WO2019042829A1 - Schwingungsarmer mehrstufiger kolbenkompressor, insbesondere für schienenfahrzeuge - Google Patents

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WO2019042829A1
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low
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piston
compressor
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Michael Hartl
Stefan Schneider
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Knorr Bremse Systeme fuer Schienenfahrzeuge GmbH
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Definitions

  • the invention relates to a multi-stage piston compressor, in particular for
  • Rolling stock with a low-pressure stage and at least one subsequent high-pressure stage for the multi-stage compression of sucked air, wherein a drive unit for generating a rotational movement is a downstream
  • Compressor unit drives, which several on a compressor housing for
  • crankshaft arranged pot-like cylinder for internal piston, wherein the drive unit via the driven crankshaft rotates over a plurality of arranged on at least one crank connecting rod in a linear movement for each associated piston for compressing the air, further wherein an even number of low - And Hochdrückzylindern is arranged in a star shape on the compressor housing.
  • the field of application of the invention extends primarily to vehicle construction, in particular rail vehicle construction.
  • Rail vehicles are usually equipped with compressed air consumers, such as in particular a pressure-operated brake, which requires a compressor to generate the required compressed air.
  • the reciprocating compressors of interest in the context of the present invention are usually designed in multiple stages and thus have a low-pressure stage and at least one subsequent high-pressure stage in order to bring the air drawn in from the environment through multistage compression to the desired pressure level.
  • the electric drive unit is operated speed controlled to generate the compressed air as needed - ie with variable capacity. For example, in operating situations with low compressed air demand The speed of the compressor and thus its sound radiation are reduced to a minimum.
  • Torque from the compression acts as a pendulum moment about the
  • Compressor axis of rotation and thus generates vibrations at the attachment points of the compressor, resulting in a deterioration of ride comfort.
  • Compression-related non-uniform torques do not decrease with decreasing speed, but can even increase with appropriate mass distribution and cause resonances of the elastic at low speed
  • DE 100 58 924 A1 discloses a multi-stage reciprocating compressor, the vibration behavior of which does not include any 1st order torque.
  • two connecting rods are arranged on each crank of the crankshaft, which are assigned to opposite pistons, wherein adjacent cranks are arranged offset substantially 180 ° to each other.
  • Boxer arrangement Through this boxer-like arrangement of low and high pressure cylinders is an air-cooled construction, as in the
  • WO 2015/172144 A1 discloses a kind of star design for a multi-stage reciprocating compressor, which is described as being particularly smooth running.
  • the compressor housing is pentagonal in the basic cross section, wherein a lower side surface fastening means for attachment to a support structure.
  • the other four side surfaces are each assigned a high or low pressure cylinder. This results in an unequal-axis cylinder arrangement, since each cylinder has its own longitudinal axis, which is at an angle offset to the longitudinal axes of the remaining cylinders.
  • Piston compressor in comparison to the prior art discussed with boxer design a fairly large height, so that this star-shaped multi-stage piston compressor is only partially suitable for underfloor installation in the rail vehicle. It is the object of the present invention to provide a suitable for rail vehicle multi-stage piston compressor, which is characterized by a minimal vibration behavior, low height and a simple
  • Coolability is characterized by airflow.
  • the object is achieved on the basis of a multi-stage reciprocating compressor according to the preamble of claim 1 in conjunction with its characterizing features.
  • the following dependent claims give advantageous developments of the invention.
  • the invention includes the technical teaching that in a multi-stage
  • Piston compressor in star design one low-pressure cylinder
  • High-pressure cylinder facing the same longitudinal axis and each piston provided with a piston associated with a separate crank of the crankshaft, which is arranged at an angle offset to at least one adjacent crank, that the crankshaft can be brought into a position in which one of the high pressure cylinder is in the top dead center while the other high pressure cylinder is in the bottom dead center position, and at the same time a low pressure cylinder is in the top dead center position, while the other low pressure cylinder in the bottom dead center
  • a synchronous reluctance motor can be used as the electric drive unit, in which the rotor has a fairly low mass.
  • a synchronous reluctance motor is operable even at low speeds with high torque.
