EP3221584A1 - Kompressor mit anpassbarer übersetzung zur antriebsquelle - Google Patents

Kompressor mit anpassbarer übersetzung zur antriebsquelle

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EP3221584A1
EP3221584A1 EP15794204.6A EP15794204A EP3221584A1 EP 3221584 A1 EP3221584 A1 EP 3221584A1 EP 15794204 A EP15794204 A EP 15794204A EP 3221584 A1 EP3221584 A1 EP 3221584A1
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EP
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crankshaft
compressor
axis
gear
cylinder space
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Gilles Hebrard
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Knorr Bremse Systeme fuer Nutzfahrzeuge GmbH
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Knorr Bremse Systeme fuer Nutzfahrzeuge GmbH
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    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F7/00—Casings, e.g. crankcases
    • F02F7/0002—Cylinder arrangements
    • F02F7/0019—Cylinders and crankshaft not in one plane (deaxation)

Definitions

  • the invention relates to a compressor which is connected by a gear ratio with a drive source.
  • Commercial vehicle air compressors typically convert rotational motion provided by the drive source (motor) of at least one piston that moves up and down in a cylinder and compresses the air as it travels. This conversion is done by a connecting rod which is rotatably mounted with a connecting rod eye on the piston and which is mounted eccentrically rotatable with another connecting rod on a crankshaft.
  • the crankshaft is rotated by a gear ratio of the drive source in rotation. The gear ratio is constant, so that the working speed of the compressor changes with the engine speed.
  • the compressor is generally designed so that it can still deliver the required compressed air demand of the vehicle at its system pressure even when the vehicle engine is idling.
  • the compressor must fit into a specified by the vehicle design installation volume, and the crankshaft must have a gear for the transmission of power, which fits into an existing on the drive source gear.
  • the operating parameters of the compressor are thus more or less fixed and accepted by the user, even if they should not be optimal in terms of noise or energy consumption.
  • a compressor has been developed.
  • This has a crankcase, in which a crankshaft is rotatably mounted in a crank chamber.
  • the crankcase includes at least one cylinder space in which a by a connecting rod eccentrically mounted on the crankshaft piston to a reciprocation can be excited.
  • the crankshaft is connected to a drive source by a gear transmission having a modulus m by the gear arranged on the crankshaft engages the gear on the drive source.
  • the axis of rotation of the crankshaft is offset against the central axis of the cylinder space by an amount dl which is an integer multiple of m / 2.
  • the central axis of the cylinder space is understood to be the axis from which the center of the base area of the cylinder space extends perpendicular to this base area, along which the piston moves.
  • the gear ratio of the transmission can be changed to a favorable range without having to make changes to the external dimensions of the compressor or to the drive source.
  • the gear of the drive source does not need to be changed. If the gear of the drive source has a number Zi of teeth and the crankshaft meshing therewith has a number Z 2 of teeth, then the pitch of the axes of rotation of the gears is given by m * (Zi + Z 2 ) / 2, where m is the Modulus of the transmission is. This modulus is a measure of the size of the teeth.
  • the claimed offset between the axis of rotation of the crankshaft and the central axis of the cylinder space is introduced, the number of teeth Z 2 of the gear on the crankshaft, and thus the transmission ratio of the transmission can be changed without changes to the drive source must be made.
  • the number of teeth remains integer, so that consuming adjustment measures account for the gears.
  • the claimed feature of the integer multiple of m / 2 is not interpreted purely mathematically, but also explicitly includes even distances dl, which differ from an integer multiple of m / 2 only so far that the gear of the crankshaft within the mechanical tolerances can intervene without changes to the size of the teeth for the purpose of transmitting power in the gear of the drive source.
  • the transmission advantageously has a transmission ratio between 1 to 0.9 and 1 to 1.1 from the drive source to the crankshaft.
  • Typical heavy-duty engines provide a gear with a modulus between 1.5 and 3.5 mm for driving a compressor.
  • the gear ratio per tooth by which the tooth number Z 2 of the gear on the crankshaft is changed can be changed by 2 to 3%.
  • the transmission ratio is greater than 1, ie Z 2 is smaller than Zi. Then the piston of the compressor moves faster. Given specifications for airflow per unit time (eg, 200 liters per minute at 12 bar system pressure and 700 rpm engine), less piston stroke in the cylinder is required to achieve this performance.
  • the transmission ratio is greater than 1, ie Z 2 is smaller than Zi.
  • Compressor can be made more compact. Because of the cramped space in the engine compartment of Kolbenhubraum is a constant bottleneck. Typically are only 360 to 400 cm 3 per cylinder are available.
  • the pivotally mounted against the crankshaft connecting rod eye of the connecting rod is freely movable in a circle about the axis of the crankshaft. The wear due to bearing forces is then particularly low. Furthermore, this embodiment takes up very little space in the crankcase of the crankcase.
  • the axis of rotation of the crankshaft against the central axis of the cylinder space by an amount dl between 1 and 5 mm, preferably between 2 and 3 mm, offset.
  • the invention offers the advantage that compressors of a limited scope of power classes with a high common-mode component can be produced inexpensively. It is to adjust the power only the offset dl between the axis of rotation of the crankshaft and the center axis of the cylinder adapt.
  • Figure 1 schematic diagram of the compressor according to the invention with offset between the crankshaft and center axis of the cylinder chamber.
  • FIG. 2 shows the integration of a compressor according to the invention into a given engine compartment.
  • FIG. 1 shows a schematic diagram of a compressor according to the invention.
  • the crankcase 1.5 is a cylinder bore la. Its central axis is marked with X.
  • a piston 2 moves in the cylinder bore. It is connected to the crankshaft 4 via a connecting rod 3.
  • the connecting rod has two connecting rod eyes 3a and 3b.
  • the upper connecting rod 3 a is rotatably supported against the piston 2.
  • the lower connecting rod 3b is rotatably supported against a crank pin 4a which rotates with the crankshaft 4 about the central axis Y thereof. If the crankshaft 4 rotates, the lower connecting-rod eye 3b of the connecting rod 3 describes a circle about the central axis Y of the crankshaft 4.
  • the axes X and Y run perpendicular to one another; the axis X runs in the plane of the drawing, the axis Y perpendicular to the plane of the drawing. However, both axes are shifted parallel to each other by an amount dl.
  • the crankshaft 4 is rotatably supported against the part 5 of the crankcase 1,5. The effect of the parallel displacement dl is shown in the integration of the compressor in an engine compartment as shown in FIG 2.
  • the engine block 9 is of fixed dimensions, which provides a predetermined gear 8 for driving the compressor.
  • the gearwheel rotates about an axis Z, which is perpendicular to the plane of the drawing and has a distance A from the center plane X of the cylinder space running in the plane of the drawing.
  • the crankshaft 4 is of a gear 7 driven that engages the gear 8 on the engine block 9.
  • This gear 7 rotates about the axis Y, which is the axis of symmetry of the crankshaft 4 and is perpendicular to the plane of the drawing.
  • the axes Y and Z have a distance B from each other which is smaller than the distance A. Therefore, the gear 7 has a number Z 2 of teeth, which is smaller than the tooth number Zi of the gear 8 on the engine block 9. The gear 7 thus rotates faster than the gear 8.
  • the compressor ejects a larger volume of air per unit time. This change was made without having to change the size and shape of the compressor. Also, the flange 6, with which it is mounted in the engine compartment, is located in the same place as in a compressor according to the prior art, the gear 7 was the same size as the gear. 8

