h. leicht zu bauen, z.B. aus Aluminium oder anderen Werkstoffen mit geringerer spezifischer Dichte. Auch gibt es diesbezüglich den Vorschlag, Hohlkolben zu verwenden.To address this problem, it has already been proposed to use the pistons, i. the translationally moving masses as low as possible, i. easy to build, e.g. made of aluminum or other materials of lower specific gravity. There is also the suggestion to use hollow piston in this regard.
Des weiteren wird auf den Verdichter gemäß der
Für eine Konstantregelung der Fördermenge bei wechselnden Drehgeschwindigkeiten wird das rückstellende Drehmoment der Schwenkscheibe ausgenutzt, da die Schwenkscheibe ihrer Schrägstellung aufgrund der dynamischen Kräfte am mitdrehenden Scheibenteil entgegenwirkt. Dieses Verhalten kann durch die Kraft einer Feder unterstützt werden, so dass die bei ansteigender Drehgeschwindigkeit bzw. Drehzahl zunehmende Fördermenge durch Rückstellung der Schräg- bzw. Schwenkstellung der Schwenkscheibe zumindest teilweise kompensiert wird.For a constant control of the flow rate at varying rotational speeds, the restoring torque of the swash plate is utilized because the swash plate counteracts their inclination due to the dynamic forces on the co-rotating disc part. This behavior can be supported by the force of a spring, so that the increasing with increasing rotational speed or speed flow rate is at least partially compensated by resetting the oblique or pivotal position of the swash plate.
Wie oben bereits dargelegt, kann prinzipiell ein solches Verhalten erreicht werden, indem man z.B. eine Zusatzmasse in das Triebwerk integriert, deren Massenträgheit sich über einen Koppelmechanismus auf die Schwenkscheibe auswirkt. Weiterhin wurde ausgeführt, dass sich bei Verdichtern, wie sie gegenwärtig in Kraftfahrzeugen eingesetzt werden, die Masse der Schwenkscheibe nicht beliebig groß wählen lässt, ohne andere Nachteile in Kauf nehmen zu müssen. Dies gilt insbesondere auch für die Lehre gemäß der
Des weiteren sind Verdichter bekannt, insbesondere Serienverdichter für R134a, bei denen sich allein aufgrund der wirkenden Momente von aufregelnden und abregelnden Massenkräften in der Tendenz das Hubvolumen vergrößert. Durch entsprechenden Regeleingriff der eingesetzten Regelventile muß das ggf. kompensiert werden. Bei neueren Entwicklungen, insbesondere für CO2-Verdichter strebt man danach, dieses Verhalten umzukehren. Der notwendige Regeleingriff kann dann vermindert oder sogar entbehrlich werden.Furthermore, compressors are known, in particular series compressors for R134a, in which the stroke volume increases on the sole side due to the acting moments of up-regulating and regulating mass forces. By appropriate control intervention of the control valves used that may need to be compensated. Recent developments, especially for CO 2 compressors, seek to reverse this behavior. The necessary control intervention can then be reduced or even dispensed with.
Zum besseren Verständnis ist das beschriebene Kippverhalten infolge einer Drehzahlschwankung in den
Hochdruck 120 bar und Saugdruck 35 bar.- Gerechnet wurde weiterhin mit Drehzahlen:
- 600 U/min, 1200 U/min, 2500 U/min, 5000 U/min, 8000 U/min und 11000 U/min.
-
High pressure 120 bar and suction pressure 35 bar. - Calculated was still at speeds:
- 600 rpm, 1200 rpm, 2500 rpm, 5000 rpm, 8000 rpm and 11000 rpm.
Zu erkennen sind in
Anhand des Diagramms gemäß
Daneben ist die Kolbenmasse relevant, der Teilkreisdurchmesser, auf dem die Kolben liegen, und die Anzahl der Kolben.In addition, the piston mass is relevant, the pitch diameter on which the pistons are located, and the number of pistons.
Der Schwenkring 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 swivel ring preferably has a mass moment of inertia J 2 = J η or
J = m / 4 (r a 2 + r i 2 + h 2/3 ), which is greater than 100,000 gmm 2 . Preferably, the moment of inertia is greater than J = 200,000-250,000 gmm 2 .
Weiter hat der Schwenkring vorzugsweise ein Massenträgheitsmoment von
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
Ziel: Jyz soll eine bestimmte Gröβe haben
Jyz ↑ } J3 ↑ J2 erhöht sich zwangsläufig!)Goal: J yz should have a certain size
J yz ↑ ↑} J 3 J 2 increases inevitably!)
