WO2004111451A1 - Axial piston compressor, particularly a compressor for the air-conditioning system of a motor vehicle - Google Patents

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WO2004111451A1
WO2004111451A1 PCT/EP2004/005106 EP2004005106W WO2004111451A1 WO 2004111451 A1 WO2004111451 A1 WO 2004111451A1 EP 2004005106 W EP2004005106 W EP 2004005106W WO 2004111451 A1 WO2004111451 A1 WO 2004111451A1
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WO
WIPO (PCT)
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swivel
swash plate
mass
axial piston
compressor according
Prior art date
Application number
PCT/EP2004/005106
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German (de)
French (fr)
Inventor
Otfried Schwarzkopf
Ullrich Hesse
Michael Arnemann
Original Assignee
Zexel Valeo Compressor Europe Gmbh
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Publication date
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Priority to DE502004007564T priority patent/DE502004007564D1/en
Priority to US10/560,996 priority patent/US20070137474A1/en
Priority to EP04732313A priority patent/EP1636492B1/en
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04BPOSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B27/00Multi-cylinder pumps specially adapted for elastic fluids and characterised by number or arrangement of cylinders
    • F04B27/08Multi-cylinder pumps specially adapted for elastic fluids and characterised by number or arrangement of cylinders having cylinders coaxial with, or parallel or inclined to, main shaft axis
    • F04B27/10Multi-cylinder pumps specially adapted for elastic fluids and characterised by number or arrangement of cylinders having cylinders coaxial with, or parallel or inclined to, main shaft axis having stationary cylinders
    • F04B27/1036Component parts, details, e.g. sealings, lubrication
    • F04B27/1054Actuating elements
    • F04B27/1072Pivot mechanisms
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04BPOSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B27/00Multi-cylinder pumps specially adapted for elastic fluids and characterised by number or arrangement of cylinders
    • F04B27/08Multi-cylinder pumps specially adapted for elastic fluids and characterised by number or arrangement of cylinders having cylinders coaxial with, or parallel or inclined to, main shaft axis
    • F04B27/10Multi-cylinder pumps specially adapted for elastic fluids and characterised by number or arrangement of cylinders having cylinders coaxial with, or parallel or inclined to, main shaft axis having stationary cylinders
    • F04B27/1036Component parts, details, e.g. sealings, lubrication
    • F04B27/1054Actuating elements

Definitions

  • Axial piston compressor in particular compressor for the air conditioning system of a motor vehicle
  • the invention relates to an axial piston compressor, in particular a compressor for the air conditioning system of a motor vehicle, with a housing and a compressor unit arranged in the housing and driven via a drive shaft for the suction and compression of a refrigerant, the compressor unit and a piston running axially back and forth in a cylinder block the piston driving, rotating with the drive shaft swivel plate.
  • Such an axial piston compressor is known for example from DE 197 49 727 AI.
  • This comprises a housing in which a plurality of axial pistons are arranged in a circular arrangement around a rotating drive shaft.
  • the drive force is transmitted from the drive shaft via a driver to an annular swivel disk and from this in turn to the pistons which are translationally displaceable parallel to the drive shaft.
  • the annular swivel disk is pivotally mounted on an axially displaceably mounted sleeve on the drive shaft.
  • An elongated hole is provided in the sleeve, through which the driver mentioned extends.
  • the axial mobility of the sleeve on the drive shaft is thus limited by the dimensions of the elongated hole. Installation takes place by pushing the driver through the slot.
  • the drive shaft, driver, sliding sleeve and swivel plate are arranged in a so-called engine room, in which gaseous working medium of the compressor is present at a certain pressure.
  • the delivery volume and thus the delivery capacity of the compressor are dependent on the pressure ratio between the suction side and the pressure side of the pistons or accordingly depending on the pressures in the cylinders on the one hand and in the engine room on the other.
  • the swivel plate is designed as a swash plate, a non-rotatable receiving plate which is mounted opposite the swash plate being arranged between the swash plate and the pistons.
  • the compressors described in these publications include to take measures to avoid or reduce the imbalance of the engine during operation.
  • the known constructions have in common that the rotating components are relatively large compared to the translationally moving parts, namely pistons, piston rods, etc. and are accordingly heavy.
  • the known constructions have in common that an additional disk acts on the actual swivel disk device by means of a suitable coupling mechanism.
  • the plurality of rotating components are intended to cause the swivel disk device to set up a moment in the direction of the minimum stroke, as a result of which the control behavior is influenced.
  • pistons i.e. the translational masses as low as possible, i.e. easy to build, for example from aluminum or other materials with lower specific density.
  • hollow pistons there is also a proposal to use hollow pistons.
  • the resetting torque of the swivel plate device is used for constant control of the delivery rate at changing speeds, since - as already explained - the swivel plate counteracts its inclined position due to the dynamic forces on the rotating part of the disk.
  • This behavior can be supported by spring forces or hydraulically, pneumatically or the like, so that as the speed increases, the delivery rate which is increased is at least partially compensated for by resetting the inclined position.
  • Mass inertia affects the swivel plate device via a coupling mechanism.
  • the present invention is therefore based on the object of providing a compressor of the type mentioned at the outset, which optionally has a control behavior
  • the desired control behavior of the compressor is therefore primarily not achieved with the component mass, but instead taking into account the moment of inertia of the swivel plate arrangement, which depends on its geometry.
  • a core idea of the invention is therefore to compensate for the moment due to translational masses directly, or also to overcompensate for the moment due to rotating masses.
  • the set-up torque that is to be generated on a swivel plate device is a function of the speed or the angular velocity ⁇ and the mass moment of inertia J of the swivel plate device:
  • the moment of inertia itself is essentially a function of the component mass and the component geometry, for example in the case of a disk determined by the diameter “2r” and the disk thickness or height “h”:
  • the moment of inertia is essentially a function of the component density distribution and also the component geometry.
  • the component density distribution takes into account, for example, swivel plates made of different materials, namely 2, 3 or more materials or a material with different density distribution (metal foam, heterogeneous material):
  • a component center of gravity is preferably located on the drive shaft axis, in particular in the tilting point of the swivel disk device (that is to say then in each case for each tilting angle).
  • both the inner diameter and the outer diameter are each designed to a maximum, taking into account the external environmental conditions, the external environmental conditions being predetermined by the size of the engine compartment and, for example, by the necessary sliding and Bearing surface for the sliding blocks of a joint arrangement between the swivel plate or swivel plate ring and the piston.
  • the desired mass moment of inertia can also be influenced by a suitable choice of the swash plate thickness.
  • Fig. 1 shows an embodiment of a swivel plate mechanism according to the invention for an axial piston compressor for vehicle air conditioning systems in a schematic perspective view, the swivel plate in a position for a maximum
  • FIG. 2 shows the mechanism according to FIG. 1 in a schematic side view
  • FIGS. 1 and 2 shows the swivel plate mechanism corresponding to FIGS. 1 and 2, partly in side view, partly in section;
  • FIG. 4 shows the swivel plate mechanism corresponding to FIG. 3 in a side view
  • FIG. 5 shows the mechanism of FIGS. 1-4 in a schematic
  • FIG. 5 Perspective view, wherein the swivel plate is in a piston minimum stroke position; 6 shows the mechanism according to FIG. 5 in a side view;
  • FIGS. 5 and 6 shows the swivel plate mechanism according to FIGS. 5 and 6, partly in side view, partly in section;
  • Fig. 9 is a schematic representation of the coordinates of a
  • Swivel plate mechanism for calculating the moment of inertia
  • Fig. 10 part of a compound swivel ring in cross section and enlarged scale.
  • FIG. 1-8 schematically shows a preferred embodiment of a swivel plate mechanism 100 for an axial piston compressor for motor vehicle air conditioning systems.
  • This swivel plate mechanism 100 comprises a swivel plate 107 which is adjustable in its inclination to a drive shaft 104, rotatably driven by the drive shaft, in the present case ring-shaped swivel plate 107, both with a slide sleeve 108 mounted axially displaceably on the drive shaft 104 and with a spaced apart from it
  • Drive shaft 104 is pivotally connected to this rotating support element 109.
  • This articulated connection is designed as an axial support, as can be seen particularly well in FIGS. 2-4 and 5-8.
  • the pivot bearing of the pivot ring 107 defines a pivot axis 101 extending transversely to the drive shaft 104.
  • This pivot axis 101 is specifically defined by two bearing pins mounted on both sides of the sliding sleeve 108 on the same axis. These bearing bolts are mounted in radial bores of the swivel ring 107.
  • the sliding sleeve can additionally have bearing sleeves on both sides, which bridge the annular space between the sliding sleeve 108 and the swivel ring 107. This construction also largely corresponds to the prior art according to DE 197 49 727 AI.
  • the support element 109 is an integral part of a disk 112 which rotates with the drive shaft 104, specifically a circular segment which is raised in relation to the disk.
  • the support surface of the arch 110 extends approximately concentrically to the center of the joint arrangement which is effective between the piston and the swivel plate or swivel ring 107 and which comprises sliding blocks in the form of spherical segments.
  • the axial support is therefore effective outside the aforementioned joint arrangement, with the result that the joint arrangement, which is effective between the piston and the swivel plate or swivel ring, is not impaired by axial support measures. This applies in particular to the dimensioning of the aforementioned joint arrangement.
  • the swivel bearing of the swivel plate or swivel ring 107 is used only for torque transmission and the support element 109 only for axial support of the pistons or gas force support.
  • the torque transmission is therefore decoupled from the axial support of the swivel ring 107.
  • the swivel ring is in an inclined position for maximum piston stroke.
  • 5-8 show the swivel ring in a position for a minimum piston stroke.
  • FIGS. 4 and 8 in continuation of the support surface of the support arch 110 show that the support surface of the support arch 110 describes an arc. This can be deliberately deviated from if necessary in order to compensate for a predetermined “offset” of the support of the support arch 109 from the longitudinal axis of the piston when the inclination of the swivel ring 107 changes.
  • the support arch 110 can either be an integral component of the swivel ring 107 or, according to FIGS. 3 and 7, be rigidly connected to the swivel ring 107 as a separate component.
  • the last-mentioned embodiment has the advantage that the swivel ring can be ground precisely on both flat sides, with the consequence of a correspondingly high parallelism of the two opposite running surfaces for the above-mentioned sliding blocks of an articulated arrangement which is effective between the piston and the swivel ring.
  • the support arch 110 is also to be used for torque transmission, it preferably extends into a corresponding trough on the side of the support element 109 facing the support arch 110.
  • the trough is then preferably designed as a radial groove.
  • the swivel ring 107 is preferably balanced in such a way that the center of gravity lies in the so-called tipping point.
  • a balance weight 114 can be provided relative to the drive shaft 104 diametrically to the support arch 110, as is shown only by way of example in FIG. 3.
  • the geometry and / or swivel plate or swivel ring 107 or the swivel path portion thereof is selected such that the centrifugal forces which occur when the swivel ring is rotated are sufficient to consciously counteract the swivel movement of the swivel ring and thus counteract the piston stroke and thus influencing the delivery rate, in particular reducing or limiting it.
  • the swivel plate is designed as a swivel ring.
  • the center of gravity should preferably coincide with the tipping point (tilting joint) of the swivel ring.
  • the outside and inside diameters of the swivel ring 107 are determined by the diameter of the sliding blocks, which are part of a joint arrangement that is effective between the piston and the swivel ring.
  • the aforementioned diameters are chosen so that the sliding blocks lie essentially on the flat sides of the swivel ring, in such a way that they protrude only slightly beyond the outer or inner diameter of the swivel ring even when the swivel ring is extremely inclined.
  • both the inside and outside radius of the swivel ring should be maximum, the outside diameter of course also being limited by the inside diameter of the housing, which limits the engine room.
  • the above-mentioned support arch 110 is negligible in terms of its mass compared to the other parts of the swivel ring. It only has to be taken into account with regard to any imbalance, e.g. by arranging counterweights with compensatory effects.
  • the pistons used in the engine according to the invention have a mass of about 30 g to 90 g, preferably 35 g to 50 g.
