EP1872013B1

EP1872013B1 - Axialkolbenverdichter

Info

Publication number: EP1872013B1
Application number: EP06723979.8A
Authority: EP
Inventors: Otfried Schwarzkopf; Jens Dittmar
Original assignee: Valeo Compressor Europe GmbH
Current assignee: Valeo Compressor Europe GmbH
Priority date: 2005-04-19
Filing date: 2006-04-03
Publication date: 2014-11-26
Anticipated expiration: 2026-04-03
Also published as: CN101194104A; JP2008537052A; US7980167B2; JP5071810B2; WO2006111264A1; EP1872013A1; US20090129947A1; DE102005018102A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Axialkolbenverdichter, insbesondere Verdichter für Kraftfahrzeug-Klimaanlagen, gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Im Bereich von Verdichtertriebwerken zeichnet sich eine Tendenz dahingehend ab, daß bei Verdichtern mit variablem Kolbenhub zunehmend Schwenkscheiben in Form eines Schwenkringes, d.h. also ringförmige Schwenkscheiben, Verwendung finden. Ein für das Schwenken der Scheibe notwendiges Kippgelenk wird dabei im wesentlichen in die ringförmige Schwenkscheibe integriert. So ist beispielsweise aus der EP 0 964 997 B1 ein Verdichter bekannt, bei welchem die Hubbewegung der Kolben durch den Eingriff einer zur Maschinenwelle schräg verlaufenden Ringscheibe in eine Eingriffskammer erfolgt. Die Eingriffskammer ist angrenzend an den geschlossenen Hohlraum des Kolbens vorgesehen. Für einen im wesentlichen spielfreien Gleiteingriff in jeder Schräglage der Schwenkscheibe bzw. des Schwenkringes sind zwischen ihr und der kugelförmig gekrümmten Innenwand der Eingriffskammer beidseitig Kugelsegmente, sogenannte Gleitsteine vorgesehen, so daß der Schwenkring bei seinem Umlauf zwischen ihnen gleitet.
Die Antriebsübertragung von der Antriebswelle zum Schwenkring erfolgt durch einen in der Antriebswelle befestigten Mitnehmerbolzen, dessen kugelförmiger Kopf in eine radiale Bohrung des Schwenkringes eingreift. Dabei ist die Position des Mitnehmerkopfes so gewählt, daß sein Mittelpunkt mit demjenigen der Kugelsegmente übereinstimmt. Außerdem liegt dieser Mittelpunkt auf einer Kreislinie, die die geometrischen Achsen der sieben Kolben miteinander verbindet, und weiterhin auf einer Kreislinie, die die Mittelpunkte der kugelförmigen Gelenkkörper der Kolben verbindet. Auf diese Weise ist die obere Totpunktposition der Kolben bestimmt und ein minimaler Schadraum gewährleistet. Die Kopfform des freien Mitnehmerendes ermöglicht die Veränderung der Neigung der Schwenkscheibe, in dem der Mitnehmerkopf einen Lagerkörper für eine die Hubweite der Kolben verändernde Schwenkbewegung der Schwenkscheibe bildet.
Eine weitere Voraussetzung für ein Verschwenken der Schwenkscheibe ist die Verschiebbarkeit ihrer Lagerachse in Richtung der Antriebswelle. Hierzu ist die Lagerachse durch zwei gleichachsig beidseitig einer Schiebehülse gelagerte Lagerbolzen gebildet, die außerdem in radialen Bohrungen der Schwenkscheibe gelagert sind. Die Schiebehülse hat hierzu vorzugsweise beidseitig Lagerhülsen, die den Ringraum zwischen der Schiebehülse und der Schwenkscheibe speichenartig überbrücken.
Die Begrenzung der Verschiebbarkeit der Lagerachse und damit die maximale Schrägstellung der Schwenkscheibe ergibt sich durch den Mitnehmerbolzen, indem dieser ein in der Schiebehülse vorgesehenes Langloch durchdringt, so daß die Schiebehülse an den Enden des Langloches Anschläge findet. Die Kraft für die Winkelverstellung der Schwenkscheibe und damit für eine Regelung des Verdichters ergibt sich aus der Summe der jeweils beidseitig der Kolben gegeneinander wirkenden Drücke, so daß diese Kraft vom Druck im Triebwerksraum abhängig ist. Der Druck im Triebwerksxaum ist entsprechend dem Stand der Technik zwischen einem hohen und einem niedrigen Druck regelbar und greift dementsprechend in das Kräftegleichgewicht an der Schwenkscheibe ein. Dadurch wird die Neigung derselben beeinflußt. Weiterhin kann die Position der Schiebehülse durch Federn beeinflußt werden, welche ebenfalls in verschiedenen Varianten zum Stand der Technik gehören.
Ferner wird die für die Förderleistung maßgebliche Position der Schiebehülse durch auf die Schwenkscheibe einwirkende Trägheitskräfte mitbestimmt, wobei sich die Schwenkscheibe bei steigender Drehgeschwindigkeit verstellt, d.h. ihren Schwenkwinkel bzw. ihren Kippwinkel ändert. Bei modernen Verdichtern geht der Trend dazu, Schwenkscheiben mit derartigen Trägheitsmomenten zum Einsatz zu bringen, die eine Verringerung der Hubweite der Kolben und damit eine Verringerung der Förderleistung bei ansteigender Drehgeschwindigkeit bewirken.
Problematisch an der vorstehend erläuterten Konstruktion ist jedoch die hohe Hertzsche Pressung im Bereich des Mitnehmerkopfes und der Schwenkscheibe (System: Kugel/ Zylinder) und die Aufnahme der (axialen) Reaktionskräfte infolge der Gaskraft an den Kolben und der Kräfte infolge des an die Schwenkscheibe zu übertragenden Drehmomentes.
Ein dem aus der EP 0 964 997 B1 bekannten Verdichter ähnlicher Verdichter ist aus der JP 2003-269330 AA bekannt, wobei bei diesem jedoch insgesamt zwei Mitnehmer verwendet werden.
Bedeutsam für die Kinematik gemäß den beiden erwähnten Druckschriften, d.h. also bedeutsam für die Kinematik bei den Gegenständen der EP 0 964 997 B1 und JP 2003-269330 AA ist es, daß der Mitnehmerkopf zentral mit dem Mittelpunkt der Gleitsteine der Kolben zusammenfällt, und daß die Position des Mittelpunktes des Mitnehmerkopfes gleichzeitig in etwa den Teilkreis der Mittelachse der Kolben tangiert.
Zu den vorstehend erwähnten ungünstigen Eigenschaften tritt hinzu, daß die Gegenstände der EP 0 964 997 B1 und der JP 2003-269330 AA sehr aufwendig konstruiert sind, was eine hohe Teilezahl und somit Kosten bedingt, wobei zusätzlich die Lagerung durch zwei Mitnehmer überbestimmt und somit verschleißanfällig ist und die Festigkeit der Bauteile insbesondere durch eine Lochlaibung der Welle eher gering einzuschätzen ist.
Ein weiterer Verdichter ist aus der DE 101 52 097 A1 bekannt, der erheblich von den Gegenständen der vorstehend diskutierten Druckschriften abweicht. Beim Gegenstand gemäß der DE 101 52 097 A1 wird der Mitnehmer, insbesondere der kugelförmige Mitnehmerkopf, durch einen Gelenkstift oder Bolzen ersetzt. Dieser wird allerdings von außen in die Schwenkscheibe integriert und mit einer topfförmigen Mitnehmerscheibe befestigt, welche Bestandteil der Antriebswellenbaugruppe ist. Auch der Gegenstand der DE 101 52 097 A1 weist eine aufwendige Konstruktion auf, wobei zusätzlich zu beachten ist, daß in Abhängigkeit vom Kippwinkel eine große Unwucht auftreten kann. Dies fördert den Verschleiß des Verdichters und verringert damit dessen Lebensdauer.
