EP1707812B1 - Hubkolbenmaschine - Google Patents
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- 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
- F04B39/0094—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 crankshaft
Definitions
- the invention relates to a reciprocating piston engine, in particular reciprocating compressor, according to the preambles of claims 1 and 3.
- the object of the present invention is to provide a reciprocating engine, in particular a reciprocating compressor of the type mentioned in such a way that even when using inexpensive cuff seals and inexpensive needle roller bearings premature failure is avoided by drive shaft bends and a long life is achieved.
- the invention proposes to arrange the connecting rod relative to the drive shaft in a drive shaft deflection counteracting skew or to arrange the connecting rod in a, a drive shaft deflection counteracting, inclined position, wherein the inclination of the connecting rod is realized by an inclined position of the drive shaft.
- edge forces are reduced to the needle bearing, so that its life is increased.
- the full inclination is effective;
- the needle roller sleeve moves virtually without radial force.
- the angular position between connecting rod and drive shaft is realized by an oblique crankshaft bore for the drive shaft.
- the drive shaft bending can also be caused by a misalignment of the crankshaft journal bore in the crankshaft, by a misalignment of the cylindrical housing block bore for the piston or by a misalignment the bearing bore in the connecting rod for the crankshaft journal can be compensated.
- FIG. 1 shows in the Figures 1-3 a compressor 2 with a housing block 4, with a cylinder 6 in the form of a housing block bore, with a piston 6 sealed in the cylinder 6 by means of a collar seal 7 running piston, with a working on a crankshaft 10 drive motor (not shown), the drive shaft 12 of a bore 14 of the crankshaft 10 is received, and with a connecting rod 16 for articulated connection of a crankshaft journal 18 of the crankshaft 10 with the piston 8 in a connecting rod needle bearing 20.
- the piston 8 is formed integrally with the connecting rod 16.
- the Fig. 1 shows the piston 8 at top dead center
- the Fig. 2 shows the piston 8 at top dead center at low pressure
- Fig. 3 shows the piston 8 at top dead center at high pressure.
- connecting rod 16 has a connecting rod 17, at one end of the molded disc-shaped piston 8 is arranged and at the other end a connecting rod bearing eye 24 is provided with bearing bore 25 which receives the needle bearing 20 and therein the crankshaft journal 18.
- the piston 8 has a peripheral step 26, to which the boot seal 7 is pressed by means of a clamping ring 28.
- the Fig. 6-9 show the crankshaft 10 with the bore 14 for the drive shaft 12 and with a bore 30 for receiving the crankshaft journal 18th
- the crankshaft 10 has a flange 34 divided by a slot 32 into two flange portions 34 ', 34 ".
- the flange portions 34 'and 34' ' are provided with mutually aligned bores 36, 38 for a clamping screw (not shown) for clamping the drive shaft 12th
- the bore 14 in the crankshaft 10 for the drive shaft 12 is formed to compensate for the drive shaft bending occurring during operation obliquely at an angle ⁇ (0.0 ° ⁇ ⁇ 1.5 °) relative to the vertical, which is schematically shown in the Fig. 7 is drawn, so that the drive shaft 12 relative to the connecting rod 16 has an angular position ⁇ and the connecting rod experiences a corresponding skew, which counteracts the drive shaft bending.
- the angular position between connecting rod and drive shaft is realized by an oblique crankshaft bore for the drive shaft.
- the drive shaft bending can also be compensated by a misalignment of the drive shaft, by a misalignment of the crankshaft journal bore in the crankshaft, by a misalignment of the cylindrical housing block bore for the piston or by a misalignment of the bearing bore in the connecting rod for the crankshaft journal.
- crank angle or connecting rod tilting angle of approximately 0.55 ° occurs due to the drive shaft bending, which causes the connecting rod to migrate by X.
- Fig. 2 is shown schematically, this crank angle or Pleuelkippwinkel reduced by an angular position or inclination of the bore 14 for the drive shaft 12 by the angle ⁇ to about 0.1 ° and moves the connecting rod 16 only to Y, which in the Fig. 3 is shown schematically when ⁇ ⁇ 0.55 ° is selected, so that the radial forces on the boot seal 7 and the edge forces on the needle roller bearing 20 are negligibly small.
- the drive of the compressor can, for example, instead of the aforementioned direct drive by the electric motor by a belt drive, i. indirectly via the electric motor.
- the compressor is driven via a drive shaft connected to a pulley.
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Description
- Die Erfindung betrifft eine Hubkolbenmaschine, insbesondere Kolbenkompressor, gemäß den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 3.
