Beschreibung
Kolbenmaschine insbesondere Verdichter
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft Kolbenmaschmen mit mindestens einem Kolben, einer Antriebswelle und einem Koppelmechaπismus, der den Kolben mit der Antriebswelle verbindet
Ein Beispiel für eine solche Kolbenmaschine ist ein Axialkolbeπverdichter, wie er beispielsweise in der DE 197 03 216 A1 gezeigt ist Er kann insbesondere als Kompressor in einem Kaltemittelkreisiauf einer Klimaanlage verwendet werden, beispielsweise für Kraftfahrzeuge Der Kompressor dient dazu, ein Kältemittel aus einem Wärmeübertrager, in welchem es unter Wärmeaufnahme bei niedrigem Druck verdampft anzusaugen und auf einen höheren Druck zu verdichten, bei dem das Kaltemittelgas in einem weiteren Wärmeübertrager unter Wärmeabgabe verflüssigt und/oder abgekühlt wird
Solche Kompressoren sind in den unterschiedlichsten Bauarten bekannt, aus verschiedenen Gründen haben sich Axialkolbenverdichter durchgesetzt, die mit einer Schragscheibe arbeiten Bei dieser Bauart wird die axiale Bewegung der Kolben von einer Schragscheibe erzeugt, deren Kippwinkel relativ zur Antriebswelle gesteuert werden kann Mit der Schragscheibe sind zug- und druckfest die Kolben verbunden, da die Zylinder, in welchen die Kolben verschiebbar sind, feststehend sind, wahrend die Schragscheibe angetrieben wird, sind als Koppelmechaπismus zwischen der Schragscheibe und den Kolben entweder Gleitsteine mit Gleitlagern vorgesehen, die an den Kolben angebracht sind, oder eine Taumelscheibe mit Kolbenstangen, die in Gleitlagern an
deπ Kolben angebracht sind Wenn die Kolben direkt mit der Schragscheibe verbunden sind, sind an jedem Kolben zwei halbkugelformige Lager ausgebildet, in welchem die beiden Gleitsteine so angeordnet sind, daß sie auf der einen und der anderen Seite der Schragscheibe auf einer Laufflache angreifen Wenn dagegen eine Taumelscheibe verwendet wird, ist diese relativ zur Schragscheibe drehbar gelagert, so daß auf die Taumelscheibe nur die Schragstellung der Schragscheibe übertragen wird nicht aber deren Drehbewegung Die Kolbenstangen sind sowohl an der Taumelscheibe als auch an den Kolben durch ein Kugelgelenk gelagert
Nachteilig bei den bekannten Konstruktionen ist, daß es im Bereich der Gleitlager drehzahlabhangig zu hohen Reibverlusten kommt, da diese bei der Gleitlageruπg proportional zur Drehzahl sind und im Bereich der Gleitlager relativ hohe Reibkoeffizienten auftreten Bei der Verwendung einer Taumelschei- be finden im Bereich der Gleitlager nur vergleichsweise kleine Relativbewe- guπgen statt Somit kann sich damit kein hydrodynamischer Schmierfilm ausbilden und es kommt zur Mangelschmierung Gleichzeitig müssen, da die Schragscheibe, die gegebenenfalls vorhandene Taumelscheibe die Gleitsteine, die Kolbenstangen und die Kolben aus Metall bestehen wahrend des Be- tπebs hohe Massentragheitsmomente überwunden werden
Vorteile der Erfindung
Eine Kolbenmaschine der eingangs genannten Art mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 bietet den Vorteil, daß die Schmierung der Gleitlager der Kolbenmaschine entweder vollständig überflüssig ist oder wenigstens sehr viel einfacher bewerkstelligt werden kann Die Verwendung von Kunststoff ermöglicht es nämlich entweder, die Gleitlager vollständig einzusparen, so daß keinerlei Schmierung mehr erforderlich ist, oder wenigstens solche Gleitlager vorzusehen, die entweder seibstschmierend sind oder mit Schmierstoffen mit geringer Viskosität geschmiert werden kon-
