EP1674726A1 - Trockenlaufender Kolbenverdichter - Google Patents

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EP1674726A1
EP1674726A1 EP04029955A EP04029955A EP1674726A1 EP 1674726 A1 EP1674726 A1 EP 1674726A1 EP 04029955 A EP04029955 A EP 04029955A EP 04029955 A EP04029955 A EP 04029955A EP 1674726 A1 EP1674726 A1 EP 1674726A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
bearing
piston
connecting rod
dry
running
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP04029955A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Michael Hartl
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Knorr Bremse Systeme fuer Schienenfahrzeuge GmbH
Original Assignee
Knorr Bremse Systeme fuer Schienenfahrzeuge GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Knorr Bremse Systeme fuer Schienenfahrzeuge GmbH filed Critical Knorr Bremse Systeme fuer Schienenfahrzeuge GmbH
Priority to EP04029955A priority Critical patent/EP1674726A1/de
Priority to CNA2005800472637A priority patent/CN101111678A/zh
Priority to PCT/EP2005/013607 priority patent/WO2006066833A1/de
Priority to JP2007545969A priority patent/JP2008524483A/ja
Priority to MX2007007237A priority patent/MX2007007237A/es
Priority to CA002591491A priority patent/CA2591491A1/en
Publication of EP1674726A1 publication Critical patent/EP1674726A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B39/00—Component parts, details, or accessories, of pumps or pumping systems specially adapted for elastic fluids, not otherwise provided for in, or of interest apart from, groups F04B25/00 - F04B37/00
    • F04B39/0005—Component parts, details, or accessories, of pumps or pumping systems specially adapted for elastic fluids, not otherwise provided for in, or of interest apart from, groups F04B25/00 - F04B37/00 adaptations of pistons
    • F04B39/0022—Component parts, details, or accessories, of pumps or pumping systems specially adapted for elastic fluids, not otherwise provided for in, or of interest apart from, groups F04B25/00 - F04B37/00 adaptations of pistons piston rods
    • 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
    • F04B39/00—Component parts, details, or accessories, of pumps or pumping systems specially adapted for elastic fluids, not otherwise provided for in, or of interest apart from, groups F04B25/00 - F04B37/00
    • F04B39/0005—Component parts, details, or accessories, of pumps or pumping systems specially adapted for elastic fluids, not otherwise provided for in, or of interest apart from, groups F04B25/00 - F04B37/00 adaptations of pistons

Definitions

  • the present invention relates to a dry-running piston compressor with a crankcase, on which at least one pot-like cylinder is arranged with an associated inner piston which is connected by means of a connecting rod with a crankshaft rotatably mounted in the crankcase, wherein the crankshaft-side end of the connecting rod via a like Rolling bearing executed connecting rod bearing is mounted on the crankshaft.
  • the field of application of the present invention extends primarily to the commercial and rail vehicle sector.
  • reciprocating compressors for the production of compressed air used which are needed in particular for the operation of the compressed air brake system.
  • the present invention relates to dry-running, that is oil-free piston compressor, which are particularly suitable for use in commercial and rail vehicle.
  • oil lubrication has the consequence that the compressed air is oily.
  • the condensate which accumulates in the subsequent air drying, must be collected because of the oil content for environmental reasons in heated containers and drained at regular intervals for disposal. This leads to an increased maintenance and disposal costs.
  • problems of emulsion formation in the oil circuit of conventional oil-lubricated reciprocating compressors which usually occur during winter operation at low load. Particular problems arise when using oil-lubricated piston compressor in commercial vehicles.
  • the dry running piston compressor has a crankcase for a crankshaft rotatably mounted therein. On the outside of the crankcase a plurality of pot-like cylinders are provided, each with associated inner piston, wherein the crankshaft via a connecting rod bearing as the first bearing with one end of the connecting rod is in communication to the rotational movement of the crankshaft in a linear movement for the at the other end of the connecting rod to convert a piston pin bearing stored as a second bearing piston.
  • the dry running piston compressor works without a lubricating oil in the crankcase.
  • the conrod bearing designed as a rolling bearing in an oil-free piston compressor was always dimensioned according to the regulations of the prior art. Such a regulation contains the document "FAG Rolling Bearings, WL 41 520/3 DB Catalog Edition 1999".