- Bei den in Kraftfahrzeugen eingesetzten Kleinkompressoren treten im Betrieb vor allem im hohen Druckbereich relativ starke Durchbiegungen der Antriebswelle auf, durch die eine Kraft in Wellenlängsrichtung entsteht, die die Kolbendichtung und das Pleuellager stark belastet. Diese Belastung verursacht erhöhten Verschleiß der Kolbendichtung, was sich vor allem bei Verwendung preiswerter Manschettendichtungen bemerkbar macht, und des Pleuellagers, insbesondere bei Verwendung von preiswerten Nadellagern, deren Standzeit sich durch die durch die Durchbiegung der Antriebswelle verursachte Kantenpressung drastisch verringert. Der Verschleiß führt zu einem vorzeitigen Ausfall des Kompressors. Es wurden daher in der Vergangenheit teure, verschleißfestere und stabilere Bauteile, wie Kolbenringe als Kolbendichtung und Kugellager als Pleuellager verwendet.
- Dokument
US 2004/0042919 A offenbart eine Hubkolbenmaschine gemäß dem Stand der Technik. - Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Hubkolbenmaschine, insbesondere einen Kolbenkompressor, der eingangs genannten Art so auszubilden, dass auch bei Verwendung preiswerter Manschettendichtungen und preiswerter Nadellager ein vorzeitiger Ausfall durch Antriebswellenbiegungen vermieden ist und eine lange Lebensdauer erreicht wird.
- Diese Aufgabe wird durch die Erfindung gemäß den Ansprüchen 1 und 3 gelöst.
- Vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen der Aufgabenlösung sind in den Unteransprüchen angegeben.
- Die Erfindung schlägt vor, das Pleuel relativ zur Antriebswelle in einer einer Antriebswellendurchbiegung entgegenwirkenden Schrägstellung anzuordnen oder das Pleuel in einer, einer Antriebswellendurchbiegung entgegenwirkenden, Schrägstellung anzuordnen, wobei die Schrägstellung des Pleuels durch eine Schrägstellung der Antriebswelle realisiert ist. Diese Maßnahmen haben gezeigt, dass der Verschleiß der Manschettendichtung und des Nadellagers erheblich reduziert werden kann. Durch die Schrägstellung entsteht bei jedem Druck ein Kraftvektor, der das Pleuel immer in Richtung Kurbelwelle mit Zapfen drückt. Dies hat den Vorteil, dass das Pleuel frei beweglich gelagert werden kann. Das Pleuel wird im hohen Druckbereich nur noch geringfügig ausgeknickt. Die Radialkräfte auf die Manschette werden verringert, wodurch der Materialabrieb gleichmäßiger wird und der Verschleiß verringert wird, so dass die Manschette länger hält. Außerdem verringern sich die Kantenkräfte auf das Nadellager, so dass dessen Lebensdauer erhöht wird. Im niedrigen Druckbereich ist zwar die volle Schrägstellung wirksam; da aber die von der Antriebswelle ausgehenden Druckkräfte bei null liegen, bewegt sich die Nadellager-Hülse praktisch ohne radiale Krafteinwirkung.
- Die Winkelstellung zwischen Pleuel und Antriebswelle wird durch eine schräge Kurbelwellenbohrung für die Antriebswelle realisiert. Die Antriebswellenbiegung kann auch durch eine Schiefstellung der Kurbelwellenzapfenbohrung in der Kurbelwelle, durch eine Schiefstellung der zylindrischen Gehäuseblock-Bohrung für den Kolben oder durch eine Schiefstellung der Lagerbohrung im Pleuel für den Kurbelwellenzapfen kompensiert werden.
- Die Erfindung soll nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung, in der ein Ausführungsbeispiel dargestellt ist, näher erläutert werden.