Deviationsmoment
Unabhängig von
Moment infolge Massenkraft der KolbenMoment due to inertia of the pistons
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
- ρ
- 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 infolge des Deviationsmoments (Jyz)
- J =
- f (ρ , r, h) Massenträgheitsmoment
- 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
- ρ
- 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 as a result of the deviation moment (J yz )
- J =
- f (ρ, r, h) mass moment of inertia
Konkret lag der
Es lässt sich erkennen, dass der Einfluß der Kolbenmassen überwiegt und sich damit das aufregelnde Verhalten der Schräg- bzw. Schwenkscheibe bei steigender Drehzahl ergibt.It can be seen that the influence of the piston mass predominates and thus results in the aufrichtende behavior of the inclined or swash plate with increasing speed.
Es handelt sich also um den Fall Mk,ges > Msw It is thus the case M k, ges > M sw
In
Hier liegt der Fall Mk,ges < Msw vor.Here is the case M k, ges <M sw .
Dieses Berechnungsschema zeigt, dass im Vergleich zu der Berechnung zu
Die
Ausgehend von dem genannten Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Axialkolbenverdichter der eingangs genannten Art zu schaffen, auf dessen Schwenkscheiben-Vorrichtung Drehzahlschwankungen einen minimalen Einfluß haben, d.h. nicht die Förderleistung, sondern der Kippwinkel der Schwenkscheibe soll von der Drehzahl möglichst wenig beeinflusst sein.Starting from the cited prior art, it is an object of the present invention to provide an axial piston compressor of the type mentioned on the swash plate device speed fluctuations have a minimal influence, i. not the flow rate, but the tilt angle of the swash plate should be influenced as little as possible by the speed.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst, wobei vorteilhafte Weiterentwicklungen und Details der Erfindung in den Unteransprüchen beschrieben sind. Der Axialkolbenverdichter kann insbesondere als Verdichter in der Klimaanlage eines Kraftfahrzeuges eingesetzt werden. Unter translatorisch bewegten Teilen werden beispielsweise Axialkolben, Kolbenstange oder Gleitsteine verstanden, sowie unter rotatorisch bewegten Teilen beispielsweise eine Schwenkscheibe, Mitnehmer oder dergleichen. Das Moment Mk,ges soll dabei infolge der translatorisch bewegten Massen, insbesondere der Kolben, gegebenenfalls einschließlich Gleitsteine, Kolbenstangen od. dgl., etwa gleich dem Moment MSW infolge des Deviationsmoments sein.This object is achieved by the characterizing features of
Der Kern der vorliegenden Erfindung liegt also darin, die Geometrie und Dimensionierung der translatorisch bewegten Teile einerseits und rotatorisch bewegten Teile andererseits so aufeinander abzustimmen, dass die dadurch bedingten Momente stets etwa gleich groß sind, so dass der Schwenkscheiben-Kippwinkel bei sich ändernden Drehzahlen im wesentlichen konstant bleibt.The core of the present invention is therefore to match the geometry and dimensioning of the translationally moving parts on the one hand and rotationally moving parts on the other hand so that the consequent moments are always about the same size, so that the swashplate tilt angle at varying speeds substantially remains constant.
Dadurch erhält man folgende Vorteile:
- günstiges dynamisches Verhalten: vermindertes Aufschwingen und Gegenregeln durch Ventile;
- Verminderung der Streuung der Kennlinien; dadurch kann bei der Auslegung jeder Betriebspunkt optimal berücksichtigt bzw. im Kennfeld platziert werden (besonders interessant bei CO2-Verdichtern, da bei diesen im Vergleich zu R134a-Verdichtern neben den AC(Air Conditioning)-Betriebspunkten auch die HP(Heat-Pump)-Betriebspunkte berücksichtigt werden müssen);
- durch Überlagern eines Momentes infolge Schwerpunktlage kann man in etwa die eingestellten Verläufe der Kennlinien erhalten, diese aber gezielt verschieben.
- favorable dynamic behavior: reduced swinging and counter-regulation by valves;
- Reduction of the dispersion of the characteristic curves; This means that every operating point can be optimally taken into account or placed in the characteristic map (especially interesting for CO 2 compressors, since in comparison to R134a compressors, the HP (heat pump), in addition to the AC (air conditioning) operating points) Operating points must be taken into account);
- By superimposing a moment as a result of the center of gravity, it is possible to obtain roughly the set curves of the characteristic curves, but to shift them in a targeted manner.