  • they consist of aluminum or an aluminum alloy (with or without plastic coating) or of a plastic composite.
  • the use of steel, Cast steel or gray cast iron for the pistons is also conceivable. The consequence is, of course, that the piston masses increase.
  • a combination of metal and plastic is also conceivable.
  • the inner radius “r” of the swivel ring 107 is in the range from 12 mm to 22 mm.
  • the outer radius “r a ” of the swivel ring 107 is approximately 34 mm to 42 mm.
  • the pistons lie on a pitch circle diameter "r m " in the range between 24 mm and 34 mm.
  • the height "h" of the swivel ring 107 is in the range from 8 mm to 20 mm, preferably in the range between 14 mm to 16 mm.
  • the material used for the production of the swivel ring 107 should preferably have a density of greater than 7 g / cm 3 , in particular greater than 8 g / cm 3 .
  • the swivel ring preferably consists of at least two materials in order to achieve optimal mass inertia.
  • Such a compound swivel ring is shown schematically in FIGS. 3 and 7, the inner ring being identified by 107i and the outer ring by 107a.
  • the outer ring 107a is preferably made of a higher density material.
  • FIG. 10 shows an alternative construction which is characterized in that the outer part ring 107a made of heavy material, ie material of higher density, such as lead or the like, is located within an outer circumferential groove 113 of the inner part ring 107i. which is made of wear-resistant steel, for example.
  • Torque due to the mass force of the pistons ß, ⁇ + 2 ⁇ (i-1) - n
  • V volume of the swivel ring ßi angular position of the piston i zi acceleration of the piston i
  • the moment due to the moment of installation of the swivel plate or the swivel ring i.e. the moment of deviation is greater than / equal to the moment due to the mass forces of all pistons, i.e. the following relationship applies:
  • the construction according to the invention is intended to mechanically limit the delivery rate of an axial piston compressor when the speed is increased.
  • the ideal case would, of course, be a constant control, the constant control being a sub-case of the mechanical limitation aimed at according to the invention caused by geometry and torque distribution.
  • the design preferably refers to the quotient "J / m” in general, and preferably specifically to the ratio "J y / m k , tot ", that is, to the quotient from the inertia of the swivel plate or swivel ring in the Reference to the y-axis according to FIG. 9 and the total piston masses.
  • This quotient can be used as an alternative to the aforementioned measures or in parallel to the design of the construction and thus to achieve a desired control behavior.
  • Overcompensation can also be of interest, especially when compensating for the change in delivery rate due to speed changes.
  • J y2 «J z straight-edged - Jy
  • J yz is supposed to be large
  • J 2 is actually the more important quantity.
  • J y can only be used as a reference value because the above relationship J z ⁇ 2 J y applies.

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Abstract

The invention relates to an axial piston compressor, particularly a compressor for the air-conditioning system of a motor vehicle, comprising a housing and a compressor unit, which is placed inside said housing, is driven by a drive shaft (104) and which serves to draw and compress a refrigerant. The compressor unit comprises, in a cylinder block, axially reciprocating pistons and a swash plate (107), which drives the pistons and which rotates with the drive shaft. With a predetermined rotationally moved mass of the swash plate (107) on the one hand and/or with a specified translationally moved mass on the other, the average radius, which is stipulated by the geometry and/or by the density distribution, and/or the average height of the swash plate (107) or of the pivotal portion of the swash plate is/are selected in such a manner that centrifugal forces occurring as the swash plate rotates are sufficient for counteracting the pivotal motion of the swash plate (107) in a deliberately controlling manner whereby influencing the piston stroke and thus the delivery capacity, in particular, reducing or limiting it.

Description

Axialkolbenverdichter, insbesondere Kompressor für die Klimaanlage eines Kraftfahrzeuges Axial piston compressor, in particular compressor for the air conditioning system of a motor vehicle
B e s c h r e i b u n gDescription
Die Erfindung betrifft einen Axialkolbenverdichter, insbesondere Kompressor für die Klimaanlage eines Kraftfahrzeuges, mit einem Gehäuse und einer in dem Gehäuse angeordneten, über eine Antriebswelle angetriebenen Verdichtereinheit zum Ansaugen und Verdichten eines Kältemittels, wobei die Verdichtereinheit in einem Zylinderblock axial hin- und herlaufende Kolben und eine die Kolben antreibende, mit der Antriebswelle drehende Schwenkscheibe umfaßt.The invention relates to an axial piston compressor, in particular a compressor for the air conditioning system of a motor vehicle, with a housing and a compressor unit arranged in the housing and driven via a drive shaft for the suction and compression of a refrigerant, the compressor unit and a piston running axially back and forth in a cylinder block the piston driving, rotating with the drive shaft swivel plate.
Ein derartiger Axialkolbenverdichter ist zum Beispiel aus der DE 197 49 727 AI bekannt. Dieser umfaßt ein Gehäuse, in dem in einer kreisförmigen Anordnung mehrere Axialkolben um eine rotierende Antriebswelle herum angeordnet sind. Die Antriebskraft wird von der Antriebswelle über einen Mitnehmer auf eine ringförmige Schwenkscheibe und von dieser wiederum auf die parallel zur Antriebswelle translatorisch verschiebbaren Kolben übertragen. Die ringförmige Schwenkscheibe ist an einer axial verschieblich an der Antriebswelle gelagerten Hülse schwenkbar gelagert. In der Hülse ist ein Langloch vorgesehen, durch das der erwähnte Mitnehmer hindurchgreift. Somit ist die axiale Beweglichkeit der Hülse auf der Antriebswelle durch die Abmessungen des Langloches begrenzt. Eine Montage erfolgt durch ein Hindurchstecken des Mitnehmers durch das Langloch. Antriebswelle, Mitnehmer, Schiebehülse und Schwenkscheibe sind in einem sog. Triebwerksraum angeordnet, in dem gasförmiges Arbeitsmedium des Verdichters mit einem bestimmten Druck vorliegt. Das Fördervolumen und damit die Förderleistung des Verdichters sind abhängig vom Druckverhältnis zwischen Saugseite und Druckseite der Kolben bzw. entsprechend abhängig von den Drücken in den Zylindern einerseits und im Triebwerksraum andererseits.Such an axial piston compressor is known for example from DE 197 49 727 AI. This comprises a housing in which a plurality of axial pistons are arranged in a circular arrangement around a rotating drive shaft. The drive force is transmitted from the drive shaft via a driver to an annular swivel disk and from this in turn to the pistons which are translationally displaceable parallel to the drive shaft. The annular swivel disk is pivotally mounted on an axially displaceably mounted sleeve on the drive shaft. An elongated hole is provided in the sleeve, through which the driver mentioned extends. The axial mobility of the sleeve on the drive shaft is thus limited by the dimensions of the elongated hole. Installation takes place by pushing the driver through the slot. The drive shaft, driver, sliding sleeve and swivel plate are arranged in a so-called engine room, in which gaseous working medium of the compressor is present at a certain pressure. The delivery volume and thus the delivery capacity of the compressor are dependent on the pressure ratio between the suction side and the pressure side of the pistons or accordingly depending on the pressures in the cylinders on the one hand and in the engine room on the other.
Eine etwas andere Bauart eines Axialkolbenverdichters ist zum Beispiel in der DE 198 39 914 AI beschrieben. Die Schwenkscheibe ist als Taumelscheibe ausgeführt, wobei zwischen Taumelscheibe und den Kolben eine gegenüber der Taumelscheibe gelagerte, drehfeste Aufnahmescheibe angeordnet ist.A somewhat different type of axial piston compressor is described, for example, in DE 198 39 914 AI. The swivel plate is designed as a swash plate, a non-rotatable receiving plate which is mounted opposite the swash plate being arranged between the swash plate and the pistons.
Des weiteren wird auf folgenden Stand der Technik hingewiesen:The following prior art is also pointed out:
DE 2 524 148 US 4 815 358 US 4 836 090 US 4 077 269 US 5 105 728DE 2,524,148 US 4,815,358 US 4,836,090 US 4,077,269 US 5,105,728
Bei den in diesen Druckschriften beschriebenen Kompressoren geht es u.a. darum, Maßnahmen zu treffen, um die Unwucht des Triebwerks im Betrieb zu vermeiden oder zu reduzieren. Im übrigen ist den bekannten Konstruktionen gemeinsam, dass die rotierenden Bauteile gegenüber den translatorisch bewegten Teilen, nämlich Kolben, Kolbenstange etc. relativ groß und dementsprechend schwer gebaut sind. Des weiteren ist den bekannten Konstruktionen gemeinsam, dass auf die eigentliche Schwenkscheibenvorrichtung eine Zusatzscheibe durch einen geeigneten Koppelmechanismus einwirkt. Die mehreren rotierenden Bauteile sollen ein aufstellendes Moment der Schwenkscheibenvorrichtung in Richtung Minimalhub bewirken, wodurch Einfluß auf das Regelverhalten genommen wird.The compressors described in these publications include to take measures to avoid or reduce the imbalance of the engine during operation. For the rest, the known constructions have in common that the rotating components are relatively large compared to the translationally moving parts, namely pistons, piston rods, etc. and are accordingly heavy. Furthermore, the known constructions have in common that an additional disk acts on the actual swivel disk device by means of a suitable coupling mechanism. The plurality of rotating components are intended to cause the swivel disk device to set up a moment in the direction of the minimum stroke, as a result of which the control behavior is influenced.
Die erwähnten Ausführungen sind allesamt relativ aufwendig, teuer, wenig kompakt und aus diesem Grunde für die heutzutage von der Autoindustrie verlangten Kompressoren für Klimaanlagen ungeeignet.The above-mentioned designs are all relatively complex, expensive, not very compact and are therefore unsuitable for the compressors for air conditioning systems that are now required by the automotive industry.
Auch bei Serienverdichtern, wie sie heutzutage in Kraftfahrzeugen eingesetzt werden, zielt man auf eine geeignete Dimensionierung der bewegten Bauteile bzw. bewegten Massen, um ein gewünschtes Regelverhalten zu erreichen, und zwar dahingehend, dass die beim Drehen der Schwenkscheibe auftretenden Fliehkräfte ausreichen, um der Schwenkbewegung bewusst regelnd entgegenzuwirken und damit den Kolbenhub und somit die Fördermenge zu beeinflussen, insbesondere zu verringern bzw. zu begrenzen. Der Serienverdichter 6SEU12C von DENSO weist zum Beispiel ein Triebwerk mit den folgenden, für das Regelverhalten relevanten Massen auf:Even with series compressors, such as those used today in motor vehicles, one aims at a suitable dimensioning of the moving components or moving ones Masses to achieve a desired control behavior, namely that the centrifugal forces that occur when turning the swivel plate are sufficient to consciously counteract the swivel movement and thus influence, in particular reduce or limit, the piston stroke and thus the delivery rate. The series compressor 6SEU12C from DENSO has, for example, an engine with the following masses relevant for the control behavior:
Bauteil Anzahl Masse Bauteil [g] Masse gesamt [g]Component Number Mass Component [g] Total mass [g]
Kolben 6 41 246Piston 6 41 246
Gleitstein 12 5 60 translatorisch bewegte 306 g MassenSliding block 12 5 60 translationally moved 306 g masses
Schrägscheibe 1 391 391Swashplate 1 391 391
Führungsstifte 2 20 40 rotatorisch bewegte 431 g MassenGuide pins 2 20 40 rotating 431 g masses
Die vorgenannten Zahlen lassen erkennen, dass eine beträchtliche Bauteilmasse für rotatorisch bewegte Teile vorgesehen ist. Damit versucht man, eine ausreichende Gegenkraft bzw. ein ausreichendes Gegenmoment in bezug auf die translatorisch bewegten Massen herzustellen. Dieser Grundgedanke liegt auch der DE 198 39 914 AI zugrunde, wo eben die rotierende Masse der Schwenkscheibe bzw. des schwenkbaren Anteils derselben derart bemessen ist, dass die beim Drehen der Antriebsscheibe auftretenden Fliehkräfte ausreichen, um der Schwenkbewegung der Schwenkscheibe bewusst regelnd entgegenzutreten und damit den Kolbenhub und somit die Fördermenge zu beeinflussen, nämlich zu verringern bzw. zu begrenzen bzw. insbesondere konstant zu halten.The abovementioned numbers indicate that a considerable component mass is provided for parts which move in rotation. An attempt is therefore made to produce a sufficient counterforce or a sufficient counter torque with respect to the masses moved in translation. This basic idea is also based on DE 198 39 914 AI, where the rotating mass of the swivel plate or the swivelable portion of the swivel plate is dimensioned such that the centrifugal forces occurring when the drive plate is rotated are sufficient to consciously counteract the swivel movement of the swivel plate and thus to counteract it To influence the piston stroke and thus the delivery rate, namely to reduce or limit it or, in particular, to keep it constant.