  • the classical bearing dimensioning for the present case of a connecting rod bearing takes place by determining the maximum piston force, which results from the piston surface multiplied by the maximum pressure acting on the piston surface.
  • L ( C / P ) p
  • C dynamic load rating
  • P bearing load
  • p lifetime exponent.
  • the bearing selection is ultimately based on the resulting from this formula load capacity by appropriate mathematical forming steps.
  • Basic load ratings of rolling bearings are standardized and are based on DIN ISO 281 and DIN ISO 76.
  • the dynamic load rating C is defined as the load of invariable size and direction, in which a sufficiently large quantity of identical bearings reaches a nominal service life of 1 million revolutions.
  • the core of the new train of thought is the fact that the kinetic energy of heavy pistons, as they are also used in dry running reciprocating compressors, due to the guide length of the heavy piston pin and the use of a rolling bearing on the piston is converted into the compression energy, which not only to improve the Vibration behavior but - here the cause - must lead to a relief of the rolling bearings on the connecting rod.
  • the ratio between the oscillating mass m osz of the piston drive, piston ring, piston pin bearing and the oscillating part of the connecting rod crank mechanism and the effective surface of the piston A piston should be in the range of 10 to 20.
  • a piston in cm 2 and m osz in g must be indicated.
  • a particularly minimal bearing load is created, which additionally contributes to the service life extension. Said ratio brings the benefit of the invention, especially in the field of the use of particularly heavy pistons. This would be in this case then pay attention.
  • the conical bearing to be formed in the manner of a roller bearing should preferably be designed in the form of at least one ball bearing.
  • the connecting rod bearing is designed as a double-row ball bearing, which causes a corresponding broadening of the space required for the connecting rod bearing;
  • the critical in terms of a minimal space dimension of the bearing diameter can be kept very low thereby.
  • For a double-row ball bearing has a smaller outer diameter compared to a comparable single-row ball bearing.
  • the connecting rod bearing should be equipped with a grease filling for permanent lubrication. This measure also contributes to maximizing the service life.
  • the dry-running piston compressor according to the invention can be designed as a single-cylinder or multi-cylinder compressor. Likewise, in the case of multi-cylinder compressors, multi-stage compression with at least one low-pressure stage and at least one high-pressure stage is possible.
  • a reciprocating compressor 1 is arranged within a payload or rail vehicle between a motor 2 for driving the vehicle and a support frame 3, not shown here.
  • the motor 2 for driving the vehicle also serves to drive the reciprocating compressor. 1
  • the reciprocating compressor 1 has a crankcase 4, to which a pot-like cylinder 5 is attached via a - not visible here - screw.
  • the cup-shaped cylinder 5 is provided with a cylinder head 6, through which - in a conventional manner - the suction of air from the atmosphere and the delivery of the compressed air generated in the cylinder 5 via a valve assembly integrated therein.
  • back and forth movable piston 7 For generating compressed air in the cylinder 5 back and forth movable piston 7 is provided.
  • the piston 7 is pivotally mounted on a connecting rod 8 and is at the opposite end via a connecting rod bearing 9 with the crankshaft 10 in connection.
  • the limiting circle K clarifies that in this conventional selection of the connecting rod bearing 9, the space between the engine 2 of the utility vehicle and the support frame 3 would not be sufficient to accommodate this dry-running reciprocating compressor here.
  • the prevailing space conditions are given by commercial vehicle manufacturers, however, as structural boundary conditions and normally provided for the installation of comparatively small-scale oil-lubricated piston compressor, which, however, cause the problems described above.
  • FIG. 2 the space conditions in a dry-running reciprocating compressor designed according to the invention are illustrated by comparison.
  • the crankcase 4 of this piston compressor 1 ' may have smaller outer dimensions, so that this fits into the limited space between the engine 2 and support frame 3 of the commercial vehicle.
  • the reason for this are the comparatively smaller connecting rod bearings 9, the diameter of which determines the construction space.
  • Rotation speed: n 2400 rpm aids: FAG Rolling Bearings, WL 41 520/3 DB Catalog Edition 1999
  • the bearing load P is 8860 N.
  • This bearing would therefore have a fairly large outer diameter of 120 mm .
  • Lifetime exponent p 3 for ball bearings
  • the bearing would reach a calculated running time of only 365 h, which however does not apply to the dry running piston compressor.