-
- Fig. 1
- eine 2D-Teildarstellung eines erfindungsgemäß ausgebildeten Kompressors mit einem Kolben im oberen Totpunkt,
- Fig. 2
- eine 2D-Teildarstellung des erfindungsgemäßen Kompressors mit dem Kolben im oberen Totpunkt im unteren Druckbereich,
- Fig. 3
- eine 2D-Teildarstellung des erfindungsgemäßen Kompressors mit dem Kolben im oberen Totpunkt im oberen Druckbereich,
- Fig. 4
- eine Ansicht eines beim erfindungsgemäßen Kompressor eingesetzten Pleuels,
- Fig. 5
- einen Schnitt A-A durch das Pleuel nach
Fig. 4 , - Fig. 6
- eine Seitenansicht einer beim erfindungsgemäßen Kompressor verwendeten Kurbelwelle,
- Fig. 7
- einen Schnitt A-A durch die Kurbelwelle nach
Fig. 6 , - Fig. 8
- eine Seitenansicht der Kurbelwelle mit eingesetztem Kurbelwellen-Zapfen und
- Fig. 9
- einen Schnitt A-A durch die Kurbelwelle nach
Fig. 8 - Gleiche und einander entsprechende Bauteile in den Figuren der Zeichnung sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
- Die Zeichnung zeigt in den
Figuren 1-3 einen Kompressor 2 mit einem Gehäuseblock 4, mit einem Zylinder 6 in Form einer Gehäuseblockbohrung, mit einem im Zylinder 6 mittels einer Manschettendichtung 7 abgedichtet laufenden Kolben 8, mit einem auf eine Kurbelwelle 10 arbeitenden Antriebsmotor (nicht dargestellt), dessen Antriebswelle 12 von einer Bohrung 14 der Kurbelwelle 10 aufgenommen ist, und mit einem Pleuel 16 zur gelenkigen Verbindung eines Kurbelwellenzapfens 18 der Kurbelwelle 10 mit dem Kolben 8 in einem Pleuel-Nadellager 20. Der Kolben 8 ist einstückig mit dem Pleuel 16 ausgebildet. - Die
Fig. 1 zeigt den Kolben 8 im oberen Totpunkt, dieFig. 2 zeigt den Kolben 8 im oberen Totpunkt bei niedrigem Druck und dieFig. 3 zeigt den Kolben 8 im oberen Totpunkt bei hohem Druck. - Das in den
Fig. 4 und 5 näher dargestellte Pleuel 16 weist einen Pleuelschaft 17 auf, an dessen einem Ende der angeformte scheibenförmige Kolben 8 angeordnet ist und an dessen anderem Ende ein Pleuellagerauge 24 mit Lagerbohrung 25 vorgesehen ist, das das Nadellager 20 und darin den Kurbelwellenzapfen 18 aufnimmt. - Der Kolben 8 weist eine periphere Stufe 26 auf, auf die die Manschettendichtung 7 mittels eines Spannrings 28 aufgepresst ist.
- Die
Fig. 6-9 zeigen die Kurbelwelle 10 mit der Bohrung 14 für die Antriebswelle 12 und mit einer Bohrung 30 zur Aufnahme des Kurbelwellenzapfens 18. - Die Kurbelwelle 10 weist einen durch einen Schlitz 32 in zwei Flanschteile 34', 34' ' geteilten Flansch 34 auf. Die Flanschteile 34' und 34' ' sind mit miteinander fluchtenden Bohrungen 36, 38 für eine Spannschraube (nicht dargestellt) versehen zum Einspannen der Antriebswelle 12.
- Die Bohrung 14 in der Kurbelwelle 10 für die Antriebswelle 12 ist zur Kompensation der im Betrieb auftretenden Antriebswellenbiegung schräg unter einem Winkel α (0,0° < α ≤ 1,5°) gegenüber der Senkrechten ausgebildet, was schematisch in der
Fig. 7 eingezeichnet ist, so dass die Antriebswelle 12 gegenüber dem Pleuel 16 eine Winkelstellung α aufweist und das Pleuel eine entsprechende Schrägstellung erfährt, die der Antriebswellenbiegung entgegenwirkt. - Die Winkelstellung zwischen Pleuel und Antriebswelle wird durch eine schräge Kurbelwellenbohrung für die Antriebswelle realisiert. Die Antriebswellenbiegung kann auch durch eine Schiefstellung der Antriebswelle, durch eine Schiefstellung der Kurbelwellenzapfenbohrung in der Kurbelwelle, durch eine Schiefstellung der zylindrischen Gehäuseblock-Bohrung für den Kolben oder durch eine Schiefstellung der Lagerbohrung im Pleuel für den Kurbelwellenzapfen kompensiert werden.
- Untersuchungen an einem Kraftfahrzeug-Kleinkompressor haben Folgendes ergeben: Wenn bspw. im Betrieb des Kompressors im hohen Druckbereich (bspw. 16 bar) durch die Antriebswellenbiegung ein Kurbelwinkel bzw. Pleuelkippwinkel von ca. 0,55° auftritt, der ein Auswandern des Pleuels um X bewirkt, was in der
Fig. 2 schematisch dargestellt ist, verringert sich dieser Kurbelwinkel bzw. Pleuelkippwinkel durch eine Winkelstellung oder Schrägstellung der Bohrung 14 für die Antriebswelle 12 um den Winkel α auf ca. 0,1° und wandert das Pleuels 16 nur noch um Y aus, was in derFig. 3 schematisch dargestellt ist, wenn α ≥ 0,55° gewählt wird, so dass die Radialkräfte auf die Manschettendichtung 7 und die Kantenkräfte auf das Nadellager 20 vernachlässigbar klein werden. - Im unteren Druckbereich (gegen null bar) tritt praktisch keine Antriebswellenbiegung auf; es ist aber der Winkel α durch die Winkelstellung vorhanden. Dieser wirkt sich aber nicht negativ aus, da in diesem unteren Druckbereich die Druckkräfte praktisch null sind und somit keine zusätzliche Belastung der Manschettendichtung 7 und des Nadellagers 20 auftritt.