In der Veröffentlichung von Björn Fagerli, „A theoretical comparison of the mechanical control behaviour of a R744 and a R134a automotive AC compressor", veröffentlicht im Rahmen der Purdue Compressor Conference 2002, sind die Einflußgrößen dargestellt, die als Momente um das Kippzentrum einer Schwenkscheibenvorrichtung wirken. Diese sind im einzelnen folgende Momente, wobei in Klammern jeweils die Richtung der Momente angegeben ist und (-) abregelnd (in Richtung eines Minimalhubs) und (+) aufregelnd (in Richtung des Maximalhubs) bedeuten:The publication by Björn Fagerli, "A theoretical comparison of the mechanical control behavior of a R744 and a R134a automotive AC compressor", published as part of the Purdue Compressor Conference 2002, shows the influencing factors that act as moments around the tilting center of a swivel plate device These are the following moments, with the direction of the Moments are given and (-) regulating (in the direction of a minimum stroke) and (+) regulating (in the direction of the maximum stroke) mean:
- Moment infolge der Gaskräfte in den Zylinderräumen (+) - Moment infolge der Gaskräfte aus dem Triebwerksraum (-)- moment due to the gas forces in the cylinder rooms (+) - moment due to the gas forces from the engine room (-)
- Moment infolge einer Rückstellfeder (-)- moment due to a return spring (-)
- Moment infolge einer Aufstellfeder (+)- moment due to a spring (+)
- Moment infolge rotierender Massen (-); inklusive Moment infolge Schwerpunktlage (z.B. Schwenkscheibe: Kippposition ≠ Massenschwerpunkt): kann (+) sein- moment due to rotating masses (-); including moment due to center of gravity (e.g. swivel plate: tilt position ≠ center of mass): can be (+)
- Moment infolge der translatorisch bewegten Massen (+)- moment due to translatory masses (+)
In Bezug auf den erwähnten Verdichter 6SEU12C von DENSO, der die typische Bauform eines Schwenkscheibenverdichters repräsentiert, ist zu bemerken, dass die Masse einer solchen Schwenkscheibe nicht beliebig erhöht werden kann, um das Regelverhalten damit zu verändern. Das liegt daran, dass bei den Verdichtern der beschriebenen Art der Massenschwerpunkt der Schwenkscheibe in der Regel einen deutlichen Abstand zum Kippgelenk der Schwenkscheibe aufweist. Diese Konstruktion begründet sich im wesentlichen damit, dass die Schwenkscheibe zusätzlich zu einer geeigneten Führung auf der Antriebswelle über einen Stellmechanismus mit der Antriebswelle oder ein mit der Antriebswelle verbundenes Bauteil gekoppelt werden muß.With regard to the mentioned 6SEU12C compressor from DENSO, which represents the typical design of a swash plate compressor, it should be noted that the mass of such a swash plate cannot be increased arbitrarily in order to change the control behavior. This is because, in the case of the compressors of the type described, the center of gravity of the swivel plate is generally at a clear distance from the swivel joint of the swivel plate. This construction is essentially due to the fact that the swivel plate must be coupled to the drive shaft or a component connected to the drive shaft in addition to a suitable guide on the drive shaft.
Der erwähnte Abstand vom Schwerpunkt der Schwenkscheibe und des Kippgelenks derselben führt zu einer Unwucht des Triebwerkes, insbesondere in Abhängigkeit vom Schwenkscheibenkippwinkel, und führt im ungünstigsten Fall zu einer aufregelnden Eigenschaft (s.o. „Schwerpunktlage").The mentioned distance from the center of gravity of the swivel plate and the tilt joint of the same leads to an imbalance of the engine, in particular as a function of the swivel plate tilt angle, and in the worst case leads to an regulating property (see above “position of the center of gravity”).
Somit ist bei den Verdichtern nach dem Stand der Technik, und zwar sowohl nach dem druckschriftlichen als auch tatsächlich praktizierten Stand der Technik ein Kompromiß zu schließen dahingehend, dass eine vorbestimmte Masse der Schwenkscheibe bereitgestellt wird, um ein Gegenmoment zu den translatorisch bewegten Massen herzustellen. Andererseits darf die Masse der Schwenkscheibe aber auch nicht zu groß ausgelegt werden, da dann die Unwucht des Triebwerkes übermäßig würde.Thus, in the case of the compressors according to the prior art, both according to the printed and actually practiced prior art, a compromise must be made in that a predetermined mass of the swivel plate is provided in order to counteract the translatory masses manufacture. On the other hand, the mass of the swivel plate must not be too large, since the unbalance of the engine would then be excessive.
Um diesem Problem zu begegnen, hat man auch bereits vorgeschlagen, die Kolben, d.h. die translatorischen Massen möglichst gering, d.h. leicht zu bauen, zum Beispiel aus Aluminium oder anderen Werkstoffen mit geringerer spezifischer Dichte. Auch gibt es diesbezüglich den Vorschlag, Hohlkolben zu verwenden.In order to address this problem, it has also been suggested that the pistons, i.e. the translational masses as low as possible, i.e. easy to build, for example from aluminum or other materials with lower specific density. In this regard, there is also a proposal to use hollow pistons.
Doch auch mit diesen Maßnahmen lässt sich insbesondere eine Konstantregelung der Fördermenge bei unterschiedlichen Drehzahlen nicht erreichen. Dabei sei darauf hingewiesen, dass der Begriff „Konstantregelung" nicht als exakte Aussage zu verstehen ist. Exakt konstant wäre die Fördermenge nämlich nur dann, wenn sich zum Beispiel bei Verdoppelung der Drehzahl der Kippwinkel der Schwenkscheibenvorrichtung halbiert. Zu Bedenken ist jedoch, dass auch noch andere Parameter auf die Fördermenge einwirken, wie zum Beispiel Liefergrad oder Ölwurf od. dgl., wenn sich zum Beispiel der Kippwinkel der Schwenkscheibe ändert.However, even with these measures, constant regulation of the delivery rate at different speeds cannot be achieved. It should be noted that the term "constant control" is not to be understood as an exact statement. The delivery rate would only be constant if, for example, the tilting angle of the swivel plate device was halved when the speed was doubled. However, it should be borne in mind that other parameters affect the flow rate, such as the degree of delivery or oil spill or the like, if, for example, the tilt angle of the swivel plate changes.
Für eine Konstantregelung der Fördermenge bei wechselnden Drehzahlen wird das rückstellende Drehmoment der Schwenkscheibenvorrichtung ausgenutzt, da - wie bereits erläutert - die Schwenkscheibe ihrer Schrägstellung aufgrund der dynamischen Kräfte am mitdrehenden Scheibenteil entgegenwirkt.The resetting torque of the swivel plate device is used for constant control of the delivery rate at changing speeds, since - as already explained - the swivel plate counteracts its inclined position due to the dynamic forces on the rotating part of the disk.
Dieses Verhalten kann durch Federkräfte oder hydraulisch, pneumatisch od. dgl. unterstützt werden, so dass bei ansteigender Drehzahl zunehmende Fördermenge durch Rückstellung der Schrägstellung zumindest teilweise kompensiert werden.This behavior can be supported by spring forces or hydraulically, pneumatically or the like, so that as the speed increases, the delivery rate which is increased is at least partially compensated for by resetting the inclined position.
Der Fall einer Kompensation des auf- und abregelnden Momentes kann ebenfalls sehr interessant sein. Drehzahländerungen greifen dann gar nicht in die Regelung ein. Damit kann mit einem einfacheren Regelalgorithmus gearbeitet werden.The case of a compensation of the up and down torque can also be very interesting. Changes in speed then do not intervene in the control. This means that a simpler control algorithm can be used.
Wie oben bereits ausgeführt, kann prinzipiell ein solches Verhalten erreicht werden, indem man zum Beispiel eine Zusatzmasse in das Triebwerk integriert, deren Massenträgheit sich, wie beschrieben, über einen Koppelmechanismus auf die Schwenkscheibenvorrichtung auswirkt.As already explained above, such behavior can in principle be achieved by integrating an additional mass into the engine, for example Mass inertia, as described, affects the swivel plate device via a coupling mechanism.
Es wurde jedoch auch dargelegt, dass die Masse der Schwenkscheibe nicht beliebig vergrößert werden kann, ohne dass andere Nachteile in Kauf genommen werden müssen. Dies gilt insbesondere auch für die Lehre gemäß der DE 198 39 914 AI bzw. EP 99 953 619 (Anmelde-Nr.). Die dort vorgeschlagene Regelung mit der Masse der rotierenden Bauteile kann zu einem Regelverhalten führen, durch das die Förderleistung weitgehend drehzahlunabhängig ist. Dies ist jedoch nicht zwangsläufig. Es kann auch zu einer Überkompensation kommen. Die Auslegungskriterien sind unscharf. Der Grund dafür liegt darin, dass die Masse der rotierenden Bauteile das Aufstellmoment der Schwenkscheibe lediglich proportional beeinflusst.However, it was also shown that the mass of the swivel plate cannot be increased arbitrarily without having to accept other disadvantages. This also applies in particular to the teaching according to DE 198 39 914 AI or EP 99 953 619 (application no.). The regulation proposed there with the mass of the rotating components can lead to a regulation behavior by means of which the delivery rate is largely independent of the speed. However, this is not inevitable. Overcompensation can also occur. The design criteria are not clear. The reason for this is that the mass of the rotating components only influences the set-up torque of the swivel plate proportionally.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Verdichter der eingangs genannten Art zu schaffen, der wahlweise ein Regelverhalten derThe present invention is therefore based on the object of providing a compressor of the type mentioned at the outset, which optionally has a control behavior
Kompensation, Überkompensation, Konstantregelung für die „Fördermenge" aufweist, und zwar mit einer minimalen Masse der schwenkbaren Rotations-Bauteile, so dass eine kompakte Bauweise des Verdichters möglich ist.Has compensation, overcompensation, constant control for the "delivery rate", with a minimum mass of the pivotable rotary components, so that a compact design of the compressor is possible.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst, wobei bevorzugte konstruktive Details und Weiterentwicklungen in den Unteransprüchen beschrieben sind.According to the invention, this object is achieved by the characterizing features of claim 1, preferred structural details and further developments being described in the subclaims.
Erfindungsgemäß wird also das gewünschte Regelverhalten des Verdichters primär nicht mit der Bauteilmasse erreicht, sondern unter Berücksichtigung des Massenträgheitsmomentes der Schwenkscheibenanordnung, welches von deren Geometrie abhängt.According to the invention, the desired control behavior of the compressor is therefore primarily not achieved with the component mass, but instead taking into account the moment of inertia of the swivel plate arrangement, which depends on its geometry.