Erfindungsgemäß gilt es also, die Summe der translatorischen und rotatorischen Momente auf "Null" einzustellen. Aus den oben genannten Gleichungen für Msw infolge (Deviationsmoment) und Mk,ges ergibt sich, dass sich bei Gleichstellung dieser beiden Momente der Drehzahleinfluß "ω2" herauskürzt.According to the invention, it is therefore necessary to set the sum of the translational and rotational moments to "zero". From the above-mentioned equations for M sw due to (moment of deviation) and M k, ges, it follows that if these two moments are equalized, the speed factor "ω 2 " is shortened.
Des weiteren haben die Erfinder erkannt, dass sich aber ein Einfluß des Kippwinkels der Schwenkscheibe nicht vermeiden lässt. Dieser ergibt sich aus den Verläufen von tan(alpha) und sin(2alpha). Die Verläufe dieser Winkelfunktionen sind in
Mit der vorliegenden Erfindung soll das Triebwerk so ausgelegt sein, dass zumindest näherungsweise das erwähnte unerwünschte Verhalten hinsichtlich der Drehzahländerung bei unterschiedlichen Kippwinkeln stark reduziert ist.With the present invention, the engine should be designed so that at least approximately the aforementioned undesirable behavior with respect to the speed change at different tilt angles is greatly reduced.
Die
Die in
Das in
Dem in
Als Kippwinkel zur Einstellung der Bilanz der relevanten Momente auf Null ist ein mittlerer Kippwinkel von α= 8° gewählt worden.As a tilt angle for setting the balance of the relevant moments to zero, a mean tilt angle of α = 8 ° has been selected.
Um das Trägheitsmoment der Schwenkscheibe entsprechend anzupassen, wurde die Höhe der Schwenkscheibe geringfügig vergrößert, und zwar von 13,130 mm auf 13,404 km.In order to adjust the moment of inertia of the swash plate accordingly, the height of the swash plate was slightly increased, from 13.130 mm to 13.404 km.
Die Momentenbilanz im Berechnungsschema weist einen Ausgleich der Momente bei dem Kippwinkel von 8° auf. Zu erkennen ist auch, dass die einzelnen Kennlinien im Bereich niedrigerer Drehzahlen sehr eng beieinander liegen und sogar leicht abregelnd wirken. Die Linien weisen dann etwa bei einem Kippwinkel α= 8° einen Schnittpunkt auf und werden danach wieder aufregelnd separiert.The torque balance in the calculation scheme has a compensation of the moments at the tilt angle of 8 °. It can also be seen that the individual characteristics in the range of lower speeds are very close to each other and even have a slightly decreasing effect. The lines then have an intersection point approximately at a tilt angle α = 8 ° and are then separated again in an upright manner.
Anhand der weiteren Figuren soll nun die Erfindung und das Ziel der vorliegenden Erfindung näher beschrieben werden. Im einzelnen zeigen die Figuren was folgt:
- Fig. 6
- das Regelverhalten einer Schwenkscheibe, die erfindungsgemäß ausgelegt ist;
- Fig. 7
- das Regelverhalten einer Schwenkscheibe, die ebenfalls erfindungsgemäß, jedoch gegenüber
Fig. 6 anders ausgelegt ist; - Fig. 8
- das Regelverhalten einer Schwenkscheibe gemäß Erfindung für eine einzige Drehzahl von n = 5000 U/min unter Variation des Betriebspunktes (unterschiedlich eingestellter Hochdruck und Saugdruck);
- Fig. 9
- eine bevorzugte Ausführungsform eines Schwenkring-Triebwerkes für einen Axialkolbenverdichter in perspektivischer Ansicht;
- Fig. 10
- das Schwenkring-Triebwerk gemäß
Fig. 9 im Axialschnitt Längslinie II-II inFig. 9 ; - Fig. 11
- das Triebwerk gemäß
Fig. 9 in Explosionsdarstellung; - Fig. 12
- die Einteilung des Triebwerkes gemäß
Fig. 9 in vier Quadranten Q1, Q2, Q3 und Q4; - Fig. 13
- eine schematische Darstellung der Koordinaten eines Schwenkscheiben-Mechanismus zur Berechnung des Massenträgheitsmomentes;
- Fig. 14a - 21
- den Einfluß der Lage des Schwerpunktes der Schwenkscheibe relativ zur Kippachse, wobei die Kippachse den Nullpunkte für die Koordinaten y und z definieren.