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Abstract

Im Rahmen der Erfindung wurde ein Kompressor entwickelt. Dieser weist ein Kurbelgehäuse auf, in dem eine Kurbelwelle in einem Kurbelraum drehbar gelagert ist. Das Kurbelgehäuse enthält mindestens einen Zylinderraum, indem ein durch eine Pleuelstange exzentrisch an der Kurbelwelle gelagerter Kolben zu einer Hin- und Herbewebung anregbar ist. Die Kurbelwelle ist durch ein Zahnradgetriebe, dass einen Modulus m aufweist, mit einer Antriebsquelle verbunden, indem das an der Kurbelwelle angeordnete Zahnrad in das Zahnrad an der Antriebsquelle eingreift. Erfindungsgemäß ist die Drehachse der Kurbelwelle gegen die Mittelachse des Zylinderraums um einen Betrag dl versetzt, der ein ganzzahliges Vielfaches von m/2 ist. Unter der Mittelachse des Zylinderraums wird die vom Mittelpunkt der Grundfläche des Zylinderraums senkrecht zu dieser Grundfläche ausgehende Achse verstanden, entlang der der Kolben sich bewegt. Es wurde erkannt, dass auf diese Weise das Übersetzungsverhältnis des Getriebes in einen vorteilhaften Bereich geändert werden kann, ohne das an den Außenmaßen des Kompressors oder an der Antriebsquelle Veränderungen vorgenommen werden müssen. Insbesondere muss das Zahnrad der Antriebsquelle nicht geändert werden. Je nach Übersetzungsverhältnis kann das Betriebsgeräusch des Kompressors vermindert oder die Luftleistung erhöht werden.