Ein Kerngedanke der Erfindung ist es also, das Moment infolge translatorischer Massen direkt durch das Moment infolge rotierender Massen zu kompensieren, oder auch zu überkompensieren. Das Aufstellmoment, welches an einer Schwenkscheibenvorrichtung hervorgerufen werden soll, ist eine Funktion der Drehzahl bzw. der Winkelgeschwindigkeit ω und des Massenträgheitsmomentes J der Schwenkscheibenvorrichtung:A core idea of the invention is therefore to compensate for the moment due to translational masses directly, or also to overcompensate for the moment due to rotating masses. The set-up torque that is to be generated on a swivel plate device is a function of the speed or the angular velocity ω and the mass moment of inertia J of the swivel plate device:
M = f (ω2 ; J)M = f (ω 2 ; J)
Das Massenträgheitsmoment selbst ist im wesentlichen eine Funktion der Bauteilmasse und der Bauteilgeometrie, zum Beispiel bei einer Scheibe bestimmt durch den Durchmesser „2r" und die Scheibendicke bzw. -höhe „h":The moment of inertia itself is essentially a function of the component mass and the component geometry, for example in the case of a disk determined by the diameter “2r” and the disk thickness or height “h”:
j = f (m, r2, h*)j = f (m, r 2 , h *)
Noch präziser ausgedrückt ist das Massenträgheitsmoment im wesentlichen eine Funktion der Bauteildichteverteilung und auch der Bauteilgeometrie. Dabei berücksichtigt die Bauteildichteverteilung zum Beispiel Schwenkscheiben aus unterschiedlichen Werkstoffen, nämlich 2, 3 oder mehr Werkstoffen oder einem Werkstoff mit unterschiedlicher Dichteverteilung (Metallschaum, heterogenes Material):Expressed even more precisely, the moment of inertia is essentially a function of the component density distribution and also the component geometry. The component density distribution takes into account, for example, swivel plates made of different materials, namely 2, 3 or more materials or a material with different density distribution (metal foam, heterogeneous material):
Figure imgf000009_0001
wobei S = Dichte, r = Schwenkscheibenradius, und h = Schwenkscheibenhöhe bedeuten.
Figure imgf000009_0001
where S = density, r = swivel plate radius, and h = swivel plate height.
Zusätzlich ist die Lage des Bauteilschwerpunktes zu berücksichtigen. Bevorzugt wird ein Bauteilschwerpunkt auf der Antriebswellenachse, insbesondere im Kipppunkt der Schwenkscheibenvorrichtung liegen (also dann jeweils für jeden Kippwinkel).In addition, the location of the component's center of gravity must be taken into account. A component center of gravity is preferably located on the drive shaft axis, in particular in the tilting point of the swivel disk device (that is to say then in each case for each tilting angle).
Aus den Zusammenhängen ist erkennbar, dass es effektiv ist (Exponent), die Geometrie der Schwenkscheibenvorrichtung so zu wählen, dass das gewünschte Regelverhalten erreicht wird. Besonders vorteilhaft ist es, eine Geometrie der Schwenkscheibe zur Verfügung zu stellen, die einen Kompromiß aus „geringer Bauteilmasse" und (genügend) „großen Massenträgheitsmoment" darstellt.From the relationships it can be seen that it is effective (exponent) to choose the geometry of the swivel plate device in such a way that the desired control behavior is achieved. It is particularly advantageous to provide a geometry of the swivel plate which represents a compromise between "low component mass" and (sufficient) "large mass moment of inertia".
Bei Ausbildung der Schwenkscheibe als Schwenkring kann dies dadurch erreicht werden, dass sowohl der Innendurchmesser als auch der Außendurchmesser unter Berücksichtigung der äußeren Umgebungsbedingungen jeweils maximal ausgebildet werden, wobei die äußeren Umgebungsbedingungen vorgegeben werden durch die Größe des Triebwerksraumes sowie zum Beispiel durch die notwendige Gleit- und Lagerfläche für die Gleitsteine einer Gelenkanordnung zwischen Schwenkscheibe bzw. Schwenkscheibenring und Kolben. Auch kann Einfluß genommen werden auf das gewünschte Massenträgheitsmoment durch geeignete Wahl der Schwenkscheibendicke.When the swivel plate is designed as a swivel ring, this can be achieved in that both the inner diameter and the outer diameter are each designed to a maximum, taking into account the external environmental conditions, the external environmental conditions being predetermined by the size of the engine compartment and, for example, by the necessary sliding and Bearing surface for the sliding blocks of a joint arrangement between the swivel plate or swivel plate ring and the piston. The desired mass moment of inertia can also be influenced by a suitable choice of the swash plate thickness.
Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes Schwenk- scheibentriebwerk anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt in:An exemplary embodiment of a swash plate engine according to the invention is explained in more detail below with reference to the attached drawing. This shows in:
Fig. 1 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Schwenkscheiben-Mechanismus für einen Axialkolbenverdichter für Fahrzeug-Klimaanlagen in schematischer Perspektivansicht, wobei die Schwenkscheibe sich in einer Stellung für einen maximalenFig. 1 shows an embodiment of a swivel plate mechanism according to the invention for an axial piston compressor for vehicle air conditioning systems in a schematic perspective view, the swivel plate in a position for a maximum
Kolben befindet;Piston is located;
Fig. 2 den Mechanismus gemäß Fig. 1 in schematischer Seitenansicht;FIG. 2 shows the mechanism according to FIG. 1 in a schematic side view;
Fig. 3 den Schwenkscheiben-Mechanismus entsprechend den Fig. 1 und 2, teilweise in Seitenansicht, teilweise im Schnitt;3 shows the swivel plate mechanism corresponding to FIGS. 1 and 2, partly in side view, partly in section;
Fig. 4 den Schwenkscheiben-Mechanismus entsprechend Fig. 3 in Seitenansicht;4 shows the swivel plate mechanism corresponding to FIG. 3 in a side view;
Fig. 5 den Mechanismus gemäß Fig. 1-4 in schematischerFig. 5 shows the mechanism of FIGS. 1-4 in a schematic
Perspektivansicht, wobei sich die Schwenkscheibe in einer Kolben-Minimalhub-Stellung befindet; Fig. 6 den Mechanismus gemäß Fig. 5 in Seitenansicht;Perspective view, wherein the swivel plate is in a piston minimum stroke position; 6 shows the mechanism according to FIG. 5 in a side view;
Fig. 7 den Schwenkscheiben-Mechanismus gemäß den Fig. 5 und 6, teilweise in Seitenansicht, teilweise im Schnitt;7 shows the swivel plate mechanism according to FIGS. 5 and 6, partly in side view, partly in section;
Fig. 8 den Schwenkscheiben-Mechanismus gemäß Fig. 7 in8 the swivel plate mechanism according to FIG. 7 in
Seitenansicht;Side view;
Fig. 9 eine schematische Darstellung der Koordinaten einesFig. 9 is a schematic representation of the coordinates of a
Schwenkscheiben-Mechanismus zur Berechnung des Massenträgheitsmomentes; undSwivel plate mechanism for calculating the moment of inertia; and
Fig. 10 Teil eines Compound-Schwenkringes im Querschnitt und vergrößertem Maßstab.Fig. 10 part of a compound swivel ring in cross section and enlarged scale.
In den Fig. 1-8 ist eine bevorzugte Ausführungsform eines Schwenkscheiben- Mechanismus 100 für einen Axialkolbenverdichter für Kraftfahrzeug-Klimaanlagen schematisch dargestellt. Dieser Schwenkscheiben-Mechanismus 100 umfaßt eine in ihrer Neigung zu einer Antriebswelle 104 verstellbare, von der Antriebswelle drehangetriebene, im vorliegenden Fall ringförmige Schwenkscheibe 107, wobei diese sowohl mit einer auf der Antriebswelle 104 axial verschieblich gelagerten Schiebehülse 108 als auch mit einem im Abstand von der Antriebswelle 104 mit dieser mitdrehend angeordneten Stützelement 109 gelenkig verbunden ist. Diese gelenkige Verbindung ist als Axialabstützung ausgebildet, wie insbesondere die Figuren 2-4 und 5-8 sehr gut erkennen lassen. Die Zusammenwirkung des Schwenkringes 107 mit gleichmäßig über einen sich um die Antriebswelle 104 herumerstreckenden Umfang verteilt angeordneten Axialkolben, die innerhalb eines Zylinderblocks hin- und herbeweglich gelagert sind, entspricht derjenigen gemäß Stand der Technik, zum Beispiel gemäß der DE 197 49 727 AI.1-8 schematically shows a preferred embodiment of a swivel plate mechanism 100 for an axial piston compressor for motor vehicle air conditioning systems. This swivel plate mechanism 100 comprises a swivel plate 107 which is adjustable in its inclination to a drive shaft 104, rotatably driven by the drive shaft, in the present case ring-shaped swivel plate 107, both with a slide sleeve 108 mounted axially displaceably on the drive shaft 104 and with a spaced apart from it Drive shaft 104 is pivotally connected to this rotating support element 109. This articulated connection is designed as an axial support, as can be seen particularly well in FIGS. 2-4 and 5-8. The interaction of the swivel ring 107 with an axial piston which is distributed uniformly over a circumference extending around the drive shaft 104 and which is mounted to move back and forth within a cylinder block corresponds to that according to the prior art, for example according to DE 197 49 727 A1.
Das Schwenklager des Schwenkringes 107 definiert eine sich quer zur Antriebswelle 104 erstreckende Schwenkachse 101. Diese Schwenkachse 101 wird konkret definiert durch zwei gleichachsig beidseitig der Schiebehülse 108 gelagerte Lagerbolzen. Diese Lagerbolzen sind radialen Bohrungen des Schwenkringes 107 gelagert. Die Schiebehülse kann zu diesem Zweck beidseitig zusätzlich Lagerhülsen aufweisen, die den Ringraum zwischen der Schiebehülse 108 und dem Schwenkring 107 überbrücken. Auch diese Konstruktion entspricht weitgehend dem Stand der Technik gemäß der DE 197 49 727 AI.The pivot bearing of the pivot ring 107 defines a pivot axis 101 extending transversely to the drive shaft 104. This pivot axis 101 is specifically defined by two bearing pins mounted on both sides of the sliding sleeve 108 on the same axis. These bearing bolts are mounted in radial bores of the swivel ring 107. For this purpose, the sliding sleeve can additionally have bearing sleeves on both sides, which bridge the annular space between the sliding sleeve 108 and the swivel ring 107. This construction also largely corresponds to the prior art according to DE 197 49 727 AI.
Von Bedeutung ist die axiale Abstützung des Schwenkringes an dem mit der Antriebswelle 104 mitdrehend angeordneten Stützelement 109. Diese Abstützung erfolgt durch einen am Schwenkring 107 angeordneten Stützbogen 110. Dieser Stützbogen 110 ist so ausgebildet, dass er eine zwischen Kolben und Schwenkring wirksame Gelenkanordnung übergreift, und zwar so, dass unabhängig von der Neigung des Schwenkringes 107 eine Kollision zwischen diesem und dem Stützbogen 110 einerseits und einem die vorgenannte Gelenkanordnung umfassenden brückenartigen Kolbenfuß andererseits ausgeschlossen ist. Das Stützelement 109 ist integraler Bestandteil einer mit der Antriebswelle 104 mitdrehenden Scheibe 112, und zwar ein gegenüber der Scheibe erhaben ausgebildetes Kreissegment.Of importance is the axial support of the swivel ring on the support element 109 which rotates with the drive shaft 104. This support is provided by a support arch 110 arranged on the swivel ring 107. This support arch 110 is designed such that it engages over an articulated arrangement which is effective between the piston and the swivel ring, and This is so that, regardless of the inclination of the swivel ring 107, a collision between the latter and the support arch 110 on the one hand and a bridge-like piston foot comprising the aforementioned joint arrangement on the other hand is excluded. The support element 109 is an integral part of a disk 112 which rotates with the drive shaft 104, specifically a circular segment which is raised in relation to the disk.
Die Stützfläche des Bogens 110 erstreckt sich etwa konzentrisch zum Mittelpunkt der zwischen Kolben und Schwenkscheibe bzw. Schwenkring 107 wirksamen Gelenkanordnung, die kugelsegmentförmige Gleitsteine umfaßt. Die axiale Abstützung ist also außerhalb der vorgenannten Gelenkanordnung wirksam mit der Folge, dass die Gelenkanordnung, die zwischen Kolben und Schwenkscheibe bzw. Schwenkring wirksam ist, durch axiale Abstützungsmaßnahmen nicht beeinträchtigt wird. Dies gilt insbesondere für die Dimensionierung der vorgenannten Gelenkanordnung.The support surface of the arch 110 extends approximately concentrically to the center of the joint arrangement which is effective between the piston and the swivel plate or swivel ring 107 and which comprises sliding blocks in the form of spherical segments. The axial support is therefore effective outside the aforementioned joint arrangement, with the result that the joint arrangement, which is effective between the piston and the swivel plate or swivel ring, is not impaired by axial support measures. This applies in particular to the dimensioning of the aforementioned joint arrangement.