nen Zusätzlich ergeben sich bei der erfiπdungsgemaßeπ Kolbenmaschine verringerte Massenkrafte, was zu einer verbesserten Laufruhe fuhrt Somit ergibt sich eine geringere Gerauschentwicklung was den Komfort beispielsweise im Inπenraum eines Fahrzeugs erhöht das mit der Kolbenmaschine ausgestattet ist Schließlich eröffnet die leichtere Formgebung von Kunststoff die Möglichkeit, bisher getrennte Bauteile eiπstuckig auszufuhren, was zu einer verringerten Teileaπzahl und somit verringerten Herstellungs- und Moπtagekosten fuhrt Auch die Tatsache, daß keine spanende Bearbeitung mehr erforderlich ist, fuhrt zu Kosten- und Materialeinsparungen und zu einer Verringerung des Ar- beitsaufwaπdes
Gemäß einer bevorzugten Ausfuhrungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß die Kolbenmaschine ein Axialkolbenverdichter ist, der eine Schragscheibe aufweist, die an der Antriebswelle schwenkbar angebracht ist und daß der Kop- pelmechanismus an der Schragscheibe angreift In diesem Fall können zur Schmierung, falls sie sich weiterhin als notwendig erweist Kaltemaschinenole mit sehr geringer Viskosität verwendet werden Solche Ole sind, das sie immer in kleinen Anteilen (z B 5-10%) mit dem Kältemittel vom Verdichter in den Kältemittel-Kreislauf gelangen vorteilhaft, da sie die Warmeubergangsbedin- gungen in den Wärmetauschern sehr viel weniger negativ beeinflussen als die bisher verwendeten Kaltemaschinenole
Gemäß einer bevorzugten Ausfuhruπgsform der Erfindung ist vorgesehen, daß der Koppeimechanismus ein mit dem Kolben verbundenes Kugelgelenk auf- weist, das die Schragscheibe umgreift, wobei das Kugelgelenk zwei Gleitsteine aufweist, die auf der einen und der anderen Seite der Schragscheibe anliegen, sich jeweils in einer Gelenkschale des Kugelgelenks abstutzen und aus Kunststoff bestehen Diese Ausgestaltung ist vorteilhaft hinsichtlich der Schmierung der Gleitsteine im Bereich der Gelenkschale Die Gleitsteine fuh- ren in der Geleπkschale nämlich nur eine vergleichsweise kleine Schwenkbewegung durch, die zum Kippwiπkel der Schragscheibe proportional ist Ein
Gleitstein aus einem selbstschmierenden Kunststoff ist sehr viel unempfindlicher gegen eine Maπgelschmierung als ein herkömmlicher Gleitstem, der aus Metall besteht
Gemäß einer alternativen bevorzugten Ausfuhrungsform ist vorgesehen, daß der Koppelmechaπismus eine Taumelscheibe aufweist, die drehbar an der Schragscheibe gelagert ist, sowie eine mit dem Kolben verbundene Kolbenstange, wobei die Taumelscheibe die Kolbenstange und der Kolben aus Kunststoff bestehen Auch diese Gestaltung verringert durch die Verwendung von selbstschmiereπdem Kunststoff die Anforderungen an eine Schmierung der sich bewegenden Teile, insbesondere der Verbindung zwischen der Kolbenstange einerseits und der Taumelscheibe bzw dem Kolben andererseits
Gemäß einer bevorzugten Ausfuhrungsform ist vorgesehen, daß die Taumel- scheibe die Kolbenstange und der Kolben einstuckig ausgebildet sind Bei dieser Gestaltung sind keine Gelenke oder Lager zwischen der Kolbenstange einerseits und der Taumelscheibe bzw dem Kolben andererseits erforderlich, die notwendige Bewegbarkeit zwischen diesen Teilen wird allein von der Elastizität der Kolbenstange bereitgestellt Diese Gestaltung zeichnet sich dadurch aus, daß keinerlei Schmierung erforderlich ist so daß ein olfreier Verdichter realisiert werden kann wenn auch die übrigen Bauteile so ausgeführt sind, daß sie über eine Selbstschmierung hinaus keine separate Schmierung benotigen Ferner ergibt sich ein besonders geringer Herstellungs- und Montageaufwand