Description

Kompressor mit anpassbarer Übersetzung zur Antriebsquelle
Die Erfindung betrifft einen Kompressor, der durch eine Getriebeübersetzung mit einer Antriebsquelle verbunden ist. Stand der Technik
Luftkompressoren für Nutzfahrzeuge wandeln in der Regel eine von der Antriebsquelle (Motor) bereitgestellte Drehbewegung mindestens eines Kolbens um, der sich in einem Zylinder auf- und abbewegt und bei dieser Bewegung die Luft verdichtet. Diese Umwandlung geschieht durch eine Pleuelstange, die mit einem Pleuelauge am Kolben drehbar gelagert ist und die mit einem anderen Pleuelauge exzentrisch drehbar an einer Kurbelwelle gelagert ist. Die Kurbelwelle wird durch eine Getriebeübersetzung von der Antriebsquelle in Drehung versetzt. Das Übersetzungsverhältnis ist konstant, so dass die Arbeitsgeschwindigkeit des Kompressors sich mit der Motor- drehzahl ändert.
Der Kompressor wird im Allgemeinen so ausgelegt, dass er den geforderten Druckluftbedarf des Fahrzeugs bei dessen Systemdruck auch im Leerlauf des Fahrzeugmotors noch liefern kann. Dabei muss der Kompressor in ein durch das Fahrzeugdesign vorgegebenes Einbauvolumen passen, und die Kurbelwelle muss für die Kraftübertragung ein Zahnrad aufweisen, das in ein an der Antriebsquelle vorhandenes Zahnrad passt. Die Betriebsparameter des Kompressors sind also mehr oder weniger fest vorgegeben und vom Benutzer hinzunehmen, auch wenn sie im Hinblick auf das Geräusch oder den Energieverbrauch nicht optimal sein sollten. Aufgabe und Lösung
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, einen Kompressor zur Verfügung zu stellen, der bei Vorgabe eines konkreten Einbauraumes im Motorraum und eines konkreten Zahnrades an der Antriebsquelle für die Kraftübertragung auf vorteilhaftere Betrieb sparameter konfigurierbar ist. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Kompressor gemäß Hauptanspruch. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den darauf rückbezogenen Unteransprüchen.
Gegenstand der Erfindung
Im Rahmen der Erfindung wurde ein Kompressor entwickelt. Dieser weist ein Kurbelgehäuse auf, in dem eine Kurbelwelle in einem Kurbelraum drehbar gelagert ist. Das Kurbelgehäuse enthält mindestens einen Zylinderraum, indem ein durch eine Pleuelstange exzentrisch an der Kurbelwelle gelagerter Kolben zu einer Hin- und Herbewebung anregbar ist. Die Kurbelwelle ist durch ein Zahnradgetriebe, dass einen Modulus m aufweist, mit einer Antriebsquelle verbunden, indem das an der Kurbelwelle angeordnete Zahnrad in das Zahnrad an der Antriebsquelle eingreift.
Erfindungsgemäß ist die Drehachse der Kurbelwelle gegen die Mittelachse des Zylinderraums um einen Betrag dl versetzt, der ein ganzzahliges Vielfaches von m/2 ist. Unter der Mittelachse des Zylinderraums wird die vom Mittelpunkt der Grundfläche des Zylinderraums senkrecht zu dieser Grundfläche ausgehende Achse verstanden, entlang der der Kolben sich bewegt.