Des weiteren ist erkennbar, dass bei der dargestellten Ausführungsform das Schwenklager der Schwenkscheibe bzw. des Schwenkringes 107 nur zur Drehmomentübertragung und das Stützelement 109 nur zur axialen Abstützung der Kolben bzw. Gaskraftabstützung dienen. Die Drehmomentübertragung ist also von der Axialabstützung des Schwenkringes 107 entkoppelt. In den Fig. 1-4 befindet sich der Schwenkring in einer Neigungs-Position für maximalen Kolbenhub. Die Fig. 5-8 zeigen den Schwenkring in einer Position für einen minimalen Kolbenhub.Furthermore, it can be seen that in the embodiment shown, the swivel bearing of the swivel plate or swivel ring 107 is used only for torque transmission and the support element 109 only for axial support of the pistons or gas force support. The torque transmission is therefore decoupled from the axial support of the swivel ring 107. 1-4, the swivel ring is in an inclined position for maximum piston stroke. 5-8 show the swivel ring in a position for a minimum piston stroke.
Die in den Fig. 4 und 8 eingezeichneten Kreise in Fortsetzung der Stützfläche des Stützbogens 110 zeigen, dass die Stützfläche des Stützbogens 110 einen Kreisbogen beschreibt. Davon kann bei Bedarf bewusst abgewichen werden, um einen vorbestimmten „offset" der Abstützung des Stützbogens 109 von der Kolbenlängsachse bei Veränderung der Neigung des Schwenkringes 107 auszugleichen.The circles drawn in FIGS. 4 and 8 in continuation of the support surface of the support arch 110 show that the support surface of the support arch 110 describes an arc. This can be deliberately deviated from if necessary in order to compensate for a predetermined “offset” of the support of the support arch 109 from the longitudinal axis of the piston when the inclination of the swivel ring 107 changes.
Der Stützbogen 110 kann entweder integrales Bauteil des Schwenkringes 107 sein oder entsprechend den Fig. 3 und 7 als gesondertes Bauteil mit dem Schwenkring 107 starr verbunden sein. Letztgenannte Ausführungsform hat den Vorteil, dass sich der Schwenkring auf beiden Flachseiten genau schleifen lässt mit der Folge einer entsprechend hohen Parallelität der beiden gegenüberliegenden Laufflächen für die oben erwähnten Gleitsteine einer zwischen Kolben und Schwenkring wirksamen Gelenkanordnung.The support arch 110 can either be an integral component of the swivel ring 107 or, according to FIGS. 3 and 7, be rigidly connected to the swivel ring 107 as a separate component. The last-mentioned embodiment has the advantage that the swivel ring can be ground precisely on both flat sides, with the consequence of a correspondingly high parallelism of the two opposite running surfaces for the above-mentioned sliding blocks of an articulated arrangement which is effective between the piston and the swivel ring.
Falls der Stützbogen 110 auch zur Drehmomentübertragung dienen soll, erstreckt sich dieser vorzugsweise in eine entsprechende Mulde, an der dem Stützbogen 110 zugewandten Seite des Stützelements 109 hinein. Die Mulde ist dann vorzugsweise als Radialnut ausgebildet.If the support arch 110 is also to be used for torque transmission, it preferably extends into a corresponding trough on the side of the support element 109 facing the support arch 110. The trough is then preferably designed as a radial groove.
Es sei an dieser Stelle nochmals darauf hingewiesen, dass die dargestellte Ausführung eines Schwenkscheiben-Mechanismus nur beispielhaft ist. Das erfindungsgemäße Konzept eignet sich zum Beispiel genauso gut für einen Schwenkscheiben- bzw. Schwenkring-Mechanismus gemäß der DE 197 49 727 AI.At this point it should be pointed out again that the embodiment of a swivel plate mechanism shown is only an example. The concept according to the invention is, for example, just as suitable for a swivel plate or swivel ring mechanism according to DE 197 49 727 AI.
Vorzugsweise ist der Schwenkring 107 ausgewuchtet, und zwar so, dass der Schwerpunkt im sog. Kipppunkt liegt. Zu diesem Zweck kann relativ zur Antriebswelle 104 diametral zum Stützbogen 110 noch ein Ausgleichsgewicht 114 vorgesehen sein, so wie dies nur beispielhaft in Fig. 3 eingezeichnet ist. Wie bereits eingangs dargelegt, ist der durch die Geometrie und/oder Schwenkscheibe bzw. des Schwenkrings 107 bzw. des Schwenkbahnanteils desselben derart gewählt, dass die beim Drehen des Schwenkringes auftretenden Fliehkräfte ausreichen, um der Schwenkbewegung des Schwenkringes bewusst regelnd entgegenzuwirken und damit den Kolbenhub und somit die Fördermenge zu beeinflussen, insbesondere zu verringern bzw. zu begrenzen.The swivel ring 107 is preferably balanced in such a way that the center of gravity lies in the so-called tipping point. For this purpose, a balance weight 114 can be provided relative to the drive shaft 104 diametrically to the support arch 110, as is shown only by way of example in FIG. 3. As already explained at the outset, the geometry and / or swivel plate or swivel ring 107 or the swivel path portion thereof is selected such that the centrifugal forces which occur when the swivel ring is rotated are sufficient to consciously counteract the swivel movement of the swivel ring and thus counteract the piston stroke and thus influencing the delivery rate, in particular reducing or limiting it.
Bei der dargestellten Ausführungsform ist die Schwenkscheibe als Schwenkring ausgebildet. Zusätzlich kann es vorteilhaft sein, für eine Anlenkung an andere Bauteile des Triebwerkes oder für einen Massenausgleich Ausformungen, Bohrungen, Vorsprünge od. dgl. vorzusehen. Auf jeden Fall sollte vorzugsweise der Massenschwerpunkt mit dem Kipppunkt (Kippgelenk) des Schwenkringes zusammenfallen.In the embodiment shown, the swivel plate is designed as a swivel ring. In addition, it may be advantageous to provide moldings, bores, projections or the like for articulation to other components of the engine or for mass balancing. In any case, the center of gravity should preferably coincide with the tipping point (tilting joint) of the swivel ring.
Außen- und Innendurchmesser des Schwenkringes 107 werden durch die Durchmesser der Gleitsteine bestimmt, die Teil einer zwischen Kolben und Schwenkring wirksamen Gelenkanordnung sind. Die vorgenannten Durchmesser werden so gewählt, dass die Gleitsteine im wesentlichen auf den Flachseiten des Schwenkringes aufliegen, und zwar so, dass sie auch bei extremer Neigung des Schwenkringes nur geringfügig über den Außen- oder Innendurchmesser des Schwenkringes vorstehen. In jedem Fall sollten unter den gegebenen Umständen sowohl Innen- als auch Außenradius des Schwenkringes maximal sein, wobei der Außendurchmesser natürlich auch begrenzt ist durch den Innendurchmesser des Gehäuses, welches den Triebwerksraum begrenzt.The outside and inside diameters of the swivel ring 107 are determined by the diameter of the sliding blocks, which are part of a joint arrangement that is effective between the piston and the swivel ring. The aforementioned diameters are chosen so that the sliding blocks lie essentially on the flat sides of the swivel ring, in such a way that they protrude only slightly beyond the outer or inner diameter of the swivel ring even when the swivel ring is extremely inclined. In any case, under the given circumstances, both the inside and outside radius of the swivel ring should be maximum, the outside diameter of course also being limited by the inside diameter of the housing, which limits the engine room.
Der vorerwähnte Stützbogen 110 ist hinsichtlich seiner Masse im Vergleich zu den übrigen Teilen des Schwenkringes vernachlässigbar. Er muß lediglich in Bezug auf etwaige Unwuchten berücksichtigt werden, z.B. durch Anordnung kompensatorisch wirksamer Gegengewichte.The above-mentioned support arch 110 is negligible in terms of its mass compared to the other parts of the swivel ring. It only has to be taken into account with regard to any imbalance, e.g. by arranging counterweights with compensatory effects.
Die Kolben, die beim erfindungsgemäßen Triebwerk verwendet werden, weisen eine Masse von etwa 30 g bis 90 g auf, vorzugsweise 35 g bis 50 g. Sie bestehen zu diesem Zweck aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung (mit oder ohne Kunst- stoffbeschichtung) oder aus einem Kunststoff-Verbund. Die Verwendung von Stahl, Stahlguß oder Grauguß für die Kolben ist ebenfalls denkbar. Die Folge ist dann natürlich, dass die Kolbenmassen größer werden. Als Kompromiß ist eine Kombination von Stahl und Aluminium überlegenswert. Denkbar ist auch eine Kombination von Metall und Kunststoff.The pistons used in the engine according to the invention have a mass of about 30 g to 90 g, preferably 35 g to 50 g. For this purpose, they consist of aluminum or an aluminum alloy (with or without plastic coating) or of a plastic composite. The use of steel, Cast steel or gray cast iron for the pistons is also conceivable. The consequence is, of course, that the piston masses increase. As a compromise, a combination of steel and aluminum is worth considering. A combination of metal and plastic is also conceivable.
In der Regel liegt der Innenradius „r" des Schwenkringes 107 im Bereich von 12 mm bis 22 mm. Der Außenradius „ra" des Schwenkringes 107 beträgt etwa 34 mm bis 42 mm.As a rule, the inner radius “r” of the swivel ring 107 is in the range from 12 mm to 22 mm. The outer radius “r a ” of the swivel ring 107 is approximately 34 mm to 42 mm.
Die Kolben liegen auf einem Teilkreisdurchmesser „rm" im Bereich zwischen 24 mm und 34 mm.The pistons lie on a pitch circle diameter "r m " in the range between 24 mm and 34 mm.
Bevorzugt wird eine Geometrie im Bereich von „n = 20 mm", „rm = 29 mm" und „ra = 38 mm", wobei sich rm aus der Gleichung rm = (ra + rr)/2 errechnet.A geometry in the range of “n = 20 mm”, “r m = 29 mm” and “r a = 38 mm” is preferred, where r m is calculated from the equation r m = (r a + r r ) / 2 ,
Die Höhe „h" des Schwenkringes 107 liegt im Bereich von 8 mm bis 20 mm, vorzugsweise im Bereich zwischen 14 mm bis 16 mm.The height "h" of the swivel ring 107 is in the range from 8 mm to 20 mm, preferably in the range between 14 mm to 16 mm.
Der Werkstoff, der für die Herstellung des Schwenkringes 107 verwendet wird, sollte vorzugsweise eine Dichte von größer als 7 g/cm3, insbesondere größer als 8 g/cm3 aufweisen.The material used for the production of the swivel ring 107 should preferably have a density of greater than 7 g / cm 3 , in particular greater than 8 g / cm 3 .
Vorzugsweise besteht der Schwenkring aus mindestens zwei Werkstoffen zur Erzielung einer optimalen Massenträgheit. In Fig. 3 und 7 ist ein solcher Compound-Schwenkring schematisch dargestellt, wobei der Innenring mit 107i und der Außenring mit 107a gekennzeichnet ist. Der Außenring 107a besteht vorzugsweise aus einem Werkstoff höherer Dichte. In Fig. 10 ist diesbezüglich eine Alternativkonstruktion dargestellt, die sich dadurch auszeichnet, dass sich der äußere Teilring 107a aus schwerem Werkstoff, d.h. Werkstoff höherer Dichte, wie z.B. Blei od. dgl. innerhalb einer äußeren Umfangs- nut 113 des inneren Teilringes 107i befindet, der z.B. aus verschleißfestem Stahl hergestellt ist. Damit ist sichergestellt, dass die beiden Flachseiten des Schwenkringes, auf denen die Gleitsteine der Kolbenanlenkung gleiten, verschleißfest sind. Im übrigen weist Stahl eine geringere Dichte als Blei auf, d.h. der innere Teilring 107i besteht aus einem leichteren Werkstoff als der äußere Teilring 107a.The swivel ring preferably consists of at least two materials in order to achieve optimal mass inertia. Such a compound swivel ring is shown schematically in FIGS. 3 and 7, the inner ring being identified by 107i and the outer ring by 107a. The outer ring 107a is preferably made of a higher density material. In this regard, FIG. 10 shows an alternative construction which is characterized in that the outer part ring 107a made of heavy material, ie material of higher density, such as lead or the like, is located within an outer circumferential groove 113 of the inner part ring 107i. which is made of wear-resistant steel, for example. This ensures that the two flat sides of the swivel ring, on which the sliding blocks of the piston linkage slide, are wear-resistant. Furthermore steel has a lower density than lead, ie the inner part ring 107i consists of a lighter material than the outer part ring 107a.