Ein weiterer Verdichter ist aus der FR 278 21 26 A1 bekannt, welcher einen Mitnehmer aufweist, der sich radial von der Antriebswelle aus erstreckt und in die Schwenkscheibe eingreift. Ähnlich wie die Lösung gemäß der DE 101 52 097 A1 , ist auch bei dieser Konstruktion die Schwenkscheibe am Mitnehmer in radialer Erstreckung fest gelagert. Darin liegt auch ein zentraler Unterschied in Bezug auf die Gegenstände der EP 0 964 997 B1 und der JP 2003-269330 AA. Während sich dort die Lagerstelle des Mitnehmerkopfes in der Schwenkscheibe relativ in der Führung (Bohrung) der Schwenkscheibe bewegt, weil die Schwenkscheibe in einem auf der Wellenachse liegenden Gelenk die Drehbewegung ausführt, wird bei den Konstruktionen gemäß der FR 278 21 26 A1 und der DE 101 52 097 A1 die Drehbewegung im seitlichen Gelenk der Schwenkscheibe realisiert.
In der unveröffentlichten und auf die Anmelderin zurückgehenden Patentanmeldung DE 102 00 404 1645 wird ein Mitnehmer vorgeschlagen, der in der Welle verschieblich gelagert ist. Dadurch kann die Kraftübertragung zwischen dem Mitnehmerkopf und der Schwenkscheibe optimal ausgeführt werden (Kraftübertragung durch Flächenkontakt). Problematisch kann jedoch die Verschiebung des Mitnehmers in der Welle sein, da dort infolge des Biegemoments hohe Kräfte aufzunehmen sind und die Teile deshalb sehr steif ausgeführt sein müssen. Diese steife Ausführung bedingt eine erhöhte Masse des Verdichters.
Aus der DE 103 154 77 A1 ist ein Verdichter der Schwenkscheiben-/Mitnehmerbauart bekannt, bei dem der Mitnehmer kein Drehmoment überträgt. Dieses Merkmal trifft im übrigen auch für bevorzugte Ausführungsformen der DE 102 00 404 1645 zu. Die Mitnehmerfunktion beschränkt sich darauf, die axial auf die Schwenkscheibe einwirkenden Kolbenkräfte abzustützen, wobei das Drehmoment durch weitere vom Mitnehmer unabhängige Kraftübertragungselemente bereitgestellt wird. Dadurch wirken geringere Kräfte auf den Mitnehmer, da wie vorstehend erwähnt, kein Drehmoment übertragen wird. Der Vorteil dieses Konzepts liegt darin, daß die Kräfte bzw. die Flächenpressung infolge der anliegenden Kräfte (aufgrund der Tatsache, daß es sich relativ geringe Kräfte handelt) keine zu großen Deformationen am und im Mitnehmer bedingen, wodurch der Mitnehmer entsprechend leichtgewichtig gestaltet werden kann und das Verkippen der Schwenkscheibe relativ hysteresefrei erfolgen kann. Unvorteilhaft kann es sich jedoch auswirken, daß der kugelförmige Mitnehmerkopf in einer relativ großen Ausnehmung der Schwenkscheibe liegt. Damit kann bzw. muß die Hertzsche Pressung durch eine Geometriepaarung Ebene/Kugel beschrieben werden, die relativ ungünstig ist, da sie eine hohe Hertzsche Pressung bedingt.
Aus der ebenfalls unveröffentlichten und auf die Anmelderin zurückgehenden DE 10 2005 004 840 letztendlich ist ein Verdichter bekannt, der hinsichtlich des Problems der Flächenpressung eine Verbesserung bietet. Der Gegenstand der DE 10 2005 004 840 weist ein mit einem Schwenkring in Eingriff stehendes Stützelement auf, wobei es zwischen dem Stützelement und dem Schwenkring zur Ausbildung eines Linienkontaktes kommt. Dies stellt im Vergleich zum vorstehend erläuterten Stand der Technik eine Verbesserung hinsichtlich der Hertzschen Pressung dar. Ebenso wirkt es sich vorteilhaft aus, daß beim Gegenstand der DE 10 2005 004 840 ein Antriebsmoment und ein Verdrehmoment von der Gaskraftstütze entkoppelt sind. Jedoch ist eine relativ große Aussparung in der Schwenkscheibe nötig, um so eine ausreichende Länge des Linienkontaktes zu gewährleisten und eine entsprechend niedrige Flächenpressung zu erreichen. Die große Aussparung in der Schwenkscheibe könnte infolge der zu übertragenden Gaskräfte zu Deformationen des Schwenkrings und somit zu Verschleiß führen. Ferner werden das Abregelverhalten der Schwenkscheibe (das abhängig ist vom Deviationsmoment bezüglich des Kippgelenkes) und auch die Unwucht derselben durch eine große Aussparung nachteilhaft beeinflußt. Die Masse der Gaskraftstütze greift beim Gegenstand der DE 10 2005 004 840 nicht mit das Deviationsmoment ein.
Ausgehend vom vorstehend erläuterten Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Verdichter anzugeben, dessen Stützelement möglichst großflächig Kräfte aufnehmen kann (was einer geringen Hertzschen Pressung entspricht), wobei eine Unwucht der Schwenkscheibe infolge der Lagerung und des Verkippens derselben und weiterer Teile, die den Masseneigenschaften der Schwenkscheibe zuzuordnen sind, über den gesamten Schwenkwinkelbereich und den gesamten Drehzahlbereich gering ist. Diese Aufgabe wird durch einen Verdichter mit den Merkmalen gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst.
Ein wesentlicher Punkt der Erfindung ist es demnach, daß ein Kraftübertragungselement drehbar und/oder radial verschieblich am Stützelement angelenkt ist. Durch die Anlenkung des Stützelements an das Kraftübertragungselement ist gewährleistet, daß das Stützelement großflächig Kräfte aufnehmen kann, wobei die Masseeigenschaften der Schwenkscheibe optimiert werden, da sich eine derartige konstruktive Maßnahme positiv auf die Masseeigenschaften auswirkt (die Masse des Stützelements kann modellhaft der Schwenkscheibe zugerechnet werden).
Das Kraftübertragungselement kann drehfest und/oder radial unverschieblich mit der Antriebswelle verbunden sein, was einen einfachen Aufbau eines erfindungsgemäßen Verdichters sicherstellt. Je nach der konstruktiven Realisierung der benötigten Freiheitsgrade kann das Kraftübertragungselement selbstverständlich auch drehbar in der Antriebswelle gelagert sein.
Erfindungsgemäß sind sowohl das Kraftübertragungselement als auch das Stützelement zylinderbolzenförmig ausgebildet. Ein derartiger Aufbau ist einerseits konstruktiv bzw. fertigungstechnisch einfach realisierbar und stellt insbesondere durch die zylinderbolzenförmige Ausbildung des Stützelements eine geringe Hertzsche Pressung zwischen Stützelement und Schwenkscheibe sicher.
In einer konstruktiv einfachen Ausführungsform bilden das Stützelement und das Kraftübertragungselement eine in etwa T-förmige Gaskraftstütze.
Das Stützelement umfaßt optional eine Aussparung, in welche das Kraftübertragungselement eingreift. Bei dieser Aussparung handelt es sich insbesondere um eine Bohrung, wodurch ein einfacher und kostengünstiger Aufbau eines erfindungsgemäßen Verdichters sichergestellt wird.
Das Stützelement kann ferner in einer zylinderförmigen Aussparung, insbesondere in einer Bohrung in der Schwenkscheibe gelagert sein. Die Bohrung erstreckt sich dabei senkrecht zur Antriebswellenachse. Auch hierbei handelt es sich um eine konstruktiv einfache und damit zu bevorzugende Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verdichters.