Es wurde erkannt, dass auf diese Weise das Übersetzungsverhältnis des Getriebes in einen vorteilhaften Bereich geändert werden kann, ohne das an den Außenmaßen des Kompressors oder an der Antriebsquelle Veränderungen vorgenommen werden müs- sen. Insbesondere muss das Zahnrad der Antriebsquelle nicht geändert werden. Wenn das Zahnrad der Antriebsquelle eine Anzahl Zi von Zähnen hat und das darin eingreifende Zahnrad der Kurbelwelle eine Anzahl Z2 von Zähnen hat, dann ist der Abstand der Drehachsen der Zahnräder gegeben durch m*(Zi + Z2)/2, worin m der Modulus des Getriebes ist. Dieser Modulus ist ein Maß für die Größe der Zähne. In dem der beanspruchte Versatz zwischen der Drehachse der Kurbelwelle und der Mittelachse des Zylinderraums eingeführt wird, kann die Zahnzahl Z2 des Zahnrads an der Kurbelwelle und damit auch das Übersetzungsverhältnis des Getriebes geändert werden, ohne das an der Antriebsquelle Veränderungen vorgenommen werden müssen. Gerade bei dem beanspruchten Versatz bleibt die Zahnanzahl ganzzahlig, so dass aufwendige Anpassungsmaßnahmen an den Zahnrädern entfallen. Somit ist das beanspruchte Merkmal des ganzzahligen Vielfachen von m/2 auch nicht rein mathematisch auszulegen, sondern umfasst ausdrücklich auch noch Abstände dl, die von einem ganzzahligen Vielfachen von m/2 nur so weit abweichen, dass das Zahnrad der Kurbelwelle im Rahmen der mechanischen Toleranzen noch ohne Änderungen an der Größe der Zähne zwecks Kraftübertragung in das Zahnrad der Antriebsquelle eingreifen kann.
Dabei weist das Getriebe vorteilhaft ein Übersetzungsverhältnis zwischen 1 zu 0,9 und 1 zu 1,1 von der Antriebsquelle auf die Kurbelwelle auf. Die typischen Motoren für schwere Nutzfahrzeuge stellen für den Antrieb eines Kompressors ein Zahnrad mit einem Moduluswert zwischen 1,5 und 3,5 mm bereit. Damit kann das Übersetzungsverhältnis pro Zahn, um den die Zahnanzahl Z2 des Zahnrads an der Kurbelwelle geändert wird, um 2 bis 3 % geändert werden. Nach dem Stand der Technik waren die Zahnanzahlen beider Zahnräder identisch, also Zi = Z2. Wird Z2 jetzt über Zi hinaus gesteigert, bewegt sich der Kolben im Kompressor langsamer. Damit kann das Betriebsgeräusch des Kompressors vermindert werden um den Preis, dass auch die Luftleistung pro Zeiteinheit abnimmt. Vorteilhaft ist daher das Übersetzungsverhältnis größer als 1, d.h. Z2 ist kleiner als Zi. Dann bewegt sich der Kolben des Kompressors schneller. Bei gegebenen Spezifikationen für die Luftleistung pro Zeiteinheit (beispielsweise 200 Liter pro Minute bei 12 bar Systemdruck und 700 Umdrehungen pro Minute des Motors) ist dann we- niger Kolbenhub im Zylinder erforderlich, um diese Leistung zu erbringen. Der
Kompressor kann kompakter ausgestaltet werden. Wegen der beengten Platzverhältnisse im Motorraum ist der Kolbenhubraum ein ständiger Engpass. Typischerweise stehen nur 360 bis 400 cm3 pro Zylinder zur Verfügung. Vorteilhaft ist das gegen die Kurbelwelle drehbar gelagerte Pleuelauge der Pleuelstange frei in einem Kreis um die Achse der Kurbelwelle beweglich. Der Verschleiß durch Lagerkräfte ist dann besonders gering. Weiterhin beansprucht diese Ausgestaltung besonders wenig Platz im Kurbelraum des Kurbelgehäuses. Vorteilhaft ist die Drehachse der Kurbelwelle gegen die Mittelachse des Zylinderraums um einen Betrag dl zwischen 1 und 5 mm, bevorzugt zwischen 2 und 3 mm, versetzt. Dann kann zusätzlich der Effekt ausgenutzt werden, dass bei der Drehung der Kurbelwelle um ihre Achse die Auslenkung der Pleuelstange aus der Mittelachse des Zylinders vermindert wird. Diese Auslenkung beaufschlagt den Kolben mit einer Kraftkomponente, die gegen die Wand des Zylinders drückt und somit den Verschleiß durch Reibung zwischen Zylinder und Kolben erhöht.