Der Schwenkring 107 hat vorzugsweise ein Massenträgheitsmoment J2 = Jη bzw. J = m/4 (ra 2 + n2 + h2/3), das größer ist als 100.000 gmm2. Vorzugsweise ist das Massenträgheitsmoment größer als J=200.000-250.000 gmm2.The swivel ring 107 preferably has a mass moment of inertia J 2 = Jη or J = m / 4 (r a 2 + n 2 + h 2/3 ), which is greater than 100,000 gmm 2 . The moment of inertia is preferably greater than J = 200,000-250,000 gmm 2 .
Weiter hat der Schwenkring vorzugsweise ein Massenträgheitsmoment von J3 = Jζ =Furthermore, the swivel ring preferably has a mass moment of inertia of J 3 = J ζ = -
22
(ra 2 + n2), das größer ist als 200.000 gmm2, vorzugsweise etwa 400.000 - 500.000 gmm2.(r a 2 + n 2 ), which is larger than 200,000 gmm 2 , preferably about 400,000 - 500,000 gmm 2 .
(Anmerkung: In der Regel (Scheibe oder Ring) ist Jδ immer ungefähr J3 = 2 x J2. Es kommt aber primär auf J3 an, wobei J2 und J3 jedoch wie beschrieben, voneinander abhängig sind.)(Note: As a rule (disc or ring), J δ is always approximately J 3 = 2 x J 2. However , it primarily depends on J 3 , although J 2 and J 3 are interdependent as described.)
Wie oben dargelegt, gibt es verschiedene Einflußgrößen (Momente), die in das Regelverhalten der Schwenkscheibe bzw. des Schwenkringes eingreifen. Dabei gilt es, das Moment infolge translatorischer Massen direkt durch das Moment infolge rotierender Massen zu kompensieren oder ggf. zu überkompensieren.As explained above, there are various influencing variables (moments) that affect the control behavior of the swivel plate or swivel ring. It is important to compensate for the moment due to translational masses directly or, if necessary, to overcompensate for the moment due to rotating masses.
Nachstehend ist die Herleitung des sog. Deviationsmomentes angegeben, welches für das Kippen der Schwenkscheibe bzw. eines Schwenkringes maßgeblich ist, und zwar im dargestellten Fall allein für das Kippen der Schwenkscheibe bzw. des Schwenkringes verantwortlich ist unter der Voraussetzung, dass der Massenschwerpunkt der Schwenkscheibe bzw. des Schwenkringes sowohl im Kipppunkt als auch im geometrischen Mittelpunkt der Schwenkscheibe bzw. des Schwenkringes liegt. Hierbei handelt es sich um einen anzustrebenden Idealfall der Konstruktion. Für die Herleitung des Deviationsmomentes gilt ganz allgemein unter Bezugnahme auf Fig. 9:The derivation of the so-called deviation torque is given below, which is decisive for the tilting of the swivel plate or a swivel ring, and in the case shown is solely responsible for the tilting of the swivel plate or swivel ring, provided that the center of gravity of the swivel plate or . of the swivel ring lies both in the tipping point and in the geometric center of the swivel plate or swivel ring. This is an ideal design case to be aimed for. The following generally applies to the derivation of the moment of deviation with reference to FIG. 9:
Jyz = -JιCθsα2 cosα3 - J2 cosß2 cosß3-J3cosγ2cosγ3 αι = 0 ßi = 90° L Richtungswinkel der x-Achse γi = 90° ) gegenüber den Hauptträgheitsachsen ξ-η-ζ α2 = 90° ß2 = ψ Richtungswinkel der y-Achse gegenüber den γ2 = 90° + ψ Hauptträgheitsachsen ξ-η'ζJ yz = -JιCθsα 2 cosα 3 - J 2 cosß 2 cosß 3 -J 3 cosγ 2 cosγ 3 αι = 0 ßi = 90 ° L directional angle of the x-axis γi = 90 °) with respect to the main axes of inertia ξ-η-ζ α 2 = 90 ° ß 2 = ψ directional angle of the y-axis compared to γ 2 = 90 ° + ψ main axes of inertia ξ-η'ζ
Richtungswinkel der z-Achse gegenüber den
Figure imgf000017_0001
Hauptträgheitsachsen ξ-η-ζ
Direction angle of the z-axis compared to the
Figure imgf000017_0001
Main axes of inertia ξ-η-ζ
Figure imgf000017_0002
m h = Jς = -i (ra 2+r,2)
Figure imgf000017_0002
mh = Jς = -i (r a 2 + r, 2 )
(Anmerkung: J3 « 2 J2 Ziel: Jyz soll eine bestimmte Größe haben Jyz f J2 erhöht sich zwangsläufig!)(Note: J 3 «2 J 2 goal: J yz should have a certain size Jyz f J 2 inevitably increases!)
Deviationsmomentof inertia
Jyz = -J2 cosψ sinψ + J3 cosψ sinψJ yz = -J 2 cosψ sinψ + J 3 cosψ sinψ
Im übrigen gilt unabhängig von Fig. 9:For the rest, regardless of Fig. 9:
Moment infolge Massenkraft der Kolben ß, = θ + 2π (i-1) - nTorque due to the mass force of the pistons ß, = θ + 2π (i-1) - n
Zi = R ω2 tan cosß,Zi = R ω 2 tan cosß,
Fml = mk ' ZjF ml = m k 'Zj
M(Fmi) = mk R cosßi z,M (F mi ) = m k R cosßi z,
Mkιges = mk R ∑z \ cosßi ι=lM kιges = m k R ∑z \ cosßi ι = l
Moment infolge Deviationsmoment Msw Msw = Jyz * ω2 Moment due to deviation moment Msw M sw = J yz * ω 2
. msw . , .. msw . , , , h2 η Jyz = { — (ra2 + n2) - -j- ("" 2 + n2 + — )} cosα sinα, msw. , .. msw. ,,, h 2 η Jyz = {- ( r a 2 + n 2 ) - -j- ("" 2 + n 2 + -)} cosα sinα
mswmsw
Jyz = sin2α (3ra 2 + 3η2 - h2) ~2 ~ Dabei bedeuten die oben verwendeten Größen was folgt:Jyz = sin2α (3r a 2 + 3η 2 - h 2 ) ~ 2 ~ The sizes used above mean what follows:
θ Drehwinkel der Welle (wobei die vor- und nachstehenden Betrachtungen der Einfachheit halber für θ=0 angestellt werden) η Anzahl der Kolbenθ angle of rotation of the shaft (whereby the above and following considerations are made for θ = 0 for the sake of simplicity) η number of pistons
R Abstand der Kolbenachse zur Wellenachse ω Wellendrehzahl α Kippwinkel des Schwenkringes/Schwenkscheibe mk Masse eines Kolbens inklusive Gleitsteine bzw. Gleitsteinpaar mk,ges Masse aller Kolben inklusive Gleitsteine msw Masse des Schwenkringes ra Außenradius des Schwenkringes ri Innenradius des Schwenkringes h Höhe des Schwenkringes Dichte des SchwenkringesR Distance between the piston axis and the shaft axis ω Shaft speed α Tilt angle of the swivel ring / swivel plate mk Mass of a piston including sliding blocks or pair of sliding blocks mk, total Mass of all pistons including sliding blocks msw Mass of the swivel ring ra External radius of the swivel ring ri Inner radius of the swivel ring h Height of the swivel ring Density of the swivel ring
V Volumen des Schwenkringes ßi Winkelposition des Kolbens i zi Beschleunigung des Kolbens iV volume of the swivel ring ßi angular position of the piston i zi acceleration of the piston i
Fmi Massenkraft des Kolbens i (inklusive einem Gleitsteinpaar) M(Fmi) Moment infolge der Massenkraft des Kolbens iFmi mass force of the piston i (including a pair of sliding blocks) M (Fmi) moment due to the mass force of the piston i
Mk,ges Moment infolge der Massenkraft aller KolbenMk, total moment due to the mass force of all pistons
Msw Moment infolge des Aufstellmomentes des Schwenkringes/Schwenkscheibe (Deviationsmoment)Msw moment due to the set-up torque of the swivel ring / swash plate (deviation torque)
Dabei ist es im Rahmen der vorliegenden Erfindung Ziel, dass das Moment infolge des Aufstellmomentes der Schwenkscheibe oder des Schwenkrings, d.h. das Deviationsmoment größer/gleich dem Moment infolge der Massenkräfte aller Kolben ist, d.h. folgende Beziehung gilt:It is the aim of the present invention that the moment due to the moment of installation of the swivel plate or the swivel ring, i.e. the moment of deviation is greater than / equal to the moment due to the mass forces of all pistons, i.e. the following relationship applies:
Msw > Mk,ges bzw.M sw > Mk, tot or
2 — sin2α (3ra 2 + 3r,2-h2) > ω2 R2 mk tanα ∑ cos2ßi]2 - sin2α (3r a 2 + 3r, 2 -h 2 )> ω 2 R 2 m k tanα ∑ cos 2 ßi]
24 /=1 Die vorgenannte Gleichung zeigt, dass die Drehzahl auf beide Terme gleichartig Einfluß hat und deshalb Drehzahländerungen an dem Momentenverhältnis nichts ändern. Dies ergibt sich auch aus nachstehendem Beispiel in den Tabellen 1 und 2, wobei:24 / = 1 The aforementioned equation shows that the speed has the same influence on both terms and therefore changes in speed do not change the torque ratio. This also results from the following example in Tables 1 and 2, where:
Kolbenzahl: n = 7Number of pistons: n = 7
Abstand Kolbenachse zur Antriebswellen-Längsachse: R = 25 mmDistance between piston axis and drive shaft longitudinal axis: R = 25 mm
Innenradius r,/Außenradius ra des Schwenkringes: n / ra = 15/35Inner radius r, / outer radius r a of the swivel ring: n / r a = 15/35
Dichte: S = 7, 9Density: S = 7.9
Schwenkringhöhe: h = 10 mmSwivel ring height: h = 10 mm
Masse/Kolben: mk = 39 vorausgesetzt wird:Mass / piston: m k = 39 assuming:
Tabelle 1Table 1
Figure imgf000019_0001
Figure imgf000019_0001
Tabelle 2Table 2
Figure imgf000019_0002
Die Tabelle 2 zeigt, dass der jeweilige Schwenkscheiben bzw. -ring-Kippwinkel am Momentenverhältnis nur wenig ändert. Des weiteren ergibt sich aus der vorstehenden Gleichung, dass tanα ≠ sin2α, und dass dementsprechend das Momentenverhältnis insbesondere für kleine Winkel α wenig vom Winkel α abhängt. Daraus ergibt sich eine sinnvolle Auslegung für einen mittleren Winkel α: Mk,ges = Ms oder für αmax: Mk,ges = Msw. Die Schwenkscheibe wirkt dabei kompensierend.
Figure imgf000019_0002
Table 2 shows that the respective swivel plate or ring tilt angle changes only slightly at the torque ratio. Furthermore, it follows from the above equation that tanα ≠ sin2α, and accordingly the torque ratio, in particular for small angles α, depends little on the angle α. This results in a sensible design for an average angle α: M k , tot = M s or for α max : M k , tot = M sw . The swivel plate has a compensating effect.