  • the practice shows that the much smaller bearing here reaches a duration of over 5000 h.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract

Trockenlaufender Kolbenverdichter mit einem Kurbelgehäuse (4), an dem zumindest ein topfartiger Zylinder (5) mit einem zugeordneten innenliegenden Kolben (7) angeordnet ist, der mittels eines Pleuels (8) mit einer im Kurbelgehäuse (4) drehbar gelagerten Kurbelwelle (10) verbunden ist, wobei das kurbelwellenseitige Ende des Pleuels (8) über ein nach Art eines Wälzlagers ausgeführtes Pleuellager (9) an der Kurbelwelle (10) gelagert ist, wobei das Pleuellagers (9) eine Belastungskennzahl BPleuel in einem Bereich von 2 bis 6 aufweist, die sich aus folgender Formel ergibt: BPleuel = Cdyn.[N] / (AKolben[mm2]·pVerdichter[N/mm2]), wobei Cdyn. für die dynamische Lagertragzahl, AKolben für die Kolbenfläche und pVerdichter für den Nennarbeitsdruck stehen.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen trockenlaufenden Kolbenverdichter mit einem Kurbelgehäuse, an dem zumindest ein topfartiger Zylinder mit einem zugeordneten innenliegenden Kolben angeordnet ist, der mittels eines Pleuels mit einer im Kurbelgehäuse drehbar gelagerten Kurbelwelle verbunden ist, wobei das kurbelwellenseitige Ende des Pleuels über ein nach Art eines Wälzlagers ausgeführtes Pleuellager an der Kurbelwelle gelagert ist.
  • Das Einsatzgebiet der vorliegenden Erfindung erstreckt sich vornehmlich auf den Nutz- und Schienenfahrzeugbereich. Hier kommen Kolbenverdichter zur Erzeugung von Druckluft zum Einsatz, welche insbesondere für den Betrieb der Druckluft-Bremsanlage benötigt werden. Im Nutzfahrzeugbereich wurden bisher überwiegend ölgeschmierte Kolbenverdichter eingesetzt; die vorliegende Erfindung bezieht sich jedoch auf trockenlaufende, das heißt ölfreie Kolbenverdichter, welche sich speziell für den Einsatz im Nutz- und Schienenfahrzeugbau eignen.
  • Bei den allgemein im Stand der Technik bekannten ölgeschmierten Kolbenverdichtern hat die Ölschmierung zur Folge, dass die Druckluft ölhaltig ist. Das Kondensat, welches bei der anschließenden Lufttrocknung anfällt, muss wegen des Ölgehalts aus Umweltschutzgründen in beheizbaren Behältern gesammelt und in regelmäßigen Zeitabständen zur Entsorgung abgelassen werden. Dies führt zu einem erhöhten Wartungs- und Entsorgungsaufwand. Hinzu kommen häufig auftretende Probleme einer Emulsionsbildung im Ölkreislauf herkömmlicher ölgeschmierter Kolbenverdichter, die gewöhnlich während des Winterbetriebs bei niedriger Belastung auftreten. Besondere Probleme entstehen bei dem Einsatz ölgeschmierter Kolbenverdichter in Nutzfahrzeugen. Seitlich am Verbrennungsmotor des Nutzfahrzeuges -angeflanschte, direkt angetriebene Kolbenverdichter werden mit hoher Drehzahl und Leistungsdichte betrieben, woraus ein besonders hoher Ölausstoß ins pneumatische System resultiert, was zwangsläufig zur Verölung der nachgeschalteten Komponenten führt. Darüber hinaus werden diese Kolbenverdichter in der Regel einstufig bei hohen Verdichtungstemperaturen betrieben, wodurch das Öl an den Druckausgängen der Ventile thermisch derart hoch beansprucht wird, dass es zum Cracken kommen kann. Hierdurch entstehen Verkokungen, welche von der Druckluft ins pneumatische System getragen werden und Folgeschäden an den nachgeschalteten Komponenten verursachen.
  • In jüngster Zeit werden daher verstärkt Anstrengungen unternommen, anstelle von ölgeschmierten Kolbenverdichtern bei Nutzfahrzeugen trockenlaufende Kolbenverdichter zum Einsatz zu bringen. Bisher scheiterte dies daran, dass trockenlaufende Ölverdichter über vergleichsweise größere geometrische Abmessungen verfügen, um eine mit ölgeschmierten Kolbenverdichtern vergleichbare Förderleistung zu bringen. Da jedoch bei Nutzfahrzeugen nur ein sehr knapper Bauraum zur Unterbringung der Verdichtereinheit zur Verfügung steht, stießen derartige Bestrebungen bisher auf Hindernisse.