  • a variable speed can be regulated between 15 Hz and 80 Hz by means of an upstream inverter.
  • High-pressure cylinders are arranged in a star shape at an angle ⁇ to the horizontal H of 25 ° +/- 10 "
  • Piston compressor in the underfloor area of a rail vehicle possible in which the installation is limited in particular with regard to the installation height.
  • the arrangement of the cylinder in the specified angular range ensures a largely flat design of the multi-stage piston compressor.
  • the high-pressure cylinders are positioned below the horizontal H and the low-pressure cylinders above the horizontal H.
  • condensate which can form in unfavorable conditions in the high-pressure stage, run on the cylinder wall.
  • the heat generated by the low-pressure cylinders can rise upwards and be dissipated.
  • two high-pressure cylinders and two low-pressure cylinders are used.
  • the connecting rods and / or the pistons of the high-pressure stage are made of a material, preferably metal, which has a higher specific weight than the connecting rods and / or the pistons of the low-pressure stage.
  • the connecting rods of the low-pressure stage can be made longer than the connecting rods of the high-pressure stage and the center of gravity of the connecting rod of the low-pressure side should be closer to the piston than the center of gravity of the connecting rod of the high-pressure stage.
  • the connecting rods of the low pressure stage are at least a factor of 1, 1 longer than the connecting rods of
  • crank mechanisms for example, to correct imbalances, be required, it is sufficient that to the relevant Connecting rods additional masses are attached. As a result, the mass balance does not need to be made on the crankshaft.
  • crank mechanisms of the two-stage compressor unit can be designed in such a way that the first-order component in the torque diagram is a value of less than 10% of the second-order component. Since the multi-stage reciprocating compressor according to the invention only produces vibrations in higher orders to this extent, a relatively stiff bearing can be used on a support structure of the vehicle, which nevertheless a sufficient
  • Reciprocating compressor offers the prerequisite that all cylinders can be supplied with cooling air by an axial fan. A wind shadow situation is thus avoided.
  • additional Heillettbleche can be arranged on the compressor housing, which direct the cooling air uniformly in the direction of the ribs of the cylinder.
  • FIG. 1 shows a perspective external view of a multi-stage Kolbehkompressofs in 4-cylinder design
  • FIG. 1 shows an end view of the multi-stage piston compressor of FIG. 1,
  • Fig. 3 shows a partially broken plan view of the multi-stage
  • Piston compressor of FIG. 1, 4 shows a perspective view of a crankshaft of the compressor unit of this reciprocating compressor
  • Fig. 5 shows a graphical representation of the torque curve on the crankshaft
  • FIG. 6 shows a Fourier analysis of the load moments from the graphical representation according to FIG. 5.
  • the multistage piston compressor consists essentially of a drive unit 1, which is designed here as an electrical synchronous reluctance motor.
  • the drive unit 1 generates a rotary motion for driving a directly flanged thereto compressor unit 2, which via a low-pressure stage and a subsequent high-pressure stage for multi-stage compression of the
  • the cooling of the heat generated in the Kompressionsarbett provides a cooler unit 3 with frontally positioned on the compressor unit 2 Axial fan 4.
  • the multi-stage piston compressor is via elastic attachment means 5a to the compressor unit 2 and 5b fastening means to the electric drive unit 1 at a - not shown - Carrier structure of a vehicle attached.
  • the compressor unit 2 has a compressor housing 6, on which a plurality of pot-shaped larger low-pressure cylinders 8a (exemplary) and smaller high-pressure cylinders 7a and 7b are arranged in a star shape.
  • This is a multi-stage reciprocating compressor in 4-Zyiinderbauform.
  • High-pressure cylinders 7a, 7b, 8a, 8b are star-shaped at an angle ⁇ to the horizontal H arranged from here 25 °.
  • the two low-pressure cylinders 8a and 8b of the 4-cylinder are arranged above the horizontal H, whereas the two high-pressure cylinders 7a and 7b are arranged below the horizontal H.
  • the compressor housing 6 has a hexagonal basic cross-section, wherein both the left-side low-pressure cylinder 8a and the left-side high-pressure cylinder 7a are arranged on mutually adjacent side surfaces 9a and 9a 'of the compressor housing 6.