- Fig. 6
- the control behavior of a swash plate, which is designed according to the invention;
- Fig. 7
- the control behavior of a swash plate, which also according to the invention, but opposite
Fig. 6 is designed differently; - Fig. 8
- the control behavior of a swash plate according to the invention for a single speed of n = 5000 rev / min with variation of the operating point (differently set high pressure and suction pressure);
- Fig. 9
- a preferred embodiment of a swivel ring engine for an axial piston in perspective view;
- Fig. 10
- the swivel ring engine according to
Fig. 9 in axial section longitudinal line II-II inFig. 9 ; - Fig. 11
- the engine according to
Fig. 9 in exploded view; - Fig. 12
- the classification of the engine according to
Fig. 9 in four quadrants Q1, Q2, Q3 and Q4; - Fig. 13
- a schematic representation of the coordinates of a swash plate mechanism for calculating the mass moment of inertia;
- Fig. 14a - 21
- the influence of the position of the center of gravity of the swash plate relative to the tilt axis, wherein the tilt axis define the zero points for the coordinates y and z.
Das Regelverhalten der Schwenkscheibe gemäß
Die Momentensumme der aufregelnden und abregelnden Massenkräften ist im Bereich zwischen mittlerem und maximalem Kippwinkel, insbesondere bei maximalem Kippwinkel etwa Null.The sum of the momentum of the up-regulating and regulating mass forces is approximately zero in the range between the mean and maximum tilt angle, in particular at the maximum tilt angle.
An dieser Stelle sei auch darauf hingewiesen, dass sich die vorliegende Beschreibung nur auf die infolge der Schwenkscheibe und der Kolben und eventuell zusätzlichen Bauteilen wirkenden Massenkräfte, Trägheitskräften und den sich daraus ergebenden Momenten beziehen, die ein Verkippen der Schwenkscheibe beeinflussen. Dabei wird im vorliegenden Fall ein Triebwerk herangezogen, welches nur wenige Bauteile aufweist. Ausgehend von dem hier zugrunde liegenden Beispiel mit Schwenkscheibe, Gleitsteinen und Kolben sind natürlich auch komplexere Konstruktionen denkbar, wie etwa ein Taumelscheibenverdichter. Grundsätzlich gilt das hier Gesagte jedoch auch für diese komplexeren Baugruppen.It should also be noted that the present description is based only on the result of the swash plate and the piston and possibly additional Components acting inertial forces, inertial forces and the resulting moments relate, which influence a tilting of the swash plate. In this case, an engine is used in the present case, which has only a few components. On the basis of the example on which the swivel disk, sliding blocks and pistons are based, more complex designs are of course conceivable, such as a swash plate compressor. Basically, what is said here, however, also applies to these more complex assemblies.
Darüber hinaus ist das hier angesprochene Momentengleichgewicht überprüfbar, ohne dass dazu der Verdichter in Betrieb genommen werden muß. Ausgehend von der oben genannten Grundgleichung für den Momentenausgleich ist es offensichtlich, dass die Kennlinien errechnet werden können aus der gemessenen Geometrie und den gemessenen Bauteilmassen. Ggf. muß auch noch der Schwerpunkt der Schwenkscheibe ermittelt werden.In addition, the instantaneous equilibrium mentioned here can be checked without the compressor having to be put into operation for this purpose. Based on the above-mentioned basic equation for torque compensation, it is obvious that the characteristic curves can be calculated from the measured geometry and the measured component masses. Possibly. must also be determined the focus of the swash plate.
Die
In
Eine jede Kurve für 5000 U/min ist als repräsentativ für ein Kurvenbündel eines bestimmten Betriebspunktes zu sehen. Wenn berücksichtigt wird, dass ein bestimmter Regeldruck von mindestens 2-3 bar über dem Saugdruck benötigt wird, wird ein günstiges Regelverhalten dadurch erreicht, dass die Kennlinien eine gewisse, möglichst in einem weiten Bereich lineare Steigung aufweisen. Dadurch wird plausibel, dass ein eng beieinanderliegendes "Kennlinienbündel" eher für alle Betriebsbereiche im gewünschten Bereich des Kennfeldes liegt als Regelkurven, die stärker auseinander driften, so wie dies in den
Bei solchen negativen Fällen, wie z.B. bei einem aufregelnden Verhalten gemäß
In den