  • Aus der DE 101 09 S 14 C1 ist ein gattungsgemäßer trockenlaufenden Kolbenverdichter bekannt, der hier insbesondere zum Einsatz innerhalb von Schienenfahrzeugen konzipiert ist. Der trockenlaufende Kolbenverdichter besitzt ein Kurbelgehäuse für eine hierin drehbar gelagerte Kurbelwelle. Außen an dem Kurbelgehäuse sind mehrere topfartige Zylinder mit jeweils zugeordneten innenliegenden Kolben vorgesehen, wobei die Kurbelwelle über ein Pleuellager als erste Lagerstelle mit einem Ende des Pleuels in Verbindung steht, um die Drehbewegung der Kurbelwelle in eine lineare Bewegung für den am anderen Ende des Pleuels über ein Kolbenbolzenlager als zweite Lagerstelle gelagerten Kolben umzuwandeln. Der trockenlaufende Kolbenverdichter arbeitet ohne ein im Kurbelgehäuse befindliches Schmieröl. Stattdessen wird die Schmierung an der Kolbenlaufbahn durch eine besonders reibungsarme dynamische Dichtungsanordnung ersetzt. Alle drehenden Bauteile sind darüber hinaus wälzgelagert. Die gekapselten Wälzlager werden dabei mit einer temperaturbeständigen, langlebigen Fettftillung versehen. Im Ventilbereich werden gleitgeführte Bauteile weitestgehend vermieden. Durch die Summe dieser Maßnahmen ist eine Ölschmierung im Kolbenverdichter entbehrlich. Folglich kann beispielsweise auch die Gefahr eine Verölung der vom Kolbenverdichter erzeugten Druckluft ausgeschlossen werden.
  • Jedoch ist in den betreffenden Fahrzeugen der Einsatz eines ölfreien Kolbenverdichters bisher nicht möglich gewesen, da dieser direkt am Verbrennungsmotor (Dieselmotor) seitlich anzuflanschen ist, wobei zwischen Fahrzeugträger und Verbrennungsmotor nur ein eng begrenzter Einbauraum zur Verfügung steht. Durch den Einsatz eines wälzgelagerten Pleuels, so wie es die ölfreie Bauweise eines Kolbenverdichters notwendig macht, verbreitert sich der Kolbenverdichter mindestens um die doppelte Einbaubreite des Wälzlagers, so dass ein trockenlaufender Kolbenverdichter als Ersatz für einen herkömmlichen ölgeschmierten Kolbenverdichter mit gleicher Förderleistung bisher nicht in Frage kam.
  • Das bei einem ölfreien Kolbenverdichter als Wälzlager ausgebildete Pleuellager wurde stets nach den Vorschriften des Standes der Technik dimensioniert. Eine solche Vorschrift enthält die Druckschrift "FAG Wälzlager, WL 41 520/3 DB -Katalog Ausgabe 1999". Die klassische Lagerdimensionierung für den vorliegenden Fall einer Pleuellagerung erfolgt durch die Ermittlung der maximalen Kolbenkraft, welche sich aus Kolbenfläche multipliziert mit dem maximalen auf die Kolbenfläche wirkenden Druck ergibt. Zur Lebensdauerauslegung von Wälzlagerungen wird der Zusammenhang L = ( C / P ) p
    Figure imgb0001
     verwendet, wobei C = dynamische Tragzahl, P = Lagerbelastung, p = Lebensdauerexponent ist. Die Lagerauswahl erfolgt letztendlich auf der Grundlage der sich aus dieser Formel ergebenden Tragzahl durch entsprechende mathematische Umformschritte. Tragzahlen von Wälzlagern sind genormt und basieren auf DIN ISO 281 sowie DIN ISO 76. Die dynamische Tragzahl C ist definiert als die Belastung unveränderlicher Größe und Richtung, bei der eine genügend große Menge gleicher Lager eine nominelle Lebensdauer von 1 Million Umdrehungen erreicht.