  • One of these different bottom side surface 10 serves to arrange the fastening means 5a (not shown) on the hexagonal compressor housing 6.
  • the compressor housing 6 of the compressor unit 2 is the housing of a crankshaft 11 for driving the various respectively from pistons 12, 12 'and connecting rods 13, 13' (exemplary) existing crank mechanisms of high or
  • each crankshaft has its own crankshaft 14a to 14d assigned to the crankshaft 11, which are arranged angularly offset from one another by an angle ⁇ of 30 ° relative to the adjacent crank, for example 14a to 14b.
  • This angular offset exists between all adjacent cranks 14a to 14d.
  • the crankshaft 11 can be brought into a position in which each of the four pistons 12 (exemplarily) assumes the lower dead center position at the same time.
  • the moment MG of the gas forces, the moment Mm of inertial forces, and the sum moment M s of the masses * and the gas forces are shown in FIG. 5 in the range of the rotation angle ⁇ of one rotation.
  • Verdichtungsfotge the two-stage reciprocating compressor is inventively chosen so that each event occurs twice within a revolution, and so the proportion of the 1st order in the torque diagram goes to zero.
  • the first-order component is 0, the second-order component 27 Nm, the third-order component 0 and the fourth-order component 1: 5: Nm.
  • the invention is not limited to the one described above

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  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract

Die Erfindung betrifft einen mehrstufigen Kolbenkompressor, insbesondere für Schienenfahrzeuge, mit einer Niederdruckstufe und mindestens einer darauffolgenden Hochdruckstufe zum mehrstufigen Komprimieren von angesaugter Luft, wofür eine Antriebseinheit (1) zur Erzeugung einer Drehbewegung eine nachgeschaltete Verdichtereinheit (2) antreibt, welche mehrere an einem Verdichtergehäuse (6) zur Unterbringung einer Kurbelwelle (11) angeordnete topfartige Nieder- oder Hochdruckzylinder (7a, 7b, 8a, 8b) für innenliegende Kolben (12) aufweist, wobei die über die Antriebseinheit (1) angetriebene Kurbelwelle (11) eine Drehbewegung über mehrere auf mindestens einer Kröpfung angeordnete Pleuel (13) in eine lineare Bewegung für je einen zugeordneten Kolben (11) zum Komprimieren der Luft umwandelt, wobei eine gerade Anzahl von Nieder- und Hochdruckzylindern (7a, 7b, 8a, 8b) sternförmig am Verdichtergehäuse (8) angeordnet ist, wobei jeweils ein Hochdruckzylinder (7a; 7b) einem Niederdruckzylinder (8a; 8b) auf derselben Längsachse (A bzw. B) gegenübersteht, und jedem mit einem Kolben (12) versehenen Pleuel (13) eine eigene Kröpfung (14a bis 14d) der Kurbelwelle (11) zugeordet ist.

Description

BESCHREIBUNG
Schwingungsarmer mehrstufiger Kolbenkompressor, insbesondere
für Schienenfahrzeuge
Die Erfindung betrifft einen mehrstufigen Kolbenkompressor, insbesondere für
Schienenfahrzeuge, mit einer Niederdruckstufe und mindestens einer darauffolgenden Hochdruckstufe zum mehrstufigen Komprimieren von angesaugter Luft, wobei eine Antriebseinheit zur Erzeugung einer Drehbewegung eine nachgeschaltete
Verdichtereinheit antreibt, welche mehrere an einem Verdichtergehäuse zur
Unterbringung einer Kurbelwelle angeordnete topfartige Zylinder für innenliegende Kolben aufweist, wobei die über die Antriebseinheit angetriebene Kurbelwelle eine Drehbewegung über mehrere auf mindestens einer Kröpfung angeordnete Pleuel in eine lineare Bewegung für je einen zugeordneten Kolben zum Komprimieren der Luft umwandelt, wobei ferner eine gerade Anzahl von Nieder- und Hochdrückzylindern sternförmig am Verdichtergehäuse angeordnet ist.