Das Schwenklager des Schwenkringes 107 definiert eine sich quer zur Antriebswelle 104 erstreckende Schwenkachse 101. Diese Schwenkachse wird des weiteren definiert durch zwei gleichachsig beidseitig der Schiebehülse 108 gelagerte Lagerbolzen 102, 103 (siehe
Von Bedeutung ist die axiale Abstützung des Schwenkringes an dem mit der Antriebswelle 104 mitdrehend angeordneten Stützelement 109. Diese Abstützung erfolgt durch einen mit dem Schwenkring 107 wirkverbundenen 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 eine Gelenkanordnung umfassenden Kolbenfuß 111 andererseits ausgeschlossen ist (siehe dazu
Die Stützfläche des Bogens 110 erstreckt sich etwa konzentrisch zum Mittelpunkt der zwischen Kolben 118 und Schwenkring 107 wirksamen Gelenkanordnung. Die axiale Abstützung ist also außerhalb der vorgenannten Gelenkanordnung wirksam mit der Folge, dass die Gelenkanordnung, die zwischen Kolben und Schwenkring wirksam ist, durch axiale Abstützungsmaßnahmen nicht beeinträchtigt wird. Dies gilt insbesondere für die Dimensionierung der vorgenannten Gelenkanordnung. Die Gelenkanordnung ist ebenso wie beim Stand der Technik durch zwei kugelsegmentartige Gelenksteine 121, 122 (siehe
Des weiteren ist erkennbar, dass bei der dargestellten Ausführungsform das Schwenklager des Schwenkringes 107 nur zur Drehmomentübertragung und das Stützelement 109 nur zur axialen Abstützung der Kolben 118 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
Von besonderem Interesse ist noch die Stützfläche am Stützelement 109 für den Stützbogen 110. Diese Stützfläche ist als kreisbogenförmige bzw. zylindrische Lagerfläche 123 ausgebildet. Um eine Verschiebung der Stützlinie bei Änderung der Neigung des Schwenkringes 107 zu vermeiden, d.h. eine Verschiebung aus dem Zentrum der Kolben 118 heraus, ist der Stützbogen 110 in radialer Richtung relativ zum Schwenkring 107 verschieblich gelagert.Of particular interest is still the support surface on the
Im übrigen wird bezüglich der Konstruktion dieses Triebwerkes auf die auf die Anmelderin zurückgehende deutsche Patentanmeldung
Gemäß
Bei den bisherigen Beispielen ist davon ausgegangen, dass der Schwerpunkt des Schwenkringes 107 im wesentlichen mit der Kippachse zusammenfällt, die sich senkrecht zur Antriebswellenmittelachse erstreckt. Aufbauend darauf weisen aber Verdichter nach dem Stand der Technik häufig Schwerpunkte im Bereich der Schwenkscheibe auf, bei denen Schwerpunkt der Schwenkscheibe nicht mit der Kippachse zusammenfällt. Erfindungsgemäß ist es denkbar, gezielt einen sog. "offset" einzuplanen. Dabei wirken sich Schwerpunkte in den Quadranten Q wie folgt aus:
- Q1 (positive Koordinaten z und y): abregelnd
- Q3 (negative Koordinaten z und y): abregelnd
- Q2 (positive Koordinaten z und negatives y): aufregelnd
- Q4 (negative Koordinaten z und positives y): aufregelnd
- Q1 (positive coordinates z and y): offsetting
- Q3 (negative coordinates z and y): offsetting
- Q2 (positive coordinates z and negative y): up-regulating
- Q4 (negative coordinates z and positive y): pending
Die Koordinate z erstreckt sich parallel zur Antriebswellenmittelachse bzw. erstreckt sich vorzugsweise in dieser. Die Koordinate y erstreckt sich senkrecht dazu.The coordinate z extends parallel to the drive shaft center axis or preferably extends in this. The coordinate y extends perpendicular thereto.
Wird kein zusätzlicher Massenausgleich vorgesehen, so liegt der Schwerpunkt bei den Ausführungsformen nach dem Stand der Technik sehr häufig im vierten Quadranten Q4.If no additional mass balance is provided, the center of gravity in the prior art embodiments is very often in the fourth quadrant Q4.
Es ist natürlich möglich, dass ein in einem beliebigen Quadranten angeordneter Schwerpunkt bei Verkippen der Schwenkscheibe die Wellenseite bezogen auf die Wellenmittelachse wechselt mit der Folge, dass sich z.B. ein aufregelndes Verhalten in ein abregelndes Verhalten wandelt. Es ist aber auch erkannt worden, dass sich im Bereich der Wellenachse natürlich die Fliehkraft und ein eventuell daraus resultierendes Kippmoment eher in Grenzen hält.It is of course possible that a center of gravity arranged in any quadrant changes the shaft side with respect to the shaft center axis when the swashplate is tilted, with the result that e.g. transforms an uplifting behavior into a regulatory behavior. However, it has also been recognized that in the area of the shaft axis, of course, the centrifugal force and possibly resulting tilting moment is rather limited.