  • Eine besondere Problematik hinsichtlich der Auswahl des Pleuellagers ergibt sich - wie vorstehend erläutert - aus den Bauraumbegrenzungen bei Nutzfahrzeugen, so dass nur sehr kleinbauende Wälzlager als Pleuellager in Frage kommen würden. Insbesondere würden also Wälzlager nach Art eines Nadellagers oder kleinrollige Zylinderrollenlager in Betracht kommen. Jedoch können diese Lagertypen wegen der verstärkten Fettalterung aufgrund der erhöhten Walkarbeit nicht nur die für Kolbenverdichter in Nutzfahrzeugen geforderten Betriebszeiten nicht erbringen; unter reellen Betriebsbedingungen würden diese Lagertypen auch schnell zu Lagerausfällen und Verdichterschäden führen. Andere Lagertypen mit geringerer Schmierstoffbelastung sind jedoch nach dem Stand der Technik entsprechend der vorstehend beschriebenen Vorschrift so groß zu dimensionieren, dass die Größe des Kurbeltriebs und insbesondere die Breite desselben jeden Einsatz in einem Nutzfahrzeug an einem technisch sinnvollen Einbauort ausschließen würden.
  • Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen trockenlaufenden Kolbenverdichter zu schaffen, welcher im Vergleich zu einem ölgeschmierten Kolbenverdichter gleicher Förderleistung nur dessen Bauraum beansprucht, und zwar bei mindestens derselben Lebensdauer.
  • Die Aufgabe wird ausgehend von einem trockenlaufenden Kolbenverdichter gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Die nachfolgenden abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder.
  • Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass das bauraumkritische Pleuellager seitens der Kurbelwelle eine Belastungskennzahl BPleuel in einem Bereich von 2 bis 6 aufweist, die sich aus folgender Formel ergibt: B Pleuel = C dyn . ( N ) / ( A Kolben   [ mm 2 ] ⋅ p Verdichter   [ N / mm 2 ] )
    Figure imgb0002
  • Das bedeutet nach mathematischer Umformung, dass die Auswahl des Pleuellagers anhand der dynamischen Lagertragzahl Cdyn durch folgende Formel erfolgt: C dyn . = A Kolben ⋅ ( 2 … 6 ) ⋅ p Verdichter
    Figure imgb0003
  • Eine Auslegung des Pleuellagers nach dieser Vorschrift gewährleistet eine ausreichende Lebensdauer und ermöglicht eine Verkleinerung der geometrischen Abmessungen des trockenlaufenden Kolbenverdichters. Die erfinderische Leistung besteht darin, dass bei praktischen Versuchen überraschenderweise festgestellt wurde, dass bei einem trockenlaufenden Kolbenverdichter die sogenannte dynamisch äquivalente Lagerbelastungsermittlung (besagter FAG- Katalog "Wälzlager", S. 32) auch für pulsierende Drehzahlen der Lagerauslegung zugrunde gelegt werden kann. Darüber hinaus wurde mit stark unterdimensionierten Lagern experimentiert, was der Fachmann aufgrund der gängigen Vorschriften zur Lagerauslegung nicht tun würde. Ausgangspunkt für die einen neuen Weg gehenden Überlegungen waren Erkenntnisse aus der Schwingungsoptimierung bezüglich des Einsatzes schwerer Kolben, die auf die Lagerauslegung übertragen wurden. Kern des neuen Gedankengangs ist die Tatsache, dass die Bewegungsenergie schwerer Kolben, so wie diese auch bei trockenlaufenden Kolbenverdichtern verwendet werden, aufgrund der Führungslänge des schweren Kolbenbolzens und des Einsatzes eines Wälzlagers am Kolben in die Verdichtungsenergie umgesetzt wird, was nicht nur zu einer Verbesserung des Schwingungsverhaltens sondern - hier ursächlich - zu einer Entlastung der Wälzlager am Pleuel führen muss.
  • Die Zusammenfassung dieser Überlegungen, welche durch die praktischen Versuche bestätigt werden konnten, führte zu der Erkenntnis, dass die Lagerauslegung und Dimensionierung bei dem speziellen Einsatzfall eines trockenlaufenden Kolbenverdichters in einen bisher nicht verwendeten Bereich gelegt werden kann, der sich mit 2 ≤ C dyn / ( A Kolben ⋅ p Verdichter ) ≤ 6
    Figure imgb0004
     beschreiben lässt, wobei AKolben die Kolbenfläche in mm2, pVerdichter den Nennarbeitsdruck des Verdichters in N/mm2 und Cdyn die dynamische Lagertragzahl in N angibt.