Vorzugsweise dienen das Stützelement und das Kraftübertragungselement im wesentlichen nur zur axialen Abstützung der Kolben bzw. 2u einer Gaskraftabstützung, während eine davon unabhängige Vorrichtung, insbesondere eine Gelenkverbindung zwischen Antriebswelle und Schwenkscheibe im wesentlichen nur der Drehmomentübertragung dient. Dadurch ist die Entkopplung von Antriebsdrehmoment und der Gaskraftabstützung sichergestellt.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Kraftübertragungselement drehbar in der Antriebswelle gelagert, während das Stützelement drehfest mit dem Kraftübertragungselement in Eingriff steht. Das Kraftübertragungselement ist optional ein Bolzen mit einem wenigstens teilweise etwa kreisförmigen oder halb elliptischen Querschnitt.
Bei einem erfindungsgemäßen Verdichter ist die Schwenkscheibe bevorzugt an einer längs der Antriebswelle axial verschieblich gelagerten Schiebehülse schwenkbar gelagert, wobei die Schwenkscheibe über Antriebsbolzen mit der Schiebehülse und/oder der Antriebswelle verbunden ist. Dies stellt eine einfache Realisierung der Entkopplung zwischen Antriebsdrehmoment und Gaskraftabstützung sicher. Die Antriebsbolzen können in die Schiebehülse oder die Schwenkscheibe eingepreßt sein oder durch axiale Sicherungselemente in derselben gesichert sein. Vorzugsweise ragen die Antriebsbolzen in eine Aussparung, die insbesondere in Form einer Nut in der Antriebswelle vorliegen kann, hinein. Optional ist ein Verbindungselement, insbesondere in Form einer Paßfeder, zwischen Antriebswelle und Schiebehülse angeordnet, welches eine Übertragung von Kräften bzw. Momenten in radialer Richtung erlaubt und axial verschieblich auf der Antriebswelle gelagert ist. Das dem Stützelement abgewandte Ende des Kraftübertragungselementes kann durch die Antriebswelle hindurch und in einen Längsschlitz an der Schiebehülse hineinragen derart, daß durch das dem Stützelement abgewandte Ende des Kraftübertragungselementes ein Antriebsdrehmoment von der Antriebswelle auf die Schiebehülse übertragen wird. Die vorstehend genannten konstruktiven Merkmale sorgen für eine sichere Entkopplung zwischen Antriebsdrehmoment und Gaskraftabstützung.
Bereiche der Aussparung in der Schwenkscheibe, welche insbesondere in Form einer Bohrung vorliegen kann, die nicht durch das Stützelement ausgefüllt sind, sind bevorzugt mit einem Ausgleichsgewicht, insbesondere in Form eines Verschlußelementes bzw, mit Ausgleichsgewichten in Form von Verschlußelementen ausgefüllt. Dadurch lassen sich die kinematischen Eigenschaften der Schwenkscheibe optimieren, so daß auf eine mit zunehmender Drehzahl zunehmend abregelnde Tendenz des Verdichters hingewirkt werden kann.
Für einen sicheren Übertrag des Verdrehdrehmomentes kann zwischen der Schiebehülse und der Schwenkscheibe eine Vorrichtung, insbesondere wenigstens ein zylinderstiftartiges Element oder Stütz- bzw. Kontaktflächen vorgesehen sein, um ein im Bereich der Antriebswelle angreifendes Verdrehmoment abzustützen.
Das Kraftübertragungselement, insbesondere die Längsachse desselben, ist optional gegenüber der Drehmomentachse, insbesondere der Antriebswellenachse, versetzt angeordnet. Dabei können das Stützelement und/oder das Kraftübertragungselement mehrteilig ausgebildet sein. Das Kraftübertragungselement kann ferner abgewinkelt ausgebildet sein, insbesondere kann es einen sich senkrecht zu der Kippmomentachse und einen sich durch diese hindurch erstreckenden Abschnitt umfassen. Alternativ oder aber auch zusätzlich kann das Kraftübertragungselement exzentrisch in der Antriebswelle angeordnet sein. Durch die vorstehend beschriebenen konstruktiven Maßnahmen wird die Übertragung des Verdrehmomentes reduziert und Nachteile wie zusätzliche Reibung, Klemmen oder eine Hysterese werden vermieden.
Die Schwenkscheibe kann aus Stahl, Messing oder Bronze gefertigt sein. Denkbar ist des weiteren auch eine mehrkomponentige bzw. mehrstoffige Schwenkscheibe, die Kombinationen der vorstehend genannten Werkstoffe umfaßt. All die vorstehend genannten Werkstoffe bieten für die konstruktive Ausgestaltung der Schwenkscheibe eine gute Festigkeit und Steifigkeit. Aufgrund der relativ hohen Dichte der Werkstoffe, insbesondere von Bronze oder Messing, ergibt sich eine vorteilhafte Masseverteilung, so daß die translatorischen Momente der Kolbenmassen optimal durch die rotatorischen Momente der Schwenkscheibe kompensiert werden können. Insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, in dem Fall, in dem die Schwenkscheibe aus Stahl gefertigt ist, kann dieselbe eine verschleißarme Beschichtung aufweisen, was zu einer hohen Lebensdauer eines erfindungsgemäßen Verdichters führt.
Die Kolben sind in einer bevorzugten Ausführungsform aus Aluminium bzw. einer Aluminiumlegierung gefertigt, wodurch das Gewicht eines entsprechenden Verdichters gering gehalten werden kann. Alternativ können die Kolben auch aus Stahl oder einer Stahllegierung gefertigt sein, was zu einer hohen Festigkeit derselben führt, wobei eine auf das Material der Schwenkscheibe abgestimmte Materialwahl (ähnliche thermische Ausdehnungskoeffizienten) vorteilhaft ist.
In einer weiteren günstigen Ausführungsform ist das Stützelement tonnenförmig bzw. zigarrenförmig bzw. zylinderförmig ausgebildet, wobei der Zylinder von der Zylindermitte zu den Zylinderenden hin (axiale Richtung) einen verjüngenden Durchmesser aufweist. Analoges gilt für die Tonnen- oder Zigarrenform. Dadurch kann sichergestellt werden, daß zwischen dem Stützelement und der Schwenkscheibe nur ein Linienkontakt besteht und somit Verklemmungen zwischen den beiden Bauteilen auszuschließen sind. Der Linienkontakt ist insbesondere im Fall einer Schrägscheibe aus Stahl auch zur Kraftübertragung geeignet, so daß die vorstehend beschriebene Ausführungsform sowohl in Kombination mit Antriebsbolzen zum Drehmomentübertrag als auch ohne dieselben, d.h. also in einem Fall, in dem der Kraftübertrag über das Kraftübertragungselement und das Stützelement erfolgt, denkbar und vorteilhaft ist.
Die Erfindung wird nachfolgend in Hinsicht auf weitere Vorteile und Merkmale beispielhaft und unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben. Die Zeichnungen zeigen in:

Fig. 1: einen Schwenkscheibenmechanismus einer ersten bevorzugten Ausfüh rungsform eines erfindungsgemäßen Verdichters in Explosionsdarstellung;
Fig. 2: den Schwenkscheibenmechanismus gemäß Fig. 1 in zusammengebautem Zustand in einer perspektivischen Ansicht;
Fig. 3: den Schwenkscheibenmechanismus gemäß Fig. 1 bei einem maximalen Kippwinkel der Schwenkscheibe im Längsschnitt;
Fig. 4: den Schwenkscheibenmechanismus gemäß Fig. 1 bei einem minimalen Kippwinkel der Schwenkscheibe wiederum im Längsschnitt;
Fig. 5: den Schwenkscheibenmechanismus gemäß Fig. 4 in einer Schnittansicht entlang der Ebene A-A;
Fig. 6a: den Schwenkscheibenmechanismus gemäß Fig. 3 in einer Schnittansicht entlang der Schnittebene E-E;
Fig. 6b: eine alternative Ausgestaltung eines Schwenkscheibenmechanismus in einer zu Fig. 6a korrespondierenden Darstellung;
Fig. 7: eine Draufsicht auf die erste bevorzugte Ausführungsform, teilweise in Schnittdarstellung;
Fig. 8a+8b: eine Teilansicht einer zweiten bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verdichters im Längsschnitt (a) und eine Detailansicht einer Verbindung zwischen einem Kraftübertragungselement und einem Stützelement gemäß der zweiten bevorzugten Ausführungsform in Schnittansicht;
Fig. 9: eine dritte bevorzugte Ausführungsform eines Schwenkscheibenmechanismus eines erfindungsgemäßen Verdichters in einer Schnittansicht korrespondierend zu Fig. 6; und
Fig. 10: eine vierte bevorzugte Ausführungsform eines Schwenkscheibenmechanismus in einer Schnittansicht korrespondierend zu den Figuren 6 und 9.