Insgesamt wird, bezogen auf die bereits genannten zwei Momente Mk,ges und Msw, welche für bestimmte Kippwinkel kompensiert werden können, ein weiteres Kippmoment infolge der Fliehkraft wirksam, welches als Anteil in Msw eingeht oder msw, welches in das Deviationsmoment Jyz eingeht, welches wiederum in Msw eingeht (MSW = Jyz · ω2).Overall, based on the already mentioned two moments M k, ges and M sw , which can be compensated for certain tilt angle, another tilting moment due to the centrifugal force is effective, which enters as a proportion in M sw or msw, which in the moment of deviation J yz which in turn goes into M sw (M SW = J yz · ω 2 ).
Nachstehend werden in bezug auf die Lage des Schwerpunktes der Schwenkscheibe noch besondere Ausführungsformen näher beschrieben:Hereinafter, special embodiments are described in more detail with respect to the position of the center of gravity of the swash plate:
Es wird ein "offset" vorgesehen, der aufregelnd wirkt. Das heißt, der Schwerpunkt der Schwenkscheibe liegt entweder im zweiten oder im vierten Quadranten, d.h. in Q2 oder Q4.An "offset" is provided, which acts as an adjuster. That is, the center of gravity of the swash plate is either in the second or in the fourth quadrant, ie in Q2 or Q4.
In den
Aufgrund des realen Gasprozesses und der Schadräume, die sich nicht vermeiden lassen und die bei der Verdichtung sehr relevant sind, kommt es im Bereich geringer Kippwinkel dazu, dass sich eine Art Maximum oder ein Plateau ergibt, welches keine klare Zuordnung von Druck zu Drehzahl erlaubt und häufig zu Regelungsproblemen führt.Due to the real gas process and the dead spaces, which can not be avoided and which are very relevant in the compression, it comes in the range of low tilt angle that results in a kind of maximum or plateau, which no clear assignment of pressure to speed allowed and often leads to control problems.
Durch die vorliegende Erfindung kann dieser Einfluß verkleinert werden, d.h. die Steigung der Kennlinien wird in der Tendenz etwas erhöht.By the present invention, this influence can be reduced, i. the gradient of the characteristic curves tends to increase slightly.
In
Bei den gegenwärtigen Konstruktionen versucht man, wie bereits erwähnt, den minimalen Kippwinkel zu minimieren. So kann z.B. der minimale Kippwinkel nur etwa 0,6° betragen. Ein solcher Bereich kann aber sehr kritisch für ein einwandfreies Anfahren des Verdichters sein. Eine Erhöhung des minimalen Kippwinkels infolge einer Drehzahlsteigerung schon um wenige 1/10° kann deshalb sehr nützlich sein.In the current constructions, as already mentioned, attempts are made to minimize the minimum tilt angle. Thus, e.g. the minimum tilt angle is only about 0.6 °. However, such an area can be very critical for proper startup of the compressor. An increase in the minimum tilt angle due to a speed increase already by a few 1/10 ° can therefore be very useful.
Die
Je nach Kippwinkel stellt das Triebwerk ein aufregelndes oder abregelndes Verhalten bereit.Depending on the tilt angle, the engine provides an up or down regulation behavior.
Bereichsweise liegen die Kennlinien sehr dicht beieinander oder sind sogar deckungsgleich.In areas, the characteristics are very close to each other or even congruent.
Die Kennlinien schneiden sich stets in einem Punkt.The curves always intersect at one point.
Anhand der
Auf den ersten Blick hat die dargestellte Regelcharakteristik nichts mit einer Kompensation von Massenkräften zu tun, da bei keiner Drehzahl der Kippwinkel konstant gehalten wird. Demzufolge bezieht sich die Kompensation der Massenkräfte zunächst nur auf den Ausgleich der Momente Mk,ges und Msw in einem vorbestimmten Kippwinkel. In dieses Kriterium fällt auch der dargestellte Fall "abregelndes Moment infolge der Schwerpunktslage".At first glance, the illustrated control characteristic has nothing to do with a compensation of inertial forces, since at no speed the tilt angle is kept constant. As a result, the compensation of the mass forces initially only relates to the compensation of the moments M k, ges and M sw in a predetermined tilt angle. In this criterion also falls the illustrated case "adjusting moment due to the center of gravity".
Darauf aufbauend bezieht sich die Erfindung auf einen Ausgleich der Momente Mk,ges und Msw sowie einem zusätzlichen Moment infolge der Schwerpunktslage (Aufregelnd).Based on this, the invention relates to a compensation of the moments M k, ges and M sw and an additional moment due to the center of gravity (Aufregelnd).
Der Vorteil der dargestellten Ausführungsbeispiele im Vergleich zu dem Stand der Technik gemäß z.B.
