Axialkolbenmaschine
Die Erfindung betrifft eine Axialkolbenmaschine mit einer in der Neigung verstellbaren, von einer Welle angetriebenen Schwenkscheibe, mit hin- und hergehenden Kolben mit einer Gelenkanordnung, an der die Schwenkscheibe im Gleiteingriff steht, und mit Gleitschuhen in Form von Kugelkalotten, welche diese Gelenkanordnung darstellen. Die kugelkalottenförmigen Gleitschuhe sind zwischen der rotierenden Schwenkscheibe und einem hin- und hergehenden Kolben angeordnet, wobei der Kolben bei Rotation der Schwenkscheibe hin- und hergeht und die Gleitschuhe in einem in etwa gabelförmigen Ende des Kolbens gehalten werden und von der Schwenkscheibe durchgriffen werden. Die Gleitschuhe haben je eine flache Gleitoberfläche, die auf der Schwenkscheibe entlang gleitet, während sich die Schwenkscheibe dreht, und die Gleitschuhe haben weiterhin je eine konvexe Oberfläche, die der flachen Oberfläche gegenüber liegt und in das gegabelte Ende eingreift. Diese konvexe Oberfläche ist also in einer konkaven Oberfläche des gegabelten Kolbenendes gelagert und führt während der Drehbewegung der Schwenkscheibe innerhalb der konkaven Höhlung des Kolbenendes eine Taumelbewegung durch. Die Gleitschuhe sind vor allem auf der sich drehen- den Schwenkscheibe einer hohen Reibungsbelastung ausgesetzt.
Bekannte Gleitschuhe verfügen über entsprechende Schmiernuten, um das in einem Klimakompressor im Gas verfügbare Schmiermittel aufzufangen und an die richtigen Schmierstellen zu bringen, oder in den entsprechenden Gleitbahnen der Schwenk- Scheibe ist zum Beispiel ein das Gleitverhalten verbessernder Kunststoff eingebracht. Bei Kolbenschuhen mit entsprechenden Schmiernuten sind zusätzliche Fertigungsschritte notwendig. Nachteil bei kunstoffbeschichteten Gleitoberflächen ist, daß bestimmte Kunststoffe bei bestimmten Klimakompressorgasen nicht mehr einsetzbar sind, wie z.b. bei CO2. Weiterhin sind Gleitschuh-Schwenkscheiben-Paarungen bekannt, welche zur Aufnahme der hohen Kräfte Gleitschuhe aus Stahl aufweisen, die mit einer Schwenkscheibe aus duktilem Material (zumindest im Kontaktbereich Gleitschuh/Schwenkscheibe) kombiniert sind. Bekannt sind z.B. Schwenkscheiben aus Bronzelegierungen (DE 697 00 380 T2) oder Schwenkscheiben, die im Kontaktbereich eine entsprechende Kunststoff lauf bahn aufweisen.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Gleitschuh-Schwenkscheibenpaarung zu schaffen, die diese Nachteile nicht aufweist. Diese Aufgabe wird durch eine Axialkolbenmaschine gelöst mit in der Neigung verstellbarer, von einer Welle angetriebenen Schwenkscheibe, und mit hin- und hergehenden Kolben mit einer Gelenkanordnung, an der die Schwenkscheibe im Gleiteingriff steht, wobei die Gelenkanordnung mit Gleitschuhen versehen ist, welche im wesentlichen Kugelkalottenform haben, wobei die Werkstoffpaarung von Gleitschuhen und Schwenkscheibe derartig gestaltet ist, daß die Spannungsverteilung innerhalb der Kontaktzone Gleitschuhe - Schwenkscheibe verbessert wird. Dadurch wird bei dieser Axialkolbenmaschine das Tragverhalten im Kontaktbe- reich Gleitschuhe - Schwenkscheibe optimiert. Eine erfindungsgemäße Axialkolbenmaschine zeichnet sich dadurch aus, daß die Gleitschuhe im Kontaktbereich zur Schwenkscheibe aus duktilem Material bestehen. Bevorzugt wird weiterhin eine Axialkolbenmaschine , bei der die Schwenkscheibe im Kontaktbereich der Gleitschuhe aus härterem Material als die Gleitschuhe besteht.