Sämtliche bevorzugte Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Verdichters umfassen (nicht in den Zeichnungen dargestellt) ein Gehäuse, einen Zylinderblock und einen Zylinderkopf. Im Zylinderblock sind Kolben axial hin- und herbewegbar gelagert. Der Antrieb der Verdichter erfolgt über eine Riemenscheibe mittels einer Antriebswelle 1. Bei den vorliegenden Verdichtern handelt es sich um Verdichter mit variablem Kolbenhub, wobei der Kolbenhub durch eine Druckdifferenz, die durch die Drücke auf einer Sauggasseite und in einer Triebwerkskammer definiert ist, geregelt wird. Je nach der Größe der Druckdifferenz wird eine Schwenkscheibe in Form eines Schwenkrings 2 mehr oder weniger aus ihrer vertikalen Lage ausgelenkt bzw. verschwenkt. Je größer der daraus resultierende Schwenkwinkel ist, desto größer ist der Kolbenhub, und dementsprechend wird ein umso höherer Druck an einer Auslaßseite des Verdichters zur Verfügung gestellt.
Aus Fig. 1 ist ersichtlich, daß der Schwenkscheibenmechanismus einer ersten bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verdichters den Schwenkring 2, eine Schiebehülse 3, die auf der Antriebswelle 1 axial verschieblich gelagert ist, eine Feder 4, ein Stützelement 5, ein Kraftübertragungselement 6 sowie Antriebsbolzen 7, welche zur Drehmomentübertragung zwischen Antriebswelle 1 und Schwenkring 2 dienen, umfaßt.
Das Stützelement 5 ist drehbar und radial verschieblich am Kraftübertragungselement 6 angelenkt, während das Kraftübertragungselement 6 drehfest und radial unverschieblich mit der Antriebswelle 1 verbunden ist. Sowohl das Stützelement 5 als auch das Kraftübertragungselement 6 ist zylinderbolzenförmig ausgebildet. Wie bereits erwähnt, ist das Stützelement 5 drehbar und radial verschieblich am Kraftübertragungselement 6 angelenkt, was über eine Aussparung 8 im Stützelement 5 erfolgt, in welche das Kraftübertragungselement 6 eingreift. Diese Aussparung 8 liegt in Form einer Bohrung im Stützelement 5 vor. Das Stützelement 5 und das Kraftübertragungselement 6 bilden in zusammengesetztem Zustand eine in etwa T-förmige Gaskraftstütze 9 (vgl. beispielsweise Fig. 3). Das Stützelement 5 ist in einer zylinderförmigen Aussparung 10, welche in der hier beschriebenen ersten bevorzugten Ausführungsform in Form einer Bohrung vorliegt, im Schwenkring 2 gelagert. Die Bohrung 10 erstreckt sich senkrecht zur Antriebswellenachse 11. Die drehfeste und radial unverschiebliche Lagerung des Kraftübertragungselementes 6 in der Antriebswelle 1 erfolgt mittels einer Aussparung 12 in der Antriebswelle 1, in welche das Kraftübertragungselement 6 eingepreßt ist.
Die Schiebehülse 3 weist zwei abgeflachte Seiten 13 auf (aus Fig. 1 ist nur eine abgeflachte Seite ersichtlich), die mit korrespondierenden Abflachungen 14 am Schwenkring 2 in Gleiteingriff stehen. Wie bereits durch die gewählte Terminologie angedeutet ist, dient die Gaskraftstütze 9, die wie vorstehend erwähnt das Kraftübertragungselement 6 sowie das Stützelement 5 umfaßt, im wesentlichen nur zur axialen Abstützung der Kolbenkräfte, während die Drehmomentübertragung zum Schwenkring im wesentlichen durch die Antriebsbolzen 7 erfolgt. Neben einer Verbindung zwischen Schwenkring 2 und Antriebswelle 1 stellen die Antriebsbolzen 7 auch eine Verbindung zwischen der Schiebehülse 3 und der Antriebswelle 1 sowie einen daraus resultierenden Kraft- bzw. Drehmomentübertrag sicher. Die Antriebsbolzen 7 ragen in eine Aussparung in der Antriebswelle in Form von Nuten 15 hinein (wobei aus Fig. 1 wiederum nur eine der Nuten 15 erkennbar ist). Die Antriebsbolzen 7 sind in korrespondierende Aussparungen 17 im Schwenkring 2 eingepreßt. Es sei an dieser Stelle angemerkt, daß die Antriebsbolzen 7 auch alternativ zur Einpressung in den Schwenkring 2 in die Schiebehülse 3 eingepreßt sein können.
Die Feder 4 dient als Verbindungselement, welches zwischen Antriebswelle 1 und Schiebehülse 3 angeordnet ist, und einen Übertrag von Kräften in axialer Richtung erlaubt. Sie ist axial verschieblich auf der Antriebswelle 1 gelagert. Das dem Stützelement 5 abgewandte Ende des Kraftübertragungselements 6 ragt durch einen Längsschlitz 18, welcher an der Schiebehülse 3 ausgebildet ist, in die Antriebswelle 1 hinein. An dieser Stelle sei angemerkt, daß alternativ oder auch zusätzlich zum Kraft- bzw. Drehmomentübertrag über die Antriebsbolzen 7 die Schiebehülse derart ausgebildet sein kann, daß ein dem Längsschlitz 18 gegenüberliegend angeordneter Längsschlitz an der Schiebehülse vorgesehen ist, in welchen das dem Stützelement 5 abgewandte Ende des Kraftübertragungselements 6 hineinragt und damit ein Antriebsdrehmoment von der Antriebswelle 1 auf die Schiebehülse 3 überträgt. Es sei an dieser Stelle nochmals kurz erwähnt, daß die Antriebswelle 1 und die Schiebehülse 3 zusätzlich oder alternativ zu der Verbindung bzw. zum Drehmomentübertrag über die Antriebsbolzen 7 zueinander korrespondierende Abflachungen aufweisen können, so daß die Schiebehülse drehfest auf der Antriebswelle gelagert ist (aus Fig. 1 nicht ersichtlich).
Die in Fig. 1 in Explosionsdarstellung aufgezeigte Konstruktion ist in Fig. 2 in einem zusammengefügten Zustand dargestellt. Aus Fig. 2 läßt sich erkennen, daß das Stützelement 5 die Bohrung 10 im Schwenkring 2 nicht vollständig ausfüllt. Diese Bereiche, welche durch Pfeile 19, 20 angedeutet und nicht durch das Stützelement 5 ausgefüllt sind, sind (in der Fig. 2 nicht dargestellt) mit einem Ausgleichsgewicht in Form eines Verschlußelements verschlossen und durch dieses im wesentlichen ausgefüllt. Dadurch kann die Kinematik des Schwenkrings 2 optimiert werden, so daß sich ein gewünschtes Regelverhalten ergibt bzw. verstärkt, was in der Regel bei Verdichtern moderner Bauart bedeutet, daß der Verdichter für zunehmende Drehzahl eine zunehmend abregelnde Tendenz besitzt.