Vorzugsweise ist die Kolbenstange ein hohles Spntzgußteil Auf diese Weise lassen sich die Anforderungen an die Kolbenstange, nämlich einerseits ausreichende Biegesteifigkeit, um die Druckkräfte auf den Kolben zu übertragen, andererseits ausreichende Verformbarkeit, um ohne große Verluste die Relativ- bewegungeπ zwischen Kolben und Taumelscheibe aufnehmen zu können, in besonders einfacher Weise einhalten Zu diesem Zweck kann vorgesehen sein, daß die Kolbenstange in einem Querschnitt senkrecht zur Langsachse
betrachtet, eine sich in Umfaπgsnchtung periodisch ändernde Wandstärke aufweist Diese Ausgestaltung ist in Verbindung mit der Verwendung von glasfaserverstärktem thermoplastischen Kunststoff für die Kolbenstange dahingehend vorteilhaft daß bei geringer Wandstarke eine hohe Steifigkeit erzielt wer- den kann
Ferner kann vorgesehen sein, daß die Kolbenstange im Bereich des Übergangs in die Taumelscheibe mit größerer Wandstarke ausgeführt ist Auf diese Weise wird gewahrleistet, daß die kritische Kπickspannung in diesem Bereich derart erhöht wird, daß die auftretenden Druckkräfte problemlos übertragen werden können
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteran- spruchen
Zeichnungen
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf verschiedene Ausfuhrungsformen beschrieben, die in den beigefugten Zeichnungen dargestellt sind In diesen zeigen
- Figur 1 in einer schematischen Schnittansicht einen Axialkolbenverdichter gemäß einer ersten Ausfuhrungsform der Erfindung,
- Figur 2 in einem schematischen Schnitt einen Axialkolbeπverdichter gemäß einer zweiten Ausfuhrungsform der Erfindung,
- Figur 3 in einem vergrößerten Maßstab das Detail III von Figur 2
- Figur 4 in einer Prinzipskizze einen Axialkolbeπverdichter gemäß einer dritten Ausfuhrungsform der Erfindung,
- Figur 5 einen Querschnitt entlang der Ebene V von Figur 4.
- Figur 6 in einem schematischen Schnitt einen Kolbenverdichter gemäß einer vierten Ausfuhruπgsform der Erfindung in einer ersten Stellung, und
- Figur 7 in einem schematischen Schnitt den Kolbenverdichter von Figur 6 in einer zweiten Stellung
Beschreibung der Ausfuhruπgsbeispiele
In Figur 1 ist schematisch eine Kolbenmaschine gemäß einer ersten Ausfuhrungsform dargestellt Es handelt sich um einen Axialkolbeπverdichter, der eine Antriebswelle 10 enthalt, die in einem Gehäuse 12 gelagert ist Mit der An- tπebswelle 10 ist drehfest eine Schragscheibe verbunden, die zwischen einer Stellung, in der sie sich etwa senkrecht zur Langsachse der Antriebswelle 10 erstreckt und einer maximal gekippten Stellung verschwenkt werden kann, die in Figur 1 gezeigt ist Die Stellung, die die Schragscheibe im Betrieb einnimmt, stellt sich in Abhängigkeit von der Differenz zwischen den beiden Koibenseiten (Gehausedruck und Verdichteriπnendruck) sowie durch die Verdichterdrehzahl und die Federkraft einer Feder 16 ein, welche die Schragscheibe auf der Antriebswelle 10 verschieben kann, wobei sich die Schragscheibe an einem Halter 17 abstutzt, so daß sie bei einer Verschiebung auf der Antriebswelle verschwenkt wird Geregelt wird der Verdichter durch Variation des Gehause- drucks
An der Schragscheibe ist drehbar eine Taumelscheibe 18 mittels radialen und axialen Walzlagern 20, 22 gelagert An der Taumelscheibe 18 ist ein Kugelkopf 24 ausgebildet, der in einer geeigneten Kulisse im Gehäuse 12 gefuhrt wird, so daß die Taumelscheibe 18 relativ zum Gehäuse drehfest gehalten wird