Damit hat die Drehzahl des Triebwerks nur noch einen moderaten, wenn überhaupt, Einfluß auf die den einzelnen Drehzahlen zugeordneten Kennlinien, sofern die Winkelfunktionen tan(α) und sin(2α) einen nennenswerten Effekt haben. Dieser ist in jedem Fall klein für kleine "α"Thus, the speed of the engine has only a moderate, if any, influence on the individual rotational speeds associated characteristics, if the angular functions tan (α) and sin (2α) have a significant effect. This is in any case small for small "α"
Durch die Schwerpunktslage kann darüber hinaus ein unterschiedliches Verhalten eingestellt werden. Insgesamt ist aber der Drehzahleinfluß erheblich reduziert.Due to the center of gravity, a different behavior can also be set. Overall, however, the speed is significantly reduced.
Durch die enge Bündelung der den Drehzahlen zugeordneten Kennlinien bei vielen Betriebspunkten ist eine gewünschte Dimensionierung z.B. der Rückstellfeder einfacher.Due to the close bundling of the characteristic curves associated with the rotational speeds at many operating points, a desired dimensioning, e.g. the return spring easier.
Die
Unter Bezugnahme auf die oben dargestellten Kennlinien bzw. Regelkurven sei noch darauf hingewiesen, dass für die Charakteristik des erfindungsgemäßen Verdichters von ganz wesentlicher Bedeutung und auch Erkennung ist, dass die Kennlinien bzw. Regelkurven für unterschiedliche Drehzahlen etwa parallel zueinander verlaufen. Bei einem derartigen Kennlinien-Verlauf werden die erfindungsgemäßen Bedingungen erfüllt.With reference to the characteristic curves or control curves shown above, it should also be pointed out that for the characteristics of the compressor according to the invention it is of very significant importance and also recognition that the characteristic curves or control curves for different rotational speeds are approximately parallel to one another. With such a characteristic curve the conditions according to the invention are fulfilled.
Des weiteren sei darauf hingewiesen, dass sich der Kippwinkel der Schwenkscheibe bzw. des Schwenkringes 107 bei einer Drehzahlerhöhung von Minimum auf Maximum um etwa 2° bis 4° ändert, und zwar insbesondere unter der Bedingung eines etwa konstanten Drucks im Triebwerksraum. Diese Änderung bedeutet, dass der Kippwinkel unter den gegebenen Bedingungen praktisch konstant ist. Gleichermaßen ist dann auch der Kolbenhub praktisch konstant.Furthermore, it should be noted that the tilt angle of the swash plate or the
Zur Federkonstante der auf die Schwenkscheibe einwirkenden Rückstellfeder in der Regel für eine bestimmte Drehzahl optimal eingestellt wird. Bei starken Drehzahlschwankungen wirkt sich dies bei herkömmlichen Verdichtern nachteilig aus, und zwar aufgrund der relativ großen Spreizung der Regelkennlinien zwischen minimaler und maximaler Drehzahl.For spring constant of acting on the swash plate return spring is usually set optimally for a certain speed. At high speed fluctuations, this has a disadvantageous effect in conventional compressors, due to the relatively large spread of the control characteristics between minimum and maximum speed.
Erfindungsgemäß liegen die Regelkennlinien jedoch sehr dicht beieinander und verlaufen nahezu parallel zueinander. Dementsprechend lässt sich eine optimale Federkonstante für ein relativ enges Kennlinien-Bündel einstellen mit der Folge, dass die Federkonstante für alle Drehzahlen zwischen minimaler und maximaler Drehzahl nahezu optimal eingestellt ist bzw. eingestellt werden kann. Sie beträgt etwa 40 bis 90 N/mm, insbesondere etwa 40 bis 70 N/mm.According to the invention, however, the control characteristics are very close to each other and run almost parallel to each other. Accordingly, an optimal spring constant for a relatively narrow characteristic bundle can be set, with the result that the spring constant for all speeds between minimum and maximum speed is set almost optimally or can be adjusted. It is about 40 to 90 N / mm, in particular about 40 to 70 N / mm.
Schließlich sei noch darauf hingewiesen, dass bei der eingangs dargestellten Berechnung der Massenträgheitsmomente, insbesondere des Deviationsmoments vorzugsweise noch ein sog. Steineranteil (ys · zs · m) berücksichtigt werden sollte, unter dessen Berücksichtigung sich das Deviationsmoment wie folgt darstellt:
Für kleine Kippwinkel der Schwenkscheibe, z.B. eines Schwenkringes, ist der Anteil Jyz kleiner als der Steineranteil ys · zs · m. Der Anteil JYZ regelt den Verdichter immer ab, während der Anteil ys · zs · m stets aufregelt (eingestellt durch die Lage im Quadranten Q2, Q4 gemäß
Aus den vorgenannten Überlegungen ergibt sich also, dass das Deviationsmoment zwei gegenläufige Einflussanteile besitzt, d.h. sowohl einen aufregelnden als auch abregelnden Anteil.From the above considerations, it follows that the moment of deviation has two opposing influence components, i. both an up and down.