  • Nach den Dimensionierungsvorschriften des Standes der Technik würde sich im Gegensatz zu der erfindungsgemäßen Lösung eine Belastungskennzahl BPleuel von weit mehr als 6 ergeben.
  • Gemäß einer weiteren, die Erfindung verbessernden Maßnahme sollte das Verhältnis zwischen der oszillierenden Masse mosz des aus Kolben, Kolbenring, Kolbenbolzenlager und dem oszillierenden Teil des Pleuels bestehenden Kurbeltriebes und der Wirkfläche des Kolbens AKolben im Bereich von 10 bis 20 liegen. Hierbei ist AKolben in cm2 und mosz in g anzugeben. Im Bereich dieses Verhältnisses zwischen Kolbenfläche und oszillierender Masse stellt sich eine besonders minimale Lagerbelastung ein, was zusätzlich zur Lebensdauerverlängerung beiträgt. Das besagte Verhältnis bringt den erfindungsgemäßen Nutzen insbesondere im Bereich des Einsatzes besonders schwerer Kolben. Hierauf wäre in diesem Falle dann zusätzlich zu achten.
  • Das nach Art eines Wälzlagers auszubildende Pleuellager sollte vorzugsweise in Form mindestens eines Kugellagers ausgeführt werden. Es ist jedoch auch denkbar, dass das Pleuellager als zweireihiges Kugellager ausgeführt wird, was zwar eine entsprechende Verbreiterung des für das Pleuellager erforderlichen Bauraums verursacht; das im Hinblick auf einen minimalen Bauraum kritische Maß des Lagerdurchmessers kann aber hierdurch besonders gering gehalten werden. Denn ein zweireihiges Kugellager weist gegenüber einem vergleichbaren einreihigen Kugellager einen geringeren Außendurchmesser auf.
  • Natürlich ist es auch möglich, das Kugellager als gepaartes Kugellager auszuführen, wobei sich die dynamische Lagertragzahl Cdyn des Pleuellagers aus der Summe der Einzeltragzahlen beider Kugellager ergibt.
  • Das Pleuellager sollte mit einer Fettfüllung zur Dauerschmierung ausgestattet sein. Diese Maßnahme trägt ebenfalls zur Maximierung der Lebensdauer bei.
  • Der erfindungsgemäße trockenlaufende Kolbenverdichter kann als ein- oder mehrzylindriger Verdichter ausgeführt sein. Ebenfalls ist im Falle mehrzylindriger Verdichter eine mehrstufige Verdichtung mit mindestens einer Niederdruckstufe und mindestens einer Hochdruckstufe möglich.
  • Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels mit Berechnungsbeispiel anhand einer Figur im Vergleich zum Stand der Technik näher dargestellt. Es zeigt:
    • Figur 1
    eine Anordnung eines trockenlaufenden Kolbenverdichters in einem Nutzfahrzeug bei herkömmlicher Auslegung des Pleuellagers, und
    Figur 2
    eine Anordnung eines trockenlaufenden Kolbenverdichters in einem Nutzfahrzeug bei erfindungsgemäßer Auslegung des Pleuellagers.
  • Gemäß Figur 1 ist ein Kolbenverdichter 1 innerhalb eines - hier nicht weiter dargestellten - Nutz- bzw. Schienenfahrzeuges zwischen einem Motor 2 zum Antrieb des Fahrzeugs und einem Tragrahmen 3 angeordnet. Der Motor 2 zum Antrieb des Fahrzeuges dient gleichzeitig auch zum Antrieb des Kolbenverdichters 1.
  • Der Kolbenverdichter 1 besitzt ein Kurbelgehäuse 4, an welchem ein topfartiger Zylinder 5 über eine - hier nicht weiter erkennbare - Schraubverbindung angebracht ist. Der topfartige Zylinder 5 ist mit einem Zylinderkopf 6 versehen, durch welchen - in an sich bekannter Weise - das Ansaugen von Luft aus der Atmosphäre und die Abgabe der im Zylinder 5 erzeugten Druckluft über eine hierin integrierte Ventilanordnung erfolgt.
  • Zur Drucklufterzeugung ist ein im Zylinder 5 hin und her bewegbarer Kolben 7 vorgesehen. Der Kolben 7 ist schwenkbar an einem Pleuel 8 gelagert und steht am gegenüberliegenden Ende über ein Pleuellager 9 mit der Kurbelwelle 10 in Verbindung.