Aπ der Taumelscheibe 18 sind mehrere Kugelgelenke 26 ausgebildet, mittels denen jeweils eine Kolbenstange 28 zug- und druckfest, aber schwenkbar an der Taumelscheibe 18 gelagert ist Das andere Ende jeder Kolbenstange 28 ist mittels eines weiteren Kugelgelenks 30 zug- und druckfest mit einem Kolben 32 gekoppelt Jeder Kolben 32 ist in einem Zylinder 34 verschiebbar, dessen Mittelachse parallel zur Längsachse der Antriebswelle 10 verlauft In der Zeichnung sind nur zwei Kolben gezeigt, tatsächlich kann der Verdichter mehr (üblicherweise bis zu sieben) Kolben enthalten
Wenn die Antriebswelle 10 in Drehung versetzt wird und die Schragscheibe sich in einer Stellung schräg zur Antriebswelle befindet, fuhrt jede Kolbenstange 28 eine hm- und hergehende Bewegung aus, so daß auch die Kolben 32 eine hin- und hergehende Bewegung in den entsprechenden Zylindern 34 ausfuhren Diese Bewegung kann dazu genutzt werden beispielsweise ein Kältemittel zu verdichten, wenn die Axialkolbeπverdichter als Kaltemittelver- dichter für eine Klimaanlage verwendet wird
Um hinsichtlich der Schmierung insbesondere in den Kugelgelenken 26, 30 nur sehr geringe Anforderungen einhalten zu müssen, sind die Taumelscheibe 18 die Kolbenstange 28 und die Kolben 32 aus Kunststoff hergestellt Ferner ergeben sich so geringe Massenträgheiten, was sowohl die erforderliche An- tπebsleistung als auch das beim Betrieb auftretende Laufgerausch positiv beeinflußt Wenn ein selbstschmierender Kunststoff gewählt wird, kann auf eine Schmierung vollständig verzichtet werden
In Figur 2 ist eine alternative Ausfuhrungsform eines erfindungsgemaßeπ Axialkolbenverdichters dargestellt Im Unterschied zur ersten Ausfuhrungsform wird bei dieser Ausfuhrungsform die erforderliche Relativdrehung zwischen dem Kolben 32 und der Schragscheibe durch Gleitsteine 36 erzielt, die eine ebene Laufflache 38, die an einer Laufbahn der Schragscheibe anliegt, sowie eine kugelsegmeπtformige Schwenkflache 40 aufweisen, die sich jeweils in ei-
πer Gelenkschale 42 abstutzt Die Anordnung der Gelenkschalen 42 und der Gleitsteine 36 ist so gewählt, daß sich die Schragscheibe zwischen den beiden Gleitsteiπen 36 drehen kann wobei gleichzeitig eine radiale Bewegung möglich
Da die Schwenkflachen 40 relativ zu den Gelenkschaleπ 42 nur geringfügig verschwenkt werden, was die Erzielung eines hydrodynamischen Schmierfilms unmöglich macht, werden Gleitsteine aus Kunststoff verwendet, die hinsichtlich der Schmierung geringere Anforderungen stellen
In Figur 4 ist eine Prinzipskizze eines Axialkolbeπverdichters gemäß einer weiteren Ausfuhrungsform gezeigt Diese Ausfuhrungsform basiert hinsichtlich ihrer Funktion auf dem Axialkolbenverdichter von Figur 1 , verwendet also eine Taumelscheibe 18, die relativ zur Schragscheibe drehbar ist, wahrend sie rela- tiv zum Gehäuse eine taumelnde nicht aber eine drehende Bewegung ausfuhrt Im Gegensatz zur Ausgestaltung gemäß Figur 1 , bei der gelenkig mit dem Kolben und der Taumelscheibe 18 verbundene Kolbenstangen 28 verwendet werden, sind bei dieser Ausfuhrungsform der gesamte Koppelmechanismus, also die Taumelscheibe 18 und die Kolbenstange 28, sowie die Kolben 32 einstuckig miteinander aus Kunststoff ausgebildet Die wahrend des Betriebs auftretenden Relativbewegungen werden vollständig von der Kolbenstange 28 ermöglicht, die zu diesem Zweck mit der erforderlichen Elastizität ausgeführt ist Im Hinblick auf die erforderliche Knicksteifigkeit der Kolbenstange 28 ist es vorteilhaft, diese am Übergang in die Taumelscheibe 18 mit ver- großertem Querschnitt auszufuhren
In Figur 4 sind die verschiedenen geometrischen Konstellationen gezeigt, die wahrend des Betriebs des Axialkolbenverdichters auftreten können Die Momentaufnahme mit der senkrecht zur Längsachse der Antriebswelle 10 ausge- richteten Taumelscheibe 18 entspricht entweder einem Betrieb ohne Förderleistung oder, beim Betrieb mit gekippter Taumelscheibe, dem Moment, in wel-