- Der Antrieb des Kompressors kann bspw. statt des vorgenannten Direktantriebs durch den Elektromotor auch durch einen Riementrieb, d.h. indirekt über den Elektromotor, erfolgen. Der Kompressor wird dabei über eine mit einer Riemenscheibe verbundene Antriebswelle angetrieben.
Claims (13)
- Hubkolbenmaschine, insbesondere Kolbenkompressor, mit einem Zylinder (6), mit einem im Zylinder (6) abgedichtet laufenden Kolben (8), mit einem auf eine Kurbelwelle (10) arbeitenden Antriebsmotor, dessen Antriebswelle (12) von einer Bohrung (14) der Kurbelwelle (10) aufgenommen ist, und mit einem Pleuel (16) zur gelenkigen Verbindung eines Kurbelwellenzapfens (18) der Kurbelwelle (10) mit dem Kolben (8) in einem Pleuellager (20), dadurch gekennzeichnet, dass das Pleuel (16) relativ zur Antriebswelle (12) in einer einer Antriebswellendurchbiegung entgegenwirkenden Schrägstellung (α) angeordnet ist.
- Hubkolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzielung der Schrägstellung (α) des Pleuels (16) die Kurbelwellenbohrung (14) für die Antriebswelle (12) schräg ausgebildet ist.
- Hubkolbenmaschine insbesondere Kolbenkompressor, mit einem Zylinder (6), mit einem im Zylinder (6) abgedichtet laufenden Kolben (8), mit einem auf eine Kurbelwelle (10) arbeitenden Antriebsmotor, dessen Antriebswelle (12) von einer Bohrung (14) der Kurbelwelle (10) aufgenommen ist, und mit einem Pleuel (16) zur gelenkigen Verbindung eines Kurbelwellenzapfens (18) der Kurbelwelle (10) mit dem Kolben (8) in einem Pleuellager (20), dadurch gekennzeichnet, dass das Pleuel (16) in einer einer Antriebswellendurchbiegung entgegenwirkenden Schrägstellung (α) angeordnet ist, wobei die Schrägstellung des Pleuels (16) durch eine Schrägstellung der Antriebswelle realisiert ist.
- Hubkolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schrägstellung des Pleuels (16) durch eine Schrägstellung der zylindrischen Gehäuseblockbohrung (6) für den Kolben (8) realisiert ist.
- Hubkolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schrägstellung des Pleuels (16) durch eine Schrägstellung der Lagerbohrung (25) im Pleuellagerauge (24) für den Kurbelwellenzapfen (18) realisiert ist.
- Hubkolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schrägstellung des Pleuels (16) durch eine Schiefstellung der Kurbelwellenzapfenbohrung in der Kurbelwelle realisiert ist.
- Hubkolbenmaschine nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass für die Abdichtung des Kolbens (8) gegenüber der zylindrischen Gehäuseblockbohrung (6) eine Elastomerdichtung, insbesondere eine Manschettendichtung (7) oder eine Kolbenringdichtung vorgesehen ist.
- Hubkolbenmaschine nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Pleuellager (20) im Pleuellagerauge (24) für den Kurbelwellenzapfen (18) ein Nadellager, ein Gleitlager oder ein Kugellager ist.
- Hubkolbenmaschine nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurbelwelle (10) einen durch einen Schlitz (32) in zwei Flanschteile (34', 34") geteilten Flansch (34) aufweist, wobei die beiden Flanschteile (34', 34") mit miteinander fluchtenden Bohrungen (36, 38) für eine Spannschraube zum Einspannen der Antriebswelle (10) versehen sind.
- Hubkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel (α) der Schrägstellung zwischen 0° und 1,5° liegt.
- Hubkolbenmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Manschette der Manschettendichtung (7) durch einen Pressring (28) auf einer umlaufenden Stufe (26) des Kolbens (8) fixiert ist.
- Hubkolbenmaschine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (8) einstückig mit dem Pleuel (16) ausgebildet ist.
- Hubkolbenmaschine nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Pleuellager (20) als Nadellager ausgebildet ist, wobei das Pleuellager (20) auf dem Kurbelwellenzapfen (18) axial beweglich ist.
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