Allgemein bietet die Erfindung den Vorteil, dass Kompressoren eines begrenzten Umfangs an Leistungsklassen mit einem hohen Gleichteilanteil kostengünstig gefer- tigt werden könne. Es ist zur Einstellung der Leistung lediglich der Versatz dl zwischen der Drehachse der Kurbelwelle und der Mittelachse des Zylinders anzupassen. Spezieller Beschreibungsteil
Nachfolgend wird der Gegenstand der Erfindung anhand von Figuren erläutert, ohne dass der Gegenstand der Erfindung hierdurch beschränkt wird. Es ist gezeigt:
Figur 1 Prinzipskizze des erfindungsgemäßen Kompressors mit Versatz zwischen Kurbelwelle und Mittelachse des Zylinderraums.
Figur 2 Integration eines erfindungsgemäßen Kompressors in einen vorgege- b enen Motorraum .
Figur 1 zeigt eine Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen Kompressors. In dem Kurbelgehäuse 1,5 befindet sich eine Zylinderbohrung la. Ihre Mittelachse ist mit X bezeichnet. In der Zylinderbohrung bewegt sich ein Kolben 2. Er ist über eine Pleu- elstange 3 mit der Kurbelwelle 4 verbunden. Die Pleuelstange hat zwei Pleuelaugen 3a und 3b. Das obere Pleuelauge 3a ist drehbar gegen den Kolben 2 gelagert. Das untere Pleuelauge 3b ist drehbar gegen einen Kurbelzapfen 4a gelagert, der sich mit der Kurbelwelle 4 um deren Mittelachse Y dreht. Dreht sich die Kurbelwelle 4, beschreibt das untere Pleuelauge 3b der Pleuelstange 3 einen Kreis um die Mittelachse Y der Kurbelwelle 4. Die Achsen X und Y verlaufen senkrecht zueinander; die Achse X verläuft in der Zeichenebene, die Achse Y senkrecht zur Zeichenebene. Beide Achsen sind jedoch parallel um einen Betrag dl zueinander verschoben. Die Kurbelwelle 4 ist gegen das Teil 5 des Kurbelgehäuses 1,5 drehbar gelagert. Die Wirkung der Parallelverschiebung dl zeigt sich bei der Integration des Kompressors in einen Motorraum gemäß Figur 2. An einem vorgegebenen Ort befindet sich der Motorblock 9 mit festen Abmessungen, der ein vorgegebenes Zahnrad 8 für den Antrieb des Kompressors bereitstellt. Das Zahnrad dreht sich um eine Achse Z, die senkrecht auf der Zeichenebene steht und von der in der Zeichenebene verlaufenden Mittelachse X des Zylinderraums einen Abstand A hat. Die Kurbelwelle 4 wird von einem Zahnrad 7 angetrieben, dass in das Zahnrad 8 am Motorblock 9 eingreift. Dieses Zahnrad 7 dreht sich um die Achse Y, die die Symmetrieachse der Kurbelwelle 4 ist und senkrecht auf der Zeichenebene steht. Die Achsen Y und Z haben einen Abstand B voneinander, der kleiner als der Abstand A ist. Daher hat das Zahnrad 7 eine Anzahl Z2 von Zähnen, die kleiner ist als die Zahnanzahl Zi des Zahnrads 8 am Motorblock 9. Das Zahnrad 7 dreht also schneller als das Zahnrad 8. Dadurch stößt der Kompressor pro Zeiteinheit ein größeres Luftvolumen aus. Diese Veränderung wurde bewirkt, ohne das an den Abmessungen und am Formfaktor des Kompressors eine Veränderung vorgenommen werden musste. Auch der Flansch 6, mit dem er im Mo- torraum montiert ist, befindet sich an der gleichen Stelle wie bei einem Kompressor gemäß Stand der Technik, dessen Zahnrad 7 genauso groß war wie das Zahnrad 8.