chem die Kolbenstange 28 einen der beiden Radien der Taumelscheibe schneidet, die senkrecht zur Antriebswelle 10 sind In diesem Zustand hat das mit der Taumelscheibe 18 verbundene Ende der Kolbenstange 28 den maximal möglichen radialen Abstand von der Antriebswelle Mit den Bezugszeichen 18', 28' und 32 ist die Stellung des Koppelmechanismus und des Kolbens 32 gezeigt, in der der Kolben sich in einer Endstelluπg seines Hubes befindet, nämlich am Übergang vom Saughub zum Druckhub Mit den Bezugszeichen 18", 28" und 32" sind der Koppelmechanismus und der Kolben in der Stellung gezeigt, in der sie den maximalen Hub H zurückgelegt haben und sich der Kol- ben in seiner anderen Eπdstelluπg nach dem Ausfuhren des Druckhubes befindet In den beiden Stellungen 28', 28" befindet sich das mit der Taumelscheibe 18 verbundene Ende der Kolbenstange im maximal möglichen radialen Abstand von der Antriebswelle 10 Das mit dem Kolben 32 verbundene Ende der Kolbenstange ist in einem mittleren radialen Abstand von der Antriebswelle 10 angeordnet. Somit muß die Kolbenstange 28 mittels ihrer Eigenelastizitat eine periodische Bewegung des mit der Taumelscheibe 18 verbundenen Endes der Kolbenstange 28 in radialer Richtung um einen Mittelwert mit einer Amplitude von Δx ermöglichen, die der Differenz zwischen dem maximalen Radius und dem minimalen Radius des mit der Taumelscheibe 18 verbundenen Endes der Kolbenstange entspricht Zusätzlich muß die Kolbenstange eine Kippbewegung ermöglichen, die aus der Schragstellung der Schragscheibe und somit der Taumelscheibe 18 um den Winkel α resultiert
Ein geeignetes Material, welches die erforderliche Elastizität bei gleichzeitig ausreichender Druckfestigkeit bietet, sind glasfaserverstärkte thermoplastische Kunststoffe, beispielsweise Ticona GE 1000 und GE 4001 Die Teile können spritzgegossen werden, wobei insbesondere die Kolbenstange 28 als Hohlprofil ausgeführt wird Ein besonders geeigneter Querschnitt ist in Figur 5 gezeigt Die Kolbenstange weist einen Innenhohlraum mit kreisförmigem Quer- schnitt und einem Durchmesser d von etwa 4 mm auf, wahrend der maximale Außendurchmesser D zwischen 6 und 8 mm betragt Die Außenkoπtur ist, be-
trachtet in einem Querschnitt senkrecht zur Längsachse der Kolbenstange 28, in Umfangsrichtung gewellt ausgeführt, so daß sich die Wandstärke periodisch ändert. Dieses Profil bietet bei vergleichsweise geringer Wandstärke eine hohe Steifigkeit, mit der die erforderliche Knickfestigkeit erzielt wird.
In den Figuren 6 und 7 ist eine Kolbenmaschine gemäß einer vierten Ausfüh- ruπgsform dargestellt. Es handelt sich hier um eine Hubkolbeπmaschine, bei der die Antriebswelle 10 als Kurbelwelle ausgeführt ist. Mit der Kurbelwelle ist eine Kolbenstange 28 verbunden, die einstuckig mit einem Kolben 32 ausge- bildet ist. Der Kolbenstange 28 und der Kolben bestehen vergleichbar der Ausführungsform von Figur 3 aus Kunststoff, so daß aufgrund der Eigenelastizität der Kolbenstange 28 auf ein Pleuellager im Kolben verzichtet werden kann. Auch verringern sich die Anforderungen an die Schmierung des Gleitlagers zwischen der Kurbelwelle und der Kolbenstange.
Bezugszeichenliste
10: Antriebswelle 12: Gehäuse
14: Schrägscheibe
16: Feder
17: Halter
18: Taumelscheibe 0: Wälzlager 2: Wälzlager 4: Kugelkopf 6: Kugelgelenk 8: Kolbenstange 0: Kugelgelenk 2: Kolben 4: Zylinder 6: Gleitstein 8: Lauffläche 0: Schwenkfläche 2: Gelenkschale