Bei einer erfindungsgemäßen Axialkolbenmaschine bestehen die Gleitschuhe aus Bronze oder bronzebeschichtetem Stahl. Bei einer weiteren erfindungsgemäßen Axialkolbenmaschine bestehen die Gleitschuhe aus Kunststoff.
Bevorzugt wird eine Axialkolbenmaschine, bei der die Gleitschuhe aus mehrschichti- gern Material bestehen. Vorzugsweise bestehen bei einer Axialkolbenmaschine die Gleitschuhe aus einem bimetallischen Material. Bevorzugt wird weiterhin eine Axialkolbenmaschine, bei der die flache Seite der Kugelkalotten ein Material aufweist, welches eine Gleitschicht darstellt. Auch wird eine Axialkoibenmaschine bevorzugt, bei der die Gleitschuhe aus einem Bimetall, bestehend aus Stahl und einem Lagermaterial, hergestellt sind.
Bei einer weiteren erfindungsgemäßen Axialkoibenmaschine ist das Lagermaterial
Bronze. Bevorzugt wird eine Axialkoibenmaschine, bei der der Kolbenschuh aus einem Bimetall hergestellt ist, welches im wesentlichen aus 5,5mm dickem Stahl und im we-
sentlichen 0,5mm dicker Bronze besteht. Vor allem wird eine Axialkoibenmaschine bevorzugt, bei der die Bronze aus 80Cu10Sn10Pb besteht.
Eine weitere erfindungsgemäße Axialkoibenmaschine zeichnet sich dadurch aus, daß die Kugelkalotte, das heißt der Gleitschuh, aus einem Bimetall - Streifen geprägt wird, wobei sich die kugelige Seite auf der Stahlseite und sich die flache Seite auf der Bronzeseite befinden. Bevorzugt wird auch eine Axialkoibenmaschine, bei der die Kugelkalotte aus dem Bimetall- Streifen fertig geprägt ist und keine Nacharbeit benötigt.
Eine bevorzugte Ausführung der Erfindung wird nun anhand der Figuren beschrieben. Figur 1 zeigt einen Teilausschnitt einer derartigen Axialkoibenmaschine. In einem Gehäuse 1 der Axialkoibenmaschine ist ein . Zylinderblock 2 untergebracht, in dem ein Kolben 3 hin- und hergehend ein Druckmittel ansaugen und verdichten kann. Der Kolben 3 hat ein gabelförmiges Ende 4, welches zwei Kugelkalotten 5, die die Gleitschuhe darstellen, und eine gleitend zwischen den Kugelkalotten 5 angeordnete Schwenkscheibe 6 umfaßt. Die Schwenkscheibe 6 wird über eine hier nicht dargestellte Mechanik von einer Welle 7 drehangetrieben und kann bei einer hier ebenfalls nicht dargestellten Mechanik in ihrem Schwenkwinkel verändert werden. Die Kugelkalotten 5 bestehen aus einem bimetallischem Material, welches auf der der Schwenkscheibe 6 zugeordneten Seite eine Lagermetallschicht 8 und auf der anderen Seite eine Stahlschicht 9 besitzt. Bei Rotation der Schwenkscheibe 6 wird der Kolben 3 hin- und herbewegt, was bei den Gleitschuhen zu einer Gleitbewegung zwischen der Lagermetallfläche 8 und der Schwenkscheibe 6 führt und zu einer Taumelbewegung der Kugelkalotten 5 in den konkaven Ausformungen 10 des Kolbens. Die konvexen Oberflächen 11 der Kugelkalotten 5 führen also in den konkaven Oberflächen 10 des Kolbens eine