In den Figuren 3 und 4, in welchen der Schwenkscheibenmechanismus gemäß den Figuren 1 und 2 nochmals in einer Schnittdarstellung dargestellt ist (in Fig. 3 bei einem maximalen Auslenkwinkel der Schwenkscheibe und in Fig. 4 bei einem minimalen Auslenkwinkel der Schwenkscheibe) ist insbesondere das Zusammenspiel zwischen der Schiebehülse 3, der Feder 4 und dem Schwenkring 2 sowie der Gaskraftstütze 9 zu erkennen. Die Feder 4 befindet sich bei einem maximalen Auslenkwinkels des Schwenkrings 2 in einem zusammengepreßten Zustand, wohingegen für einen minimalen Auslenkwinkel des Schwenkrings 2 die Feder in einem entspannten Zustand vorliegt. Weiterhin ist in Fig. 5 ein Schnitt entlang der Ebene A-A der Fig. 4 dargestellt, wobei aus Fig. 5 insbesondere das Zusammenspiel der Antriebsbolzen 7 und des Schwenkrings 2 erkennbar sind.
In Fig. 6a ist ein Schnitt entlang der Ebene E-E der Fig. 3 dargestellt. Da die zylinderbolzenförmige bzw. tonnenförmige Kontur des Stützelementes 5 eine nicht vernachlässigbare Erstreckung senkrecht zur Ebene des Verdrehmomentes (angedeutet durch die Achse des Verdrehmomentes 22) aufweist, kann ein Verdrehmoment (welches senkrecht zum Kippmoment des Schwenkrings wirkt und u.a. deshalb auftritt, weil die maximale Gaskraft an einem Kolben zum Zeitpunkt der Öffnung des Ventils auftritt und nicht im Totpunkt des Kolbens) dort, d.h. also am zylinderförmigen Stützelement 5 eingeleitet werden, wenn dieses nicht erfindungsgemäß um seine Mittelachse im Kraftübertragungselement 6 verdrehbar gelagert ist. Deshalb stellt eine erfindungsgemäße Konstruktion sicher, daß das Verdrehmoment (Torsion) nur in die dafür vorgesehen Elemente eingeleitet wird, welche beispielsweise die stiftartigen Antriebsbolzen 7 oder aber auch beliebige Stützflächen sein können. Eine Einleitung des Verdrehmoments in das Kraftübertragungselement 6 wird durch eine erfindungsgemäße Konstruktion ausgeschlossen. Die Achse des Verdrehmoments ist durch das Bezugszeichen 22 gekennzeichnet (vgl. Fig. 6a).
Eine alternative Ausführungsform ist in Fig. 6b in einer Darstellung analog zu Fig. 6a dargestellt. In dieser alternativen Ausführungsform weist das Stützelement 5 eine zigarrenförmige Kontur auf, d.h. das Stützelement 5 ist wie ein Zylinder geformt, welcher in der Zylindermitte seinen größten Durchmesser aufweist und dessen Durchmesser dann jeweils in Richtung der Zylinderenden abnimmt. Dadurch wird eine Trennung der Antziebsfunktion und der Funktion als Gaskraftstütze erreicht, da kein Flächenkontakt zwischen Stützelement 5 und Schwenkring 2 besteht. Es sei an dieser Stelle aber angemerkt, daß im Rahmen der vorliegenden Erfindung sowohl Verdichter vorgesehen sind, welche durch die Art der Lagerung des Stützelements 5 und des Kraftübertragungselements 6 das Antriebsdrehmoment von der Welle an den Schwenkring ganz oder teilweise übertragen können, als auch Verdichter vorgesehen sind, bei welchen die Übertragung des Antriebsdrehmoments im wesentlichen nicht durch das Stützelement 5 und das Kraftübertragungselement 6, sondern wie obenstehend beschrieben, durch die Antriebsbolzen 7 erfolgt. Insbesondere für einen Schwenkring bzw. eine Schrägscheibe aus Stahl wäre ein Linienkontakt ausreichend, um Drehmomente übertragen zu können. Es sei an dieser Stelle angemerkt, daß die Darstellung der Tonnenform wie in Fig. 6b sehr überhöht sein kann, denkbar ist jedoch auch eine Art "crowning" im Mikrometerbereich.
Da vorstehend das Material, aus welchem der Schwenkring 2 gefertigt ist, zur Erörterung gelangte, sei an dieser Stelle angemerkt, daß der Schwenkring 2, der in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform aus Stahl gefertigt und mit einer Beschichtung versehen ist, welche den Verschleiß und die Reibung zwischen den Gleitsteinen der Kolben und dem Schwenkring 2 minimiert, alternativ auch aus Messing oder Bronze gefertigt sein kann. Die erwähnten Materialien stellen sicher, daß die bauartbedingten Anforderungen erfüllt werden. Bei den verwendeten Schwenkringen 2 handelt es sich nämlich um Ringe, die gegenüber dem Stand der Technik sehr hoch bauen. Die Höhe ist einerseits erwünscht, um die Gaskraftstütze, welche sich aus Stützelement 5 und Kraftübertragungselement 6 zusammensetzt, darin lagern zu können, andererseits ist die Höhe von Vorteil, um dem Bauteil eine ausreichende Massenträgheit zuordnen zu können. Diese ist notwendig, um ein Kippmoment aufgrund des Kreiseleffekts bei der Rotation des Schwenkrings 2 erzeugen zu können, welches groß genug ist, um in gewünschtem Maße die gegenläufig wirksamen Kippmomente infolge der Massenkräfte der Kolben kompensieren bzw. überkompensieren zu können.
Für derartige Schwenkringe 2 bieten sich die erwähnten Materialien wie Stahl, Messing oder Bronze besonders an, da aufgrund der Höhe des Schwenkrings 2 diese Werkstoffe ausreichende Festigkeit und Steifigkeit gewährleisten, um Deformationen vorbeugen zu können. Bei Schwenkringen entsprechend dem Stand der Technik ist das häufig nicht gesichert. Weiterhin ist die Dichte von Bronze oder Messing je nach Legierung gegebenenfalls etwas größer als die Dichte von Stahl oder von Grauguß (ein erfindungsgemäßer Schwenkring 2 kann selbstverständlich auch aus Grauguß gefertigt sein). Der Dichtezuwachs bzw. die höhere Dichte von Bronze oder Messing kann genutzt werden, um die Kolbenmassen noch besser kompensieren oder überkompensieren zu können. Die Höhe des Schwenkrings 2 führt dazu, daß die Kolben, die in der hier diskutierten Applikation den Schwenkring 2 umfassen und mittels zweier Gleitsteine an diesem gelagert werden, eine große Öffnung für das Umfassen des Schwenkrings 2 aufweisen müssen.
In der bevorzugten Ausführungsform, in der der Schwenkring 2 aus Messing gefertigt ist, sind die Kolben aus einer Aluminiumlegierung gefertigt. Da Messing eine zum Aluminium ähnliche Wärmeausdehnung hat, sorgt eine derartige Materialkombination für einen verminderten Verschleiß und eine erhöhte Lebensdauer eines erfindungsgemäßen Verdichters, da sich das Spiel der Gleitsteine in den Kolben gegenüber dem Zustand bei der Montage nur unwesentlich oder gar nicht vergrößert. Dies führt zu einer geringen Geräuschbildung und verhindert, daß Gleitsteine infolge eines zu großen Spiels herausfallen können. Ist der Schwenkring 2 aus Stahl gefertigt, so bieten Kolben, die ebenfalls aus Stahl gefertigt sind, dieselben Vorteile. Alternativ sind aber auch andere Werkstoffkombinationen (insbesondere unter dem Gesichtspunkt einer Gewichtsreduzierung eines erfindungsgemäßen Verdichters) denkbar.