Die entsprechenden Anteile werden jeweils nach Überschreiten eines Grenz-Kippwinkels αG wirksam, wobei für α< αG gilt:
- ys · zs · m > JYZ (aufregelnd), und für
- α> αG umgekehrt (d.h. abregelnd).
- y s · z s · m> J YZ (aufregelnd), and for
- α> α G reversed (ie, offsetting).
Claims (13)
- Axial piston compressor, 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 in a cylinder block at least one piston (118) which moves axially back and forth as a part moved in translation and at least one tilt plate which drives the pistons and rotates together with the drive shaft (104) as a part moved in rotation,
characterised in that
the geometry and dimensioning of all parts moved in translation, on the one hand, and all parts moved in rotation, on the other hand, are such that, for any desired tilt angles (α) of the tilt plate (107), the moment Mk,ges due to the masses moved in translation is approximately equal to the moment MSW due to the moment of deviation, the speed-of-rotation-dependent characteristic curves of the drive mechanism chamber pressure difference (p), relative to the suction pressure, set against the tilt angle (α) of the tilt plate (107) either intersecting at one point or converging at one point. - Compressor according to claim 1,
characterised in that
the tilt angle (α) lies between a predetermined minimum tilt angle (αmin) and a predetermined maximum tilt angle (αmax). - Compressor according to one of claims 1 to 3,
characterised in that
the centre of gravity of the tilt plate (107) is located on the tilt axis (x) thereof. - Compressor according to one of claims 1 to 3,
characterised in that,
given division of the space surrounding the drive shaft and the tilt plate into four quadrants (Q1, Q2, Q3, Q4), the centre of gravity of the tilt plate (107) is offset either into a first, front quadrant (Q1) delimited by the drive shaft (104) and the front face of the tilt plate (107) including the piston support and facing the pistons, or into a second, front quadrant (Q2) located on the side opposite the first quadrant (Q1) relative to the drive shaft (104), or into a third, rear quadrant (Q3) arranged relative to the tilt plate (107) at the height of the second quadrant (Q2) behind the tilt plate (107), that is to say on that side of the tilt plate (107) which is remote from the pistons, or into a fourth, rear quadrant (Q4) arranged relative to the tilt plate (107) at the height of the first quadrant (Q1) behind the tilt plate (107), that is to say on that side of the tilt plate (107) which is remote from the pistons. - Compressor according to one of claims 1 to 5,
characterised in that
it is down-regulatable in the relatively high speed of rotation range and up-regulatable in the relatively low speed of rotation range (Figs. 15a, 16, 17, 18). - Compressor according to claim 5 or 6,
characterised in that
the location of the centre of gravity moves, with a change in the tilt angle of the tilt plate (107), from an up-regulating quadrant (Q2, Q4) into a down-regulating quadrant (Q1, Q3) or vice-versa. - Compressor according to one of claims 1 to 7,
characterised in that
the piston stroke and/or the tilt angle of the tilt plate (107) is substantially constant in the case of changes in the speed of rotation. - Compressor according to one of the preceding claims,
characterised in that
the point of intersection of the characteristic curves separates the up-regulating from the down-regulating speed of rotation range. - Compressor according to one of claims 1 to 9,
characterised in that
the characteristic curves for different speeds of rotation run approximately parallel to one another. - Compressor according to one of claims 1 to 10,
characterised in that
the tilt angle (α) of the tilt plate changes by about 2° to 4° in the event of an increase in the speed of rotation from minimum to maximum, especially under the condition of an approximately constant pressure in the drive mechanism chamber. - Compressor according to one of claims 1 to 11,
characterised in that
the spring constant of the restoring spring (117) acting on the tilt plate is between about 40 and 90 N/mm, especially about 40 to 70 N/mm, the selected spring constant having been optimised for a group of regulation characteristic curves. - Compressor according to one of claims 1 to 12,
characterised in that
the moment of deviation, taking into account a so-called Steiner component, includes both an up-regulating and a down-regulating term, those terms predominating, in each case, after a threshold tilt angle (αG) of the tilt plate (107) has been exceeded, especially, in the case of
α < αG in up-regulating manner, and
α > αG in down-regulating manner.
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