Die nachstehende Tabelle 3 zeigt Ergebnisse für den Fall: - Schwenkscheibe wirkt kompensierend - Schwenkscheibe wirkt abregelnd bzw. überkompensierendTable 3 below shows results for the case: - Swivel plate has a compensating effect - Swivel plate has a regulating or overcompensating function
Tabelle 3Table 3
Einfluss der Schrägscheibengeometrie Q = 7,9 g/mnV ra ri h Jy/mk,ges Jy/msw Jz/mk,ges Jz/msw msw/mk,ges Mk,ges MswInfluence of the swash plate geometry Q = 7.9 g / mnV ra ri h Jy / mk, ges Jy / msw Jz / mk, ges Jz / msw msw / mk, ges Mk, ges Msw
35,00 15,00 10,00 337 371 659 725 0,91 1,48 1,48 kompensierend35.00 15.00 10.00 337 371 659 725 0.91 1.48 1.48 compensating
37,50 17,50 10,00 436 436 856 856 1,00 1,80 1,93 kompensierend (~)37.50 17.50 10.00 436 436 856 856 1.00 1.80 1.93 compensating (~)
40,00 20,00 10,00 555 508 1091 1000 1,09 2,14 2,47 kompensierend (~)40.00 20.00 10.00 555 508 1091 1000 1.09 2.14 2.47 compensating (~)
ra ri h Jy/mk,ges Jy/msw Jz/mk,ges Jz/msw msw/mk,ges Mk,ges Mswra ri h Jy / mk, tot Jy / msw Jz / mk, tot Jz / msw msw / mk, tot Mk, tot Msw
35,00 15,00 16,00 558 384 1055 725 1,45 1,48 2,29 abregelnd35.00 15.00 16.00 558 384 1055 725 1.45 1.48 2.29 regulating
37,50 17,50 16,00 719 449 1370 856 1,60 1,80 3,00 abregelnd37.50 17.50 16.00 719 449 1370 856 1.60 1.80 3.00 regulating
40,00 20,00 16,00 910 521 1745 1000 1,75 2,14 3,85 abregelnd40.00 20.00 16.00 910 521 1745 1000 1.75 2.14 3.85 regulating
wobei „(~)" soviel wie „ungefähr" bzw. „etwa" bedeutet.where "(~)" means something like "about" or "about".
Für das Momentengleichgewicht sind demzufolge im wesentlichen nur die geometrischen Größen relevant, wobei natürlich auch die Massen der Kolben und der Schwenkscheibe Einfluss haben. Konkret sind von Relevanz auf das Momentengleichgewicht folgende Größen:For the moment equilibrium, only the geometrical quantities are relevant, whereby the masses of the pistons and the swivel plate naturally also have an influence. The following parameters are of relevance to the moment balance:
[mk,ges /msw /R2 /ra 2 / r,2 / h2] Bei Ausbildung der Schwenkscheibe als Schwenkring ist es zweckmäßig, den Abstand zwischen Kolbenachse und Antriebswellenachse aus der Beziehung[m k , tot / msw / R 2 / r a 2 / r, 2 / h 2 ] When the swivel plate is designed as a swivel ring, it is useful to determine the distance between the piston axis and the drive shaft axis from the relationship
R = (ra + r,)/2R = (r a + r,) / 2
zu berechnen.to calculate.
Für eine optimale Auslegung der Schwenkscheibe, hier des Schwenkringes 107 bezieht man sich vorzugsweise auf den Quotienten „Trägheitsmoment/Masse", also „J/m". Dieser Quotient drückt die Größe des Massenträgheitsmomentes bei einer vorbestimmten Schwenkscheiben- bzw. Schwenkringmasse aus. Der Quotient sollte größer als 250 gmm2/g sein. Besonders vorteilhaft sind Quotienten von größer als 400-500 gmm2/g. „J" bezieht sich auf jede Schwerpunktachse (also: J = Jx = J2 = J3, wobei in der Regel J3 » 2J2 gilt), wobei der Schwerpunkt der rotierenden Masse vorzugsweise im Zentrum des Kippgelenkes derselben liege.For an optimal design of the swivel plate, here the swivel ring 107, one preferably refers to the quotient “moment of inertia / mass”, that is to say “J / m”. This quotient expresses the magnitude of the moment of inertia for a predetermined swivel plate or swivel ring mass. The quotient should be greater than 250 gmm 2 / g. Quotients of greater than 400-500 gmm 2 / g are particularly advantageous. "J" refers to each center of gravity axis (thus: J = J x = J 2 = J 3 , where J 3 »2J 2 generally applies), the center of gravity of the rotating mass preferably being in the center of the tilting joint thereof.
Größere Massenträgheiten sind insbesondere dann zu wählen, wenn Kolbenmassen deutlich größer als 40 g/Kolben gewählt werden.Larger mass inertias are to be selected in particular if piston masses significantly larger than 40 g / piston are selected.
Mit der erfindungsgemäßen Konstruktion soll vor allem eine mechanische Abregelung der Fördermenge eines Axialkolbenverdichters bei Drehzahl-Erhöhung erreicht werden. Der Idealfall wäre natürlich eine Konstantregelung, wobei die Konstantregelung ein Unterfall der erfindungsgemäß angestrebten durch Geometrie und Momentenverteilung verursachten mechanischen Abregelung ist.Above all, the construction according to the invention is intended to mechanically limit the delivery rate of an axial piston compressor when the speed is increased. The ideal case would, of course, be a constant control, the constant control being a sub-case of the mechanical limitation aimed at according to the invention caused by geometry and torque distribution.
Das nachstehende Beispiel zeigt eine vorteilhafte Auslegung bei verschiedenen Radien, Volumina und Massen für einen Schwenkring 107: Tabelle 4The example below shows an advantageous design with different radii, volumes and masses for a swivel ring 107: Table 4
Figure imgf000022_0001
Figure imgf000022_0001
Dabei ergeben sich die vorstehenden Werte aus folgenden allgemein gültigen Gleichungen für einen Schwenkring:The above values result from the following generally valid equations for a swivel ring:
(1) m = ς V(1) m = ς V
(2) V = --/* (D2-d2) 4 (3) D = 2ra (2) V = - / * (D 2 -d 2 ) 4 (3) D = 2r a
(4) d = 2r,(4) d = 2r,
(5) J = m/4 (ra 2 + r,2 + h2/3)(5) J = m / 4 (r a 2 + r, 2 + h 2/3 )
Wie dargelegt, bezieht man sich bei der Auslegung vorzugsweise auf den Quotienten „J/m" ganz allgemein, sowie vorzugsweise speziell auf das Verhältnis „Jy/mk,ges", also auf den Quotienten aus Massenträgheit der Schwenkscheibe bzw. des Schwenkringes im Bezug auf die y-Achse gemäß Fig. 9 und der gesamten Kolbenmassen. Dieser Quotient kann alternativ zu den vorgenannten Maßnahmen oder parallel dazu zur Auslegung der Konstruktion und damit zur Erzielung eines gewünschten Regelverhaltens herangezogen werden.As explained, the design preferably refers to the quotient "J / m" in general, and preferably specifically to the ratio "J y / m k , tot ", that is, to the quotient from the inertia of the swivel plate or swivel ring in the Reference to the y-axis according to FIG. 9 and the total piston masses. This quotient can be used as an alternative to the aforementioned measures or in parallel to the design of the construction and thus to achieve a desired control behavior.
Dabei kann davon ausgegangen werden, dass ein Verhältnis von rotierenden zu translatorischen Massen msw/mk,ges von deutlich kleiner als „1" sich sehr nachteilig auf das hier angestrebte Regelverhalten auswirkt. Das vorgenannte Verhältnis muß also vermieden werden.It can be assumed that a ratio of rotating to translatory masses m sw / m k , tot of significantly less than “1” is very disadvantageous the desired control behavior affects here. The aforementioned relationship must therefore be avoided.
Bei einem Massenverhältnis von msw/m ,ges = 1 ergibt sich vorzugsweise für das Verhältnis Jy/m ,ges ein Mindestwert für Kompensation von etwa 250 ... 300 g mm2/g.With a mass ratio of m sw / m, g e s = 1, a minimum value for compensation of approximately 250 to 300 g mm 2 / g is preferably obtained for the ratio Jy / m, ges .
Größere Werte sind je nach gewünschtem Regelverhalten einstellbar; insbesondere ist aber eine exakte Kompensation von Änderungen des Schwenkscheiben-Kippwinkels bei einem Massenverhältnis von mktges = msw von Interesse.Larger values can be set depending on the desired control behavior; In particular, however, an exact compensation of changes in the swivel plate tilt angle with a mass ratio of m ktges = m sw is of interest.
Überkompensationen können ebenfalls von Interesse sein, insbesondere bei Kompensation der Änderung der Fördermenge infolge von Drehzahländerungen.Overcompensation can also be of interest, especially when compensating for the change in delivery rate due to speed changes.
Analog ließen sich auch die Quotienten Jz/mk,ges und Jz/msw zur Auslegung für das gewünschte Regelverhalten verwenden, da das Trägheitsmoment Jz in Bezug auf die z- bzw. Antriebswellen-Achse zusammen mit Jy das maßgebliche Deviationsmoment bildet. Dabei gilt für die dargestellte Schwenkringgeometrie die Beziehung:Similarly, the quotients J z / m k , ges and J z / m sw could also be used for the design of the desired control behavior, since the moment of inertia J z in relation to the z or drive shaft axis together with J y is the relevant deviation torque forms. The following applies to the swivel ring geometry shown:
J2 « 2 Jv J 2 «2 J v
Da Jy2 « Jz (...) - Jy (...) ist, und da Jyz groß sein soll, ist J2 eigentlich die wichtigere Größe. Jy kann man nur deshalb als Bezugsgröße heranziehen, weil die vorstehende Beziehung Jz ∞2 Jy gilt.Since J y2 «J z (...) - Jy (...), and since J yz is supposed to be large, J 2 is actually the more important quantity. J y can only be used as a reference value because the above relationship J z ∞2 J y applies.
Sämtliche in den Anmeldungsunterlagen offenbarten Merkmale werden als erfindungswesentlich beansprucht, soweit sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind. Bezug szeich e nAll features disclosed in the application documents are claimed as essential to the invention, insofar as they are new compared to the prior art, individually or in combination. Reference sign
100 Schwenkscheiben-Mechanismus 101 Schwenklager (Schwenkachse)100 swivel plate mechanism 101 swivel bearing (swivel axis)
104 Antriebswelle104 drive shaft
107 Schwenkring107 swivel ring
107i innerer Schwenkring107i inner swivel ring
107a äußerer Schwenkring 108 Schiebehülse107a outer swivel ring 108 sliding sleeve
109 Stützelement (axiale Abstützung)109 support element (axial support)
110 Stützbogen110 support arch
112 Scheibe112 disc
113 Umfangsnut 114 Ausgleichsgewicht 113 circumferential groove 114 counterweight

Claims

Axialkolbenverdichter, insbesondere Kompressor für die Klimaanlage eines KraftfahrzeugesAn s p rüch e Axial piston compressor, in particular compressor for the air conditioning system of a motor vehicle
1. Axialkolbenverdichter, insbesondere Kompressor für die Klimaanlage eines Kraftfahrzeuges, mit einem Gehäuse und einer in dem Gehäuse angeordneten, über eine Antriebswelle (104) angetriebenen Verdichtereinheit zum Ansaugen und Verdichten eines Kältemittels, wobei die Verdichtereinheit in einem Zylinderblock axial hin- und herlaufende Kolben und eine die Kolben antreibende, mit der Antriebswelle (104) drehende Schwenkscheibe (107) umfaßt, da d u rch g eken nzeich net, d a ss bei vorbestimmter rotatorisch bewegter Masse der Schwenkscheibe (107) einerseits und/oder bestimmter translatorisch bewegter Masse (zum Beispiel1. Axial piston compressor, in particular a compressor for the air conditioning system of a motor vehicle, with a housing and a compressor unit arranged in the housing and driven via a drive shaft (104) for the suction and compression of a refrigerant, the compressor unit in a cylinder block and axially reciprocating pistons and comprises a swivel plate (107) which drives the pistons and rotates with the drive shaft (104), since you can see that at a predetermined rotatably moved mass of the swivel plate (107) on the one hand and / or a certain translationally moved mass (for example
Kolben, Kolbenstange und/oder Gleitsteine) andererseits der durch die Geometrie und/oder Dichteverteilung bestimmte mittlere Radius und/oder die mittlere Höhe der Schwenkscheibe (107) bzw. des schwenkbaren Anteils derselben derart gewählt ist, dass die beim Drehen der Schwenkscheibe (107) auftretenden Fliehkräfte ausreichen, um der Schwenkbewegung der Schwenkscheibe (107) bewusst regelnd entgegenzuwirken und damit den Kolbenhub und somit die Fördermenge zu beeinflussen, insbesondere zu verringern bzw. zu begrenzen.Piston, piston rod and / or sliding blocks), on the other hand, the mean radius determined by the geometry and / or density distribution and / or the mean height of the swivel plate (107) or the swiveling portion thereof is selected such that the rotation of the swivel plate (107) centrifugal forces that occur are sufficient to consciously counteract the pivoting movement of the pivoting disk (107) and thus to influence, in particular to reduce or limit, the piston stroke and thus the delivery rate.