Zur Illustration der Unterschiede, die je nach Material des Schwenkrings 2 auftreten (also je nachdem, ob der Schwenkring 2 aus Stahl oder aus Messing gefertigt ist), sei auf Fig. 11 verwiesen. Hier sind die Differenzen in der thermischen Längenausdehnung zwischen Stahl und Messing durch Pfeile 26 angedeutet.
Es sei an dieser Stelle nochmals kurz auf die Vorteile der Erfindung eingegangen, welche sich wie folgt darstellen: Die Gaskraftstütze 9 nimmt weitgehend und vorzugsweise drehmomentfrei (insofern eine Konstruktion gewählt ist, in welcher das Kraftübertragungselement 6 an seiner dem Stützelement 5 abgewandten Seite nicht in drehmomentübertragendem Eingriff mit der Schiebehülse 3 steht) die Stützfunktion des Schwenkringes 2 im Hinblick auf die axial einwirkenden Kolbenkräfte wahr; das Stützelement 5 ist großflächig, d.h. also zylinderbolzen- oder tonnenförmig ausgebildet, wobei Verdrehmomente nicht eingeleitet werden können, da sich die Gaskraftstütze 9 entweder am Übergang zwischen Kraftübertragungselement 6 und Stützelement 5 oder (wie in der Folge noch beschrieben wird) durch eine verdrehbare Lagerung des Kraftübertragungselements 6 in der Antriebswelle 1 um ihre Mittelachse ausrichten kann; die Antriebsmomente werden definiert in der Ebene senkrecht zur Kippebene des Schwenkrings übertragen, wobei hier angemerkt sei, daß es verschiedene Möglichkeiten der Kraftübertragung bzw. der Drehmomentübertragung gibt. Dadurch, daß das Stützelement 5 sowohl drehbar als auch radial verschieblich an das Kraftübertragungselement 6 angelenkt ist, kann im wesentlichen kein Verdrehmoment (Torsion) übertragen werden. Dies ermöglicht eine definierte Übertragung des Verdrehmomentes an anderer Stelle, wie dies bereits vorstehend erwähnt ist, und verhindert ein Klemmen des Mechanismus. Ebenso ist dadurch eine leichte und schnelle Montage gewährleistet. Eine Überbestimmung in Bezug auf das Verdrehmoment, die sich bei einer zylinderförmigen Gestaltung des Stützelementes 5 ergeben könnte, wird durch die drehbare Lagerung desselben beispielsweise am Kraftübertragungselement 6 vermieden.
In der Folge sei auf die Übertragung des Antriebsdrehmomentes näher eingegangen: Wie bereits in der Beschreibung der Fig. 1 erwähnt, ist der Schwenkring 2 über die Antriebsbolzen 7 mit der Schiebehülse 3 und mit der Antriebswelle 1 verbunden. Die Schiebehülse 3 ist axial verschieblich auf der Antriebswelle 1 gelagert und ermöglicht im Zusammenspiel mit der Feder 4, den Antriebsbolzen 7 und der Gaskraftstütze 9 die Einstellung des Schwenkwinkels des Schwenkringes 2. Der sich einstellende Schwenkwinkel hängt von den Gaskräften, den Trägheitseigenschaften des Schwenkringes 2 und den mit diesem in Eingriff stehenden Kolben, sowie von der Federkraft der Feder 4 ab. Die Summe der Momente um die Kippachse 21 ist in anderen Worten ausgedrückt gleich Null (Kippmomente gleich Null). Die Antriebsbolzen 7 sind axial gegen Herausfallen gesichert, was dadurch erfolgt, daß die Bolzen in die Schiebehülse 3 oder den Schwenkring 2 eingepreßt sind. Die Übertragung des Antriebsdrehmoments erfolgt in der vorliegenden bevorzugten Ausführungsform direkt über die Antriebsbolzen 7 von der Antriebswelle 1 auf den Schwenkring 2. Alternativ ist es denkbar, indirekt über die Schiebehülse 3 das Antriebsdrehmoment zu übertragen. In beiden Fällen gibt es jedoch Elemente (beispielsweise Antriebsbolzen 7), welche mit der Welle 1 verbunden sind oder in diese hineinragen. Selbstverständlich ist es auch denkbar, daß es nur ein Element gibt. Damit ist die radiale Ausrichtung der Schiebehülse 3 festgelegt, und durch eine ausreichend große Aussparung in der Schiebehülse wird dafür Sorge getragen, daß der dem Stützelement 5 zugewandte Teil der Gaskraftstütze 9 bzw. des Kraftübertragungselements 6 kein Moment auf die Schiebehülse 3 übertragen kann. In Fig. 1 ist dargestellt, wie die Antriebsbolzen 7, die mit dem Schwenkring 2 verbunden sind, in eine Nut 15 in der Antriebswelle 1 hineinragen. Dadurch wird das Antriebsdrehmoment direkt durch die Antriebsbolzen 7 von der Antriebswelle 1 auf den Schwenkring 2 übertragen.
Alternativ ist eine indirekte Übertragung des Antriebsdrehmoments mit einem Kraftfluß über die Schiebehülse 3 denkbar. Dies könnte konstruktiv wie folgt bewerkstelligt werden: ein Verbindungselement zwischen Antriebswelle 1 und Schiebehülse 3, welches die Übertragung von Kräften bzw. Momenten in Radialrichtung zuläßt, jedoch beispielsweise durch Gleiten in einer Nut der Schiebehülse 3 die axiale Verschiebbarkeit der Buchse zuläßt. Ein solches Verbindungselement könnte z.B. eine Paßfeder sein. Das dem Stützelement 5 entgegengesetzte Ende des Kraftübertragungselements 6 wird durch die Welle hindurchgeführt und ragt in einen Schlitz der Schiebehülse 3, in welchem das Kraftübertragungselement 6 eng geführt wird und dadurch das Antriebsdrehmoment übertragen kann. Abflachungen an der Schiebehülse 3 und dem Schwenkring 2 übertragen dann das Moment auf den Schwenkring 2.
Ein zentraler Punkt der vorliegenden Erfindung ist die Gestaltung der Gaskraftstütze 9. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird eine Gaskraftstütze 9 bereitgestellt, welche einerseits dadurch entlastet ist, daß sie kein Antriebsdrehmoment überträgt, andererseits jedoch hinsichtlich der Flächenpressung, die sich aufgrund der Übertragung der Gaskräfte ergibt, optimiert ist.
Ferner sei an dieser Stelle nochmals auf die korrespondierenden Abflachungen 13, 14 an der Antriebswelle 1 und der Schiebehülse 3 hingewiesen, welche aus Fig. 6 sehr gut erkenntlich sind. Ebenso sind die Abflachungen aus Fig. 7 erkenntlich, welche nochmals die erste bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verdichters in Draufsicht, teilweise in Schnittansicht wiedergibt. Auch hieraus ist das Zusammenspiel zwischen den Antriebsbolzen 7 und dem Schwenkring 2 sichtbar.
In einer alternativen zweiten bevorzugten Ausführungsform, welche in den Figuren 8a und 8b dargestellt ist, ist das Kraftübertragungselement 6 drehbar in der Antriebswelle 1 gelagert, während das Stützelement 5 drehfest mit dem Kraftübertragungselement 6 in Eingriff steht. In der vorliegenden bevorzugten Ausführungsform ist das Kraftübertragungselement 6 ein Bolzen mit einem teilweise halbelliptischen Querschnitt. Selbstverständlich käme beispielsweise auch ein teilweise halbkreisförmiger Querschnitt in Frage. Der besagte halbelliptische Querschnitt wird insbesondere aus Fig. 8b deutlich. Wie bereits vorstehend erwähnt, ist in Abwandlung zu der ersten bevorzugten Ausführungsform das Kraftübertragungselement 6 in der Antriebswelle 1 um seine Längsachse drehbar gelagert. Das Kraftübertragungselement 6 besitzt einen Absatz 23, welcher die Position desselben (insbesondere in radialer Richtung) in der Antriebswelle 1 bestimmt. An der dem Stützelement 5 abgewandten Seite des Kraftübertragungselementes 6 sorgt ein Sicherungselement 24 für einen sicheren Verbleib der Gaskraftstütze 9 bzw. des Stützelementes 5 und des Kraftübertragungselementes 6 in der Antriebswelle 1. Auch in dieser Ausführungsform stellen die Antriebsbolzen 7 (aus den Figuren 8a und 8b nicht ersichtlich) die Verbindung zwischen Schiebehülse 3 und der Antriebswelle 1 und den daraus resultierenden Kraft- bzw. Drehmomentübertrag sicher.