  • Bei diesem, dem Stand der Technik entsprechenden Ausführungsbeispiel erfolgte die Auswahl des als Wälzlager ausgeführten Pleuellagers 9 mittels herkömmlicher Berechnungsvorschriften. Dies führt erkennbarer Weise dazu, dass besonders großbauende Pleuellager 9 ausgewählt werden, um eine genügende Lebensdauer zu erhalten.
  • Der Begrenzungskreis K verdeutlicht, dass bei dieser herkömmlichen Auswahl der Pleuellager 9 der Bauraum zwischen dem Motor 2 des Nutzfahrzeuges und des Tragrahmens 3 nicht ausreichen würde, um hier diesen trockenlaufenden Kolbenverdichter unterzubringen. Die herrschenden Platzverhältnisse sind von Nutzfahrzeugherstellern allerdings als bauliche Randbedingungen vorgegeben und normalerweise für den Einbau vergleichsweise kleinerbauender ölgeschmierter Kolbenverdichter vorgesehen, welche jedoch die eingangs dargestellten Probleme verursachen.
  • In der Figur 2 sind im Vergleich hierzu die Platzverhältnisse bei einem erfindungsgemäß ausgebildeten trockenlaufenden Kolbenverdichter veranschaulicht. Das Kurbelgehäuse 4 dieses Kolbenverdichters 1' kann geringere äußere Abmessungen aufweisen, so dass dieses in den begrenzten Bauraum zwischen Motor 2 und Tragrahmen 3 des Nutzfahrzeuges passt. Ursache hierfür sind die vergleichsweise kleineren Pleuellager 9, deren Durchmesser bauraumbestimmend ist.
  • Die nachfolgenden Rechenbeispiele verdeutlichen die mit der Erfindung erzielten Vorteile anhand eines Vergleichs zwischen der Auswahl eines Pleuellagers nach der herkömmlichen Vorschrift im Vergleich zu der neuen Vorschrift:
    • Als gegeben gelten folgende Größen
  • Kolbendurchmesser: dKolben = 95mm
    Systemdruck: p = 12,5 bar = 1,25 N/mm2
    Mittl. Drehzahl: n = 2400 1/min
    Hilfsmittel: FAG Wälzlager, WL 41 520/3 DB -Katalog Ausgabe
    1999
    • 1. Berechnung der Lagerbelastung P
  • Kolbenfläche: AKolben = (π/4) · dKolben 2 = 7088mm2
    Lagerbelastung: P = AKolben · p = 8860N
  • Die Lagerbelastung P beträgt 8860 N.
    • 2. Auswahl des Lagers nach Stand der Technik (Rillenkugellager DIN 625)
  • gemäß o.g. FAG-Katalog,
    Seite 164-165 Rillenkugellager Typ 6311
    Außendurchmesser 120 mm
    Cdyn = 76500 N/mm2
  • Dieses Lager würde also einen recht großen Außendurchmesser von 120 mm aufweisen.
    • 3. Nachweisrechnung für Lagerlebensdauer
  • lt. vorgenanntem Katalog: Lebensdauerexponent p = 3 für Kugellager
    L10 = (Cdyn / P)p = (76500 / 8860)3 = 644 Mio. Umdrehungen
    L10h = (1000000/60 · n) · L10 = (1000000 / (60 · 2400)) - 644 = 4470 h
  • In Ergebnis dessen würde das Lager eine genügende rechnerische Laufzeit von 4470 h erreichen. Aus folgenden Gründen ist dies jedoch ein Trugschluss:
    • 4. Vergleichsrechnung über Ermittlung Belastungskennzahl
  • BPleuel = 76500N / (952 · π /4) (mm2) · 1,25 (N/mm2) = 8,6
    Entsprechend der Belastungskennzahl von BPleuel = 8,6 wäre das Lager jedoch zu groß und könnte kleiner sein, da für den trockenlaufenden Kolbenverdichter eine Belastungskennzahl von BPleuel = 2 ... 6 ausreichend ist.
    • 5. Auswahl eines kleineren Lagers (Rillenkugellager DIN 625)
  • Wird eine kleinere dyn. Lagertragzahl von
    Cdyn = 33200 N (2 x 16600N)
    angenommen, ergibt sich gemäß FAG-Katalog, Seite 160-161: Rillenkugellager Typ 6008 mit Außendurchmesser 68mm. Dieses Lagerpaar würde also einen vergleichsweise kleinen Außendurchmesser von 68 mm aufweisen.