2. Axialkolbenverdichter nach Anspruch 1, da d u rch g eken nzeich n et, d ass die Schwenkscheibe ein Schwenkring (107) ist. 2. Axial piston compressor according to claim 1, since you rch g eken nzeich n et that the swash plate is a swivel ring (107).
3. Axialkolbenverdichter nach Anspruch 1 oder 2, d ad u rch g eke n nze ich n et, d ass der Quotient Trägheitsmoment/Masse „J/m" der Schwenkscheibe (107) bzw. des schwenkbaren Anteils derselben wenigstens etwa 250 gmm /g, insbesondere größer als 400 bis 500 gmm2/g beträgt, wobei höhere Werte gewählt sind, wenn die Kolbenmassen größer als 40 g/Kolben betragen, und wobei das Trägheitsmoment „J" in Bezug auf jede Achse durch den Schwerpunkt der Schwenkscheibe bzw. des schwenkbaren Anteils derselben berechnet ist.3. Axial piston compressor according to claim 1 or 2, d ad u rch g eke n nze n et that the quotient moment of inertia / mass "J / m" of the swash plate (107) or the swiveling portion thereof at least about 250 gmm / g , in particular greater than 400 to 500 gmm 2 / g, higher values being selected if the piston masses are greater than 40 g / piston, and the moment of inertia “J” with respect to each axis being determined by the center of gravity of the swivel plate or pivotable portion of the same is calculated.
4. Axialkolbenverdichter nach Anspruch 3, d ad u rch g eke n nzei ch net, d a ss die Schwenkscheibe bzw. der schwenkbare Anteil derselben aus einem Werkstoff mit einer Dichte von wenigstens 6-8 g/cm3 hergestellt ist.4. axial piston compressor according to claim 3, d ad u rch g eke n nzei ch net, since the swash plate or the swiveling portion thereof is made of a material with a density of at least 6-8 g / cm 3 .
5. Axialkolbenverdichter nach einem der Ansprüche 1-4, d ad u rch g eken nzei ch n et, d a ss die Schwenkscheibe (107) bzw. der schwenkbare Anteil derselben aus zwei oder mehr unterschiedlichen, den mittleren Radius für die Berechnung des Massenträgheitsmoments bestimmenden Werkstoffen hergestellt ist, wobei die unterschiedlichen Werkstoffe radial und/oder axial voneinander getrennt sind, insbesondere derart, dass bei einem Schwenkring (167) ein äußerer (107a) oder innerer Teilring aus einem ersten Werkstoff (107i), z.B. Werkstoff höherer Dichte, wie Blei od. dgl., innerhalb einer äußeren (113) oder inneren Umfangsnut eines inneren (107i) oder äußeren Teilringes ausgebildet ist, der aus härterem und verschleißfestem Werkstoff, wie z.B. Stahl, Keramik od. dgl. hergestellt ist.5. Axial piston compressor according to one of claims 1-4, d ad u rch g eken nzei ch n et, since ss the swash plate (107) or the pivotable portion thereof from two or more different, determining the mean radius for calculating the moment of inertia Materials is produced, the different materials being separated radially and / or axially from one another, in particular in such a way that in the case of a swivel ring (167) an outer (107a) or inner partial ring made of a first material (107i), for example Higher density material, such as lead or the like, is formed within an outer (113) or inner circumferential groove of an inner (107i) or outer partial ring, which is made of harder and wear-resistant material, e.g. Steel, ceramics or the like is made.
6. Axialkolbenverdichter nach einem der Ansprüche 1-5, d ad u rch g eke n nze ich n et, d ass die Schwenkscheibe (107) bzw. der schwenkbare Anteil derselben in Bezug auf jede Schwerpunktachse ein Massenträgheitsmoment „J" von größer als 100.000 g/mm2, insbesondere größer als 200.000 bis 250.000 g/mm2 aufweist. 6. Axial piston compressor according to one of claims 1-5, d ad u rch g eke n nze n et that the swash plate (107) or the pivotable portion thereof with respect to each axis of gravity, a mass moment of inertia "J" of greater than 100,000 g / mm 2 , in particular greater than 200,000 to 250,000 g / mm 2 .
7. Axialkolbenverdichter nach einem der Ansprüche 1-6, d a d u rc h g eke n nze ich net, d a ss die Kolben jeweils eine Masse von etwa 30 g bis 90 g, insbesondere 35 g bis 50 g aufweisen.7. axial piston compressor according to one of claims 1-6, d a d u rc h g eke nze I net, that the pistons each have a mass of about 30 g to 90 g, in particular 35 g to 50 g.
8. Axialkolbenverdichter nach einem der Ansprüche 1-7, d a d u rch g eken nzeich net, d ass der mittlere Radius und/oder die mittlere Höhe der Schwenkscheibe bzw. des schwenkbaren Anteils derselben derart bemessen sind, dass die beim Drehen der Schwenkscheibe (107) auftretenden, der Schwenkbewegung der Schwenkscheibe8. Axial piston compressor according to one of claims 1-7, so that the average radius and / or the average height of the swivel plate or the swiveling portion thereof are dimensioned such that the rotation of the swivel plate (107) occurring, the pivoting movement of the swashplate
(107) entgegenwirkenden Fliehkräfte über den seitens der Kolben auf die Schwenkscheibe wirkenden, eine weiterreichende Schwenkbewegung verursachenden Kräften liegen, so dass sich der Kolbenhub mit zunehmender Drehzahl um ein solches Maß verringert, dass sich eine etwa konstante Fördermenge einstellt.(107) counteracting centrifugal forces are above the forces acting on the swashplate on the part of the pistons, which cause a more extensive swiveling movement, so that the piston stroke decreases with increasing speed to such an extent that an approximately constant delivery rate is established.
9. Axialkolbenverdichter nach einem der Ansprüche 1-8, d a d u rch g eken nzeich net, d a ss der Schwerpunkt der Schwenkscheibe (107) bzw. des schwenkbaren Anteils derselben im, oder zumindest nahe der Achse der Antriebswelle (104) liegt, wo sich insbesondere auch das Zentrum des Kippgelenkes befindet.9. axial piston compressor according to one of claims 1-8, dadu rch g eken nzeich net, since ss the center of gravity of the swash plate (107) or the pivotable portion thereof in, or at least near the axis of the drive shaft (104), where in particular also the center of the tilt joint is located.
10. Axialkolbenverdichter nach einem der Ansprüche 5-9, d a d u rch g eke n nze i ch net, d a ss bei Ausbildung der Schwenkscheibe (107) bzw. des schwenkbaren Anteils derselben aus mehreren Werkstoffen unterschiedlicher Dichte die radial äußeren Teile (107a) aus dichterem Werkstoff als die radial inneren Teile (107i) bestehen.10. Axial piston compressor according to any one of claims 5-9, dadu rch g eke nze i ch net, since the radially outer parts (107a) of denser when forming the swash plate (107) or the pivotable portion thereof from a plurality of materials of different densities Material than the radially inner parts (107i).
11. Axialkolbenverdichter nach einem der Ansprüche 2-10, dad u rch geken nzeich net, dass bei Ausbildung der Schwenkscheibe als Schwenkring (107) der Innen- und Außendurchmesser innerhalb der äußeren Bedingungen (zum Beispiel Innendurchmesser des Triebwerksraumes, ausreichende Abstützung für die Gleitsteine einer zwischen Kolben und Schwenkscheibe wirksamen Gelenkanordnung, etc.) jeweils maximal gewählt sind.11. Axial piston compressor according to one of claims 2-10, dad u rch geken nzeich net that when the swash plate is designed as a swivel ring (107) the inside and outside diameter within the outside conditions (for example inside diameter of the engine compartment, sufficient support for the Sliding stones of a joint arrangement effective between the piston and the swivel plate, etc.) are selected as maximum.
12. Axialkolbenverdichter nach einem der Ansprüche 5-11, d a d u rch g e ken nzeich n et, d ass bei Ausbildung der Schwenkscheibe aus wenigstens zwei Materialien unterschiedlicher Dichte das eine Material eine Dichte von 6-8 g/cm3 aufweist, während das andere Material eine Dichte von mehr als 6-8 g/cm3 besitzt.12. Axial piston compressor according to one of claims 5-11, dadu rch ge ken nzeich n et, that when forming the swash plate from at least two materials of different densities, the one material has a density of 6-8 g / cm 3 , while the other material has a density of more than 6-8 g / cm 3 .
13. Axialkolbenverdichter nach einem der Ansprüche 1-12, d a d u rch g e ken nze ich net, d a ss der Quotient Msw/ Mk(ges > 1 ist, wobei Msw das Moment infolge des Deviationsmomentes der Schrägscheibe und Mkgesdas Moment infolge der Massenkräfte der translatorisch bewegten Massen (Kolben) ist.13. Axial piston compressor according to one of claims 1-12, dadu rch ge ken nze net, since ss the quotient M sw / M k ( g es > 1, where M sw is the moment due to the moment of variation of the swash plate and M kges the moment due to the inertial forces of the translationally moved masses (pistons).
14. Axialkolbenverdichter nach einem der Ansprüche 1-13, dad u rch ge ken nzeich net, d ass der Quotient aus Massenträgheit der Schwenkscheibe in Bezug auf die y-Achse, d.h. eine Achse senkrecht zur z- bzw. -Antriebswellen-Achse und der gesamten Kolbenmasse „Jy/mk,ges" wenigstens etwa 250-300 g mm2/g beträgt für den Fall, dass msw/mk,ges = 1 ist, wobei bedeuten: ms = Masse der Schwenkscheibe (= rotierende Masse) mk,ges = Masse aller Kolben inklusive Gleitsteine (= translatorische Masse)14. Axial piston compressor according to any one of claims 1-13, dad u rch ge ken nzeich net, d ass the quotient of the inertia of the swash plate with respect to the y-axis, ie an axis perpendicular to the z or drive shaft axis and total piston mass "J y / m k , ge s" is at least about 250-300 g mm 2 / g for the case that m sw / m k , ges = 1, where: m s = mass of the swash plate (= rotating mass) m k , g es = mass of all pistons including sliding blocks (= translational mass)
15. Axialkolbenverdichter nach einem der Ansprüche 2-14, dad u rch geken nzei chnet, dass der Abstand "R" zwischen Kolbenachse und Antriebswellenachse sich aus der Beziehung15. Axial piston compressor according to one of claims 2-14, dad u rch geken nzei chnet that the distance "R" between the piston axis and drive shaft axis is derived from the relationship
R = (ra + r,)/2 ergibt, wobei ra = Außenradius des Schwenkringes (107), und r, = Innenradius des Schwenkringes (107) bedeuten. R = (r a + r,) / 2 results, where r a = outer radius of the swivel ring (107), and r, = inner radius of the swivel ring (107).
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