Zwei weitere bevorzugte Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Verdichters finden sich in den Figuren 9 und 10, wobei bei diesen beiden Ausführungsformen Sorge getragen ist, daß das Kraftübertragungselement 6 bzw. die Längsachse desselben gegenüber der Achse 22, die die Richtung des Verdrehmomentes definiert, versetzt angeordnet ist. Eine der möglichen Ausführungsformen hierfür (vgl. Fig. 9) weist eine bezüglich der Antriebswelle 1 exzentrische Anordnung des Kraftübertragungselementes 6 auf. Der Vorteil, der sich hieraus ergibt, ist, daß der Angriffspunkt 25 für die resultierende Druckkraft in etwa auf der Achse des Kraftübertragungselements 6 liegt und die Axialkraft nahezu direkt auf das Kraftübertragungselement und auf die Welle 1 übertragen wird. Dadurch entsteht bestenfalls ein sehr geringer Hebel für die Axialkraft und damit ein geringes Verdrehmoment. Eine Übertragung des Verdrehmoments über die Abflachungen wird somit weitestgehend vermieden und Nachteile wie zusätzliche Reibung, Klemmen oder Hysterese werden vermieden. Eine weitere mögliche Ausführungsform weist ein Kraftübertragungselement 6 auf, welches abgewinkelt ausgebildet ist und einen sich parallel zur Achse 22 des Verdrehmoments und einen sich durch diese hindurch erstreckenden Abschnitt umfaßt.
An dieser Stelle sei nochmals zusammenfassend auf die Vorteile der vorliegenden Erfindung eingegangen. Die Unwucht infolge der Lagerung und des Verkippens der Schrägscheibe und weiterer Teile, die den Masseneigenschaften der Schrägscheibe zugeordnet sind, sind sehr gering. Das Massenträgheitsmoment der Schrägscheibe und weiterer Teile, die den Masseneigenschaften der Schrägscheibe bezüglich der Kippachse (Deviationsmoment) zuzuordnen sind, sind hinsichtlich des Bauraums optimiert, d.h. der Verdichter weist für hohe Drehzahlen und über dem gesamten Auslenkwinkelbereich des Schwenkrings 2, d.h. also insbesondere auch für kleine Auslenkwinkel ein abregelndes Verhalten auf. Das Stützelement 5 ist durch die entsprechende Gestaltung in der Lage, großflächig Kräfte aufnehmen zu können, was zu einer geringen Hertzschen Pressung führt. Die Gaskraftstütze 9 ist frei von Drehmoment, das zwischen Welle und Schrägscheibe übertragen wird, so daß eine Überbestimmung der Kraftübertragungsfunktion (was in einem Klemmen resultiert) vermieden wird. Ferner ist die Steifigkeit des Schwenkringes 2. optimiert und eine Anlenkung des Schwenkrings 2 an das Stützelement 5 ist mit einer geringen Flächenpressung, d.h. einer geringen Hertzschen Pressung gewährleistet.
Wie beispielsweise Fig. 6a entnehmbar ist, könnte das Antriebsdrehmoment von dem fest in die Antriebswelle 1 eingepreßten Kraftübertragungselement 6 auf das Stützelement 5 übertragen werden, nicht jedoch direkt auf den Schwenkring 2, da das Kraftübertragungselement 6 in radialer Richtung (in Bezug auf den Antrieb oder die Welle) nicht anliegt (entsprechend große Aussparung im Schwenkring). Das Stützelement 5 hat jedoch in radialer Richtung des Triebwerks / der Antriebswelle (axiale Richtung in Bezug auf das Stützelement 5) keine Anlage oder keinen Kontakt zum Schwenkring 2. Deshalb kann die Gaskraftstütze 9, welche aus dem Kraftübertragungselement 6 und dem Stützelement 5 besteht, das Antriebsmoment nicht auf den Schwenkring 2 übertragen. In der vorliegenden Erfindung werden die Gaskräfte durch eine Bohrung im Schwenkring 2 auf das zylinderbolzenförmige Stützelement 5 und dann wiederum von der Bohrung im Stützelement 5 auf das Kraftübertragungselement 6 übertragen. Es werden die Kräfte jeweils von einer Bohrung auf einen Zylinder mit engem Spiel übertragen. Dies ergibt deutlich geringere Flächenpressungen (Flächenkontakt) und dadurch einen geringeren Verschleiß als bei Verdichtern gemäß dem Stand der Technik.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil ergibt sich hinsichtlich der Massenträgheitseigenschaften des Schwenkrings 2 in Kombination mit dem Stützelement 5. Das Stützelement 5 ist derart mit der Schwenkscheibe verbunden, daß die Massenkräfte infolge der Masse des Stützelementes 5 bezüglich des Kippgelenks des Schwenkrings 2 direkt auf den Schwenkring 2 wirken (Deviationsmoment der Anordnung). Das bedeutet, daß in Bezug auf das Abregelmoment das Stützelement rechnerisch so behandelt werden kann, als wäre es mit dem Schwenkring starr verbunden. Das wiederum führt zu dem entscheidenden Vorteil, daß selbst eine große Aussparung für das Stützelement nicht nachteilig ist, wenn das Stützelement diese ausfüllt. Dies ist insofern von Bedeutung, da gerade die von der Kippachse weit entfernte Masse des Schwenkrings 2 einen entscheidenden Anteil an dem Abregelmoment des Schwenkrings 2 hat. Diese Eigenschaft des Verkippmechanismus führt zu einem relativ hohen Deviationsmoment (Abregelmoment) des Schwenkrings 2 in Kombination mit dem Stützelement 5, wobei dies sogar noch für kleine Auslenkwinkel des Schwenkrings 2 gilt. Dies ermöglicht insgesamt ein sehr gutes Abregelverhalten des Triebwerks bis hin zu sehr kleinen Auslenkwinkeln. Ferner ist ein erfindungsgemäßer Verdichter kostengünstig herzustellen, da der Auslenk- bzw. Kippmechanismus aus relativ wenigen Teilen besteht. Zudem haben die Bauteile der Gaskraftstützen 9 eine sehr einfache Geometrie und wenig Bearbeitungsflächen (beispielsweise zwei Zylinder, bei welchen einer eine Bohrung aufweist). Die wesentlichen Anteile der im Schwenkring auftretenden Kräfte werden durch die Gaskraftstüt2e 9 auf die Antriebswelle übertragen und dann letztlich in der Lagerung der Welle aufgefangen.
Abschließend sei angemerkt, daß das Stützelement 5 die Aussparung im Schwenkring 2 soweit wie möglich ausfüllt, wobei selbstverständlich darauf geachtet wurde, daß das Stützelement 5 bei keinem möglichen Auslenkwinkel des Schwenkrings 2 mit den Kolben kollidiert. Die bleibenden Aussparungen, die nicht durch das Stützelement 5 ausgefüllt werden, können beispielsweise durch Verschlußstopfen derart ausgefüllt werden, daß die Kinematik des Verdichters optimiert ist.