Taumelbewegung durch, während die flache Oberfläche 12 der Lagermetallseite 8 gegenüber der Oberfläche 13 der Schwenkscheibe 6 eine Gleitbewegung durchführt. Daher sind besonders diese Oberflächen neben den durch die Verdichtungsarbeit bedingten Druckkräften hohen Gleitgeschwindigkeiten und damit hohen Reibungsbe- lastungen ausgesetzt. Wird nun die Oberfläche 12 der Kugelkalotte 5 aus einem Lagermaterial, wie z.B. Messing oder Bronze, hergestellt, so kann dieses Lagermaterial
ausgezeichnete Gleiteigenschaften, vor allen Dingen bei mangelnder Schmierung und / oder bei hohen Temperaturen aufweisen, so daß ein sicherer Betrieb des Kompressors auch bei mangelnden Schmiereigenschaften gewährleistet ist. Ebenso können diese Materialien die Atmosphäre von C02 ertragen. Der kugelkalottenförmige Teil 9 des Gleitschuhs 5 ist aus Stahl gefertigt und kann daher auf entsprechend kleiner Berührfläche die Druckkräfte, die auf den Kolben 3 übertragen werden, aufnehmen. Der Kolben 3 ist vorzugsweise aus Aluminium gefertigt, um geringe hin- und hergehende Massen zu besitzen, und mit einer Verschleißschutzschicht, wie Eloxalschicht, überzogen. Bei dieser bimetallischen Materialauswahl für die Kugelkalotte 5 ist besonders vorteil- haft, daß die Kugelkalotte 5 aus einem Bimetallstreifen in einem einzigen Arbeitsgang durch Ausstanzen oder Prägen hergestellt werden kann und somit für die Massenproduktion ausgesprochen günstig ist. Bei z.B. einer Höhe der Kugelkalotte 5 von 6 mm wird man bevorzugt ein bimetallisches Streifenmaterial auswählen, welches aus einer im wesentlichen 5,5 mm dicken Stahlschicht und einer im wesentlichen 0,5 mm dicker Bronzeschicht besteht. Selbstverständlich sind auch andere Schichtstärken denkbar, wichtig ist nur, .daß die der Schwenkscheibe 6 zugeordnete Gleitflächenschicht 12 aus dem weichen duktilen Lagermaterial und die die Druckkräfte weiter übertragende kugelkalottenförmige Seite 9 aus dem Stahlmaterial besteht. Auch bei hohen Drücken, wenn evtl. ein entsprechender Schmierfilm zwischen der Schwenkscheibe 6 und der Kugelkalotte 5 weggequetscht wird, so daß es stellenweise zu trockenem Lauf kommen kann, wird durch die Verwendung des Lagermaterials dieser Betriebszustand weitgehend ungefährlich. Als Lagermetall wird Bronze bevorzugt, welche auf die Trägerschicht aus Stahl aufgewalzt oder aufgesintert wird. Auch bei hohen Temperaturen, wenn sich der Schmierfilm auf Temperaturen von bis zu 200 Grad Celsius erhitzt, kann die Bronze mit guten Notlaufeigenschaften aufwarten. Somit kann auch die derartig ausgerüstete Maschine eine kurzzeitige Überhitzung in Kauf nehmen.
Wichtig für die Erfindung ist aber vor allen Dingen, daß der andere Partner dieser Gleitpaarung, die Schwenkscheibe 6 , im Kontaktbereich zum Gleitschuh 5 aus einem härte- ren Material besteht als die Lagermetallschicht 12.