Claims

Patentansprüche
Kompressor mit einem Kurbelgehäuse (1,5), in dem eine Kurbelwelle (4) in einem Kurbelraum drehbar gelagert ist, wobei das Kurbelgehäuse (1,5) mindestens einen Zylinderraum (la) enthält, in dem ein durch eine Pleuelstange
(3) exzentrisch an der Kurbelwelle (4) gelagerter Kolben (2) zu einer Hin- und Herbewegung anregbar ist und wobei die Kurbelwelle (4) durch ein Zahnradgetriebe (7,8), das einen Modulus m aufweist, mit einer Antriebsquelle (9) verbunden ist, indem das an der Kurbelwelle (4) angeordnete Zahnrad (7) in das Zahnrad (8) der Antriebsquelle (9) eingreift,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Drehachse (Y) der Kurbelwelle (4) gegen die Mittelachse (X) des Zylinderraums (la) um einen Betrag dl versetzt ist, der ein ganzzahliges Vielfaches von m/2 ist.
Kompressor nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe (7,8) ein Übersetzungsverhältnis zwischen 1 :0,9 und 1 : 1,1 von der Antriebsquelle (9) auf die Kurbelwelle
(4) aufweist.
Kompressor nach einem der Ansprüche 1 bis 2,
dadurch gekennzeichnet, dass das Übersetzungsverhältnis größer als 1 ist. Kompressor nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass das gegen die Kurbelwelle (4) drehbar gelagerte Pleuelauge (3b) der Pleuelstange (3) frei in einem Kreis um die Achse (Y) der Kurbelwelle (4) beweglich ist.
5. Kompressor nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass die Drehachse (Y) der Kurbelwelle (4) gegen die Mittelachse (X) des Zylinderraums (la) um einen Betrag dl zwischen 1 und 5 mm, bevorzugt zwischen 2 und 3 mm, versetzt ist.
EP15794204.6A 2014-11-17 2015-11-16 Kompressor mit anpassbarer übersetzung zur antriebsquelle Active EP3221584B1 (de)

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