    • 6. Ermittlung Belastungskennzahl für das kleinere Lager
  • BPleuel = 33200N / (952 · π /4) (mm2) · 1,25 (N/mm2) = 3,75
  • Entsprechend der Belastungskennzahl von BPleuel = 3,75 wäre das Lager in dem zulassigen Bereich der Belastungskennzahl für den trockenlaufenden Kolbenverdichter von BPleuel = 2 ... 6.
    • 7. Vergleich mit Nachweisrechnung der Lagerlebensdauer für das kleinere Lager
  • Voraussetzung: Für Wälzlager gilt ein Lebensdauerexponent von 3
    L10 = (Cdyn/P)p = (33200/8860)3 = 52,6 Mio. Umdrehungen
    L10h = (1000000/60 · n) x L10 = (1000000/(60 · 2400)) · 52,6 = 365 h
  • Im Ergebnis der klassischen Lebensdauerberechnung würde das Lager eine rechnerische Laufzeit von nur 365 h erreichen, was jedoch bei dem trockenlaufenden Kolbenverdichter nicht zutrifft. Tatsächlich zeigt die Praxis, dass das viel kleinere Lager hier eine Laufzeit von über 5000 h erreicht.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Kolbenverdichter
    2
    Motor
    3
    Tragrahmen
    4
    Kurbelgehäuse
    5
    Zylinder
    6
    Zylinderkopf
    7
    Kolben
    8
    Pleuel
    9
    Pleuellager
    10
    Kurbelwelle
    K
    Begrenzungskreis

Claims (8)

  1. Trockenlaufender Kolbenverdichter mit einem Kurbelgehäuse (4), an dem zumindest ein topfartiger Zylinder (5) mit einem zugeordneten innenliegenden Kolben (7) angeordnet ist, der mittels eines Pleuels (8) mit einer im Kurbelgehäuse (4) drehbar gelagerten Kurbelwelle (10) verbunden ist, wobei das kurbelwellenseitige Ende des Pleuels (8) über ein nach Art eines Wälzlagers ausgeführtes Pleuellager (9) an der Kurbelwelle (10) gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Pleuellager (9) eine Belastungskennzahl BPleuel in einem Bereich von 2 bis 6 aufweist, die sich aus folgender Formel ergibt: B Pleuel = C dyn [ N ] / ( A Kolben [ mm 2 ] ⋅ p Verdlichter [ N / mm 2 ] )
    Figure imgb0005
  2. Trockenlaufender Kolbenverdichter nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis zwischen der oszillierenden Masse mosz [g] des aus Kolben (7), Kolbenring, Kolbenbolzenlager und dem oszillierenden Teil des Pleuels (8) bestehenden Kurbeltriebes und der Wirkfläche des Kolbens (7) AKolben [cm2] im Bereich von 10 bis 20 liegt.
  3. Trockenlaufender Kolbenverdichter nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass das nach Art eines Wälzlagers ausgebildete Pleuellager (9) als mindestens ein Kugellager ausgeführt ist.
  4. Trockenlaufender Kolbenverdichter nach Anspruch 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass das Pleuellager (9) als zweireihiges Kugellager ausgefiihrt ist.
  5. Trockenlaufender Kolbenverdichter nach Anspruch 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass das Pleuellager (9) als gepaartes Kugellager ausgeführt ist, wobei sich die dynamische Lagertragzahl Cdyn. des Pleuellagers (9) aus der Summe der Einzeltragzahlen beider Kugellager ergibt.
  6. Trockenlaufender Kolbenverdichter nach Anspruch 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass das Pleuellager (9) mit einer Fettfüllung zur Dauerschmierung ausgestattet ist.
  7. Trockenlaufender Kolbenverdichter nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dieser als mehrstufiger Verdichter mit mindestens einer Niederdruckstufe und mindestens einer Hochdruckstufe ausgeführt ist.
  8. Nutzfahrzeug, umfassend einen trockenlaufenden Kolbenverdichter nach einem der vorstehenden Ansprüche, welcher zwischen einem den Kolbenverdichter (1') antreibenden Motor (2) und einem Tragrahmen (3) angeordnet ist.
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