Obwohl die Erfindung anhand von Ausführungsformen mit fester Merkmalskombination beschrieben wird, umfaßt sie jedoch auch die denkbaren weiteren vorteilhaften Kombinationen dieser Merkmale, wie sie insbesondere, aber nicht erschöpfend, durch die Unteransprüche angegeben sind. Sämtliche in den Anmeldungsunterlagen offenbarten Merkmale werden als erfindungswesentlich beansprucht, soweit sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind.

Bezugszeichenliste

1: Antriebswelle
2: Schwenkring
3: Schiebehülse
4: Feder
5: Stützelement
6: Kraftübertragungselement
7: Antriebsbolzen
8: Bohrung im Stützelement 5
9: Gaskraftstütze
10: Bohrung
11: Antriebswellenachse
12: Aussparung in der Antriebswelle 1
13: abgeflachte Seite der Schiebehülse 3
14: Anflachung am Schwenkring 2
15: Nut
16: Aussparung in der Schiebehülse 3
17: Aussparung im Schwenkring 2
18: Längsschlitz
19,20: Pfeil
21: Kippachse
22: Achse des Verdrehmomentes
23: Absatz
24: Sicherungselement
25: Angriffspunkt
26: Pfeile

Claims

Axialkolbenverdichter, insbesondere für Kraftfahrzeug-Klimaanlagen, mit einer in ihrer Neigung zu einer Antriebswelle (1) verstellbaren, von der Antriebswelle (1) drehangetriebenen, insbesondere ringförmigen Schwenkscheibe (2), die mit wenigstens einem im Abstand von der Antriebswelle (1) mit dieser mitdrehend angeordneten Stützelement (5) - insbesondere gelenkig - verbunden ist, wobei die Kolben jeweils eine Gelenkanordnung aufweisen, an der die Schwenkscheibe (2) in Gleiteingriff steht, und wobei das Stützelement (5) am radial äußeren Ende eines mit der Antriebswelle (1) mitdrehenden und innerhalb derselben etwa in Radialrichtung fixierten Kraftübertragungselements (6) angeordnet ist,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Kraftübertragungselement (6) drehbar und/oder radial verschieblich am Stützelement (5) angelenkt ist, wobei sowohl das Kraftübertragungselement (6) als auch das Stützelement (5) zylinderbolzenförmig ausgebildet sind.
Verdichter nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Kraftübertragungselement (6) drehfest und/oder radial unverschieblich mit der Antriebswelle (1) verbunden ist.
Verdichter nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Stützelement (5) und das Kraftübertragungselement (6) eine in etwa T-förmige Gaskraftstütze (9) bilden.
Verdichter nach einem der vorangehenden Ansprüche, insbesondere Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Stützelement (5) eine Aussparung, insbesondere eine Bohrung (8) umfaßt, in welche das Kraftübertragungselement (6) eingreift.
Verdichter nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Stützelement (5) in einer zylinderförmigen Aussparung (10), insbesondere Bohrung in der Schwenkscheibe (2) gelagert ist, welche sich senkrecht zur Antriebswellenachse (11) erstreckt.
Verdichter nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Stützelement (5) und das Kraftübertragungselement (6) im wesentlichen nur zur axialen Abstützung der Kolben bzw. Gaskraftabstützung dienen, während eine davon unabhängige Vorrichtung (7), insbesondere eine Gelenkverbindung, zwischen Antriebswelle (1) und Schwenkscheibe (2) im wesentlichen nur der Drehmomentübertragung dient.
Verdichter nach einem der Ansprüche 1 oder 3 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Kraftübertragungselement (6) drehbar in der Antriebswelle (1) gelagert ist, während das Stützelement (5) drehfest mit dem Kraftübertragungselement (6) in Eingriff steht.
Verdichter nach einem der Ansprüche 1 oder 3 bis 7, insbesondere nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Kraftübertragungselement (6) ein Bolzen mit einem wenigstens teilweise etwa halbkreisförmigen oder halbelliptischen Querschnitt ist.
Verdichter nach einem der vorangehenden Ansprüche,
wobei die Schwenkscheibe (2) an einer längs der Antriebswelle (1) axial verschieblich gelagerten Schiebehülse (3) schwenkbar gelagert ist,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Schwenkscheibe (2) über Antriebsbolzen (7) mit der Schiebehülse (3) und/oder der Antriebswelle (1) verbunden ist.
Verdichter nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Antriebsbolzen (7) in die Schiebehülse (3) oder die Schwenkscheibe (2) eingepreßt oder durch axiale Sicherungselemente in derselben gesichert sind.
Verdichter nach Anspruch 9 oder 10,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Antriebsbolzen (7) in eine Aussparung, insbesondere Nut (15) in der Antriebswelle (1) hineinragen.
Verdichter nach einem der Ansprüche 9 bis 11,
dadurch gekennzeichnet, daß
ein Verbindungselement, insbesondere Paßfeder, zwischen Antriebswelle (1) und Schiebehülse (3) angeordnet ist, welches eine Übertragung von Kräften bzw. Momenten in radialer Richtung erlaubt und axial verschieblich auf der Antriebswelle (1) gelagert ist.
Verdichter nach einem der Ansprüche 9 bis 12,
dadurch gekennzeichnet, daß
das dem Stützelement (5) abgewandte Ende des Kraftübertragungselements (6) durch die Antriebswelle (1) hindurch- und in einen Längsschlitz an der Schiebehülse (3) hineinragt derart, daß durch das dem Stützelement (5) abgewandten Ende des Kraftübertragungselements (6) ein Antriebsdrehmoment von der Antriebswelle (1) auf die Schiebehülse (3) übertragen wird.
Verdichter nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, daß
Bereiche der Aussparung (10), insbesondere Bohrung in der Schwenkscheibe (2), die nicht durch das Stützelement (5) ausgefüllt sind, mit einem Ausgleichsgewicht, insbesondere in Form eines Verschlußelements bzw. in Form von Verschlußelementen verschlossen, insbesondere im wesentlichen ausgefüllt ist bzw. sind.
Verdichter nach einem der Ansprüche 9 bis 14,
dadurch gekennzeichnet, daß
zwischen der Schiebehülse (3) und der Schwenkscheibe (2) eine Vorrichtung, insbesondere wenigstens ein zylinderstiftartiges Element oder Stütz- bzw. Kontaktflächen vorgesehen sind, um ein im Bereich der Antriebswelle (1) angreifendes Verdrehmoment abzustützen.
Verdichter nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Kraftübertragungselement (6), insbesondere die Längsachse desselben gegenüber der Drehmomentachse bzw. der Achse des Verdrehmoments, insbesondere Antriebswellenachse (1) versetzt angeordnet ist.
Verdichter nach einem der vorangehenden Ansprüche, insbesondere Anspruch 16,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Stützelement (5) und/oder das Kraftübertragungselement (6) mehrteilig ausgebildet ist/sind.
Verdichter nach einem der vorangehenden Ansprüche, insbesondere Anspruch 17,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Kraftübertragungselement (6) abgewinkelt ausgebildet ist, insbesondere einen sich senkrecht zur Kippmomentenachse und einen sich durch diese hindurcherstreckenden Abschnitt umfaßt.
Verdichter nach einem der vorangehenden Ansprüche, insbesondere Anspruch 16,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Kraftübertragungselement (6) exzentrisch in der Antriebswelle (1) angeordnet ist.
Verdichter nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Schwenkscheibe (2) aus Stahl oder Messing oder Bronze gefertigt ist.
Verdichter nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Schwenkscheibe (2) eine verschleißarme Beschichtung aufweist.
Verdichter nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Kolben aus einer Aluminium bzw. einer Aluminiumlegierung oder aus Stahl bzw. einer Stahllegierung gefertigt sind.
Verdichter nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Stützelement tonnenförmig bzw. zigarrenförmig bzw. zylinderförmig mit von der Tonne- bzw. Zigarren- bzw. Zylindermitte zu den Tonnen- bzw. Zigarren- bzw. Zylinderenden hin verjüngendem Durchmesser ausgebildet ist.