Den Einfluß „schlechter" und „guter" Werkstoffpaarungen auf die Spannungsverteilungen innerhalb der Kontaktzone zeigt Figur 2. In Fig. 2a ist ein „harter" Gleitschuh 5 in Kombination mit einer „weichen" Schwenkscheibe 6 dargestellt und die bei dieser Kombination auftretende Spannungsverteilung 20 diagrammartig unterhalb des Kon- taktbereichs der Scheibe 6 und des Gleitschuhs 5 dargestellt. Man sieht, daß die höchsten Spannungen im Betrieb im wesentlichen am Außenumfang der flachen Kugelkalottenseite auftreten, da die harten Kanten des Gleitschuhs 5 nicht nachgeben und in diesem Fall das duktilere Material der Scheibe 6 zunächst die größeren Verformungen durch diese Spannungen erfährt. Das führt im Betrieb dazu, daß ein zwischen den Reibpartnern existierender Schmierfilm, der durch das dem Kältemittel beigefügte Schmiermittel aufgebaut wird, in den weniger tragenden mittleren Bereich der Kontaktzone weggepresst wird, was auf Dauer zu einem Einarbeiten der Kugelkalottenkanten in die Schwenkscheibe 6 in Form von zwei Verschleißrinnen 21 und 22 führt. Eine umgekehrte Werkstoffpaarung in Figur 2b mit einem „weichen" Gleitschuh 5 und einer „harten" Schwenkscheibe 6 führt zu einer andersartigen, verbesserten Spannungsverteilung 23. Bei einem duktileren Werkstoff der Gleitschuhkontaktfläche ver- formen sich die Kanten 24 und 25 des Gleitschuhes stärker als der gegenüberliegende Werkstoff der Scheibe, wodurch keine Spannungsspitzen im Randbereich aufgebaut werden. Sowohl die Spannungsverteilung als auch der Schmierfilm im tragenden Be- reich ist gleichmäßiger und über einen größeren Bereich wirksam, so daß das Tragverhalten zwischen Gleitschuh 5 und Schwenkscheibe 6 entschieden verbessert und der Verschleiß wesentlich reduziert wird.
Ein weiterer Vorteil ist, daß die Herstellkosten der Schwenkscheibe 6 durch den Entfall der Notwendigkeit einer duktilen Oberfläche auf der Schwenkscheibe 6, welche bei der Schwenkscheibe 6 mehr Material erfordert als bei den materialmäßig kleineren Kolbenschuhen 5, verringert werden.
Die mit der Anmeldung eingereichten Patentansprüche sind Formulierungsvorschläge ohne Präjudiz für die Erzielung weitergehenden Patentschutzes. Die Anmelderin behält sich vor, noch weitere, bisher nur in der Beschreibung und/oder den Zeichnungen offenbarte Merkmalskombinationen zu beanspruchen.
In Unteransprüchen verwendete Rückbeziehungen weisen auf die weitere Ausbildung des Gegenstandes des Hauptanspruches durch die Merkmale des jeweiligen Unteranspruches hin; sie sind nicht als ein Verzicht auf die Erzielung eines selbständigen, ge- genständlichen Schutzes für die Merkmaiskombinationen der rückbezogenen Unteransprüche zu verstehen.
Da die Gegenstände der Unteransprüche im Hinblick auf den Stand der Technik am Prioritätstag eigene und unabhängige Erfindungen bilden können, behält die Anmelderin sich vor, sie zum Gegenstand unabhängiger Ansprüche oder Teilungserklärungen zu machen. Sie können weiterhin auch selbständige Erfindungen enthalten, die eine von den Gegenständen der vorhergehenden Unteransprüche unabhängige Gestaltung aufweisen.
Die Ausführungsbeispiele sind nicht als Einschränkung der Erfindung zu verstehen. Vielmehr sind im Rahmen der vorliegenden Offenbarung zahlreiche Abänderungen und Modifikationen möglich, insbesondere solche Varianten, Elemente und Kombinationen und/oder Materialien, die zum Beispiel durch Kombination oder Abwandlung von einzelnen in Verbindung mit den in der allgemeinen Beschreibung und Ausführungsformen sowie den Ansprüchen beschriebenen und in den Zeichnungen enthaltenen Merkmalen bzw. Elementen oder Verfahrensschritten für den Fachmann im Hinblick auf die Lösung der Aufgabe entnehmbar sind und durch kombinierbare Merkmale zu einem neuen Gegenstand oder zu neuen Verfahrensschritten bzw. Verfahrensschrittfolgen führen, auch soweit sie Herstell-, Prüf- und Arbeitsverfahren betreffen.