Das Einsatzgebiet der Erfindung erstreckt sich vornehmlich auf den Fahrzeugbau, insbesondere den Schienenfahrzeugbau. Schienenfahrzeuge sind in der Regel mit Druckluftverbrauchern, wie insbesondere einer drucktuftbetriebenen Bremse, ausgestattet, was einen Kompressor zur Erzeugung der benötigten Druckluft erforderlich macht. Die im Rahmen der vorliegenden Erfindung interessierenden Kolbenkompressoren sind dabei meist mehrstufig ausgeführt und besitzen insoweit eine Niederdruckstufe und mindestens eine darauffolgende Hochdruckstufe, um die aus der Umgebung angesaugte Luft durch mehrstufige Kompression auf das gewünschte Druckniveau zu bringen.
Durch eine Fortentwicklung der elektrischen Umrichtertechnik sind vermehrt
Kolbenkompressoren gebräuchlich, deren elektrische Antriebseinheit drehzahlgeregelt betrieben wird, um die Druckluft bedarfsgerecht - also mit variabler Förderleistung - zu erzeugen. So kann beispielsweise in Betriebssituationen mit niedrigem Drucktuftbedarf die Drehzahl des Kompressors und damit auch dessen Schallabstrahlung auf ein Minimum reduziert werden.
Zudem bietet der Einsatz von Kolbenkompressoren im Schienenfahrzeugbau gegenüber ebenfalls gebräuchlichen Rotationsverdichtern eine Reihe von technischen Vorteilen. Durch die Einführung ölfreier Kolbenkompressören hat sich ein Trend weg von Rotationsverdichtern und hin zu robusten Kolbenkompressoren entwickelt.
Allerdings verursacht die Überschneidung dieses Trends mit dem Trend in Richtung drehzahlgeregelter Drucklufterzeugung neue Probleme hinsichtlich auftretender Vibrationen, welche den Fahrkomfort beeinträchtigen können. Denn Kolbenmaschinen erzeugen - hervorgerufen durch die oszillierenden Massen am Kurbeltrieb - bauartbedingt Massenkräfte und -momente, welche sich Je nach gewählter Bauform zumindest in der 1. Ordnung gut ausgleichen lassen. Dabei sinkt die Größe der freien Massenkräfte und -momente bei sinkender Drehzahl entsprechend.
Größere Probleme treten allerdings hinsichtlich Schwingungserregungen auf, die aus den Verdichtungskräften resultieren, insbesondere beim Einsatz von zweistufigen Kolbenverdichtern der hier vorzugsweise interessierenden Art. Denn die Zweistufigkeit der Verdichtung erzeugt bei den meisten Bauformen von Kolbenkompressoren ein in besonderem Maße ungleichförmiges Drehmoment. Dieses ungleichförmige
Drehmoment aus der Verdichtung wirkt als Pendelmoment um die
Kompressordrehachse und erzeugt somit Vibrationen an den Befestigungsstellen des Kompressors, was zu einer Beeinträchtigung des Fahrkomforts führt. Diese
verdichtungsbedingten ungleichförmigen Drehmomente sinken nicht bei fallender Drehzahl, sondern können bei entsprechender Massenverteilung sogar ansteigen und dazu führen, dass bei niedriger Drehzahl Resonanzen der elastischen
Befestigungsstellen angeregt und sogar überhöht werden. Versuche haben ergeben, dass sich besonders schädlich bei diesen verdichtungsbedingten ungleichförmigen Drehmomenten die Anteile 1. Ordnung auswirken, welche durch Druckspitzen bei einer Umdrehung einmal wirken.
Aus dem airgemein bekannten Stand der Technik gehen Bauformen von
Kolbenverdichtern hervor, bei denen das Schwingungsverhalten im Bereich höherer Drehzahlen stark verbessert ist, weil der Anteil der 1. Ordnung bei dem aus den Verdichtungskräften resultierenden Momenten stark reduziert wird. Allerdings ist ein Moment 1. Ordnung immer noch vorhanden und wirkt sich bei niedrigen Drehzahlen nach wie vor schädlich auf das Schwingungsverhalten aus.
Die DE 100 58 924 A1 offenbart einen mehrstufigen Kolbenkompressor, dessen Schwingungsverhalten kein Moment 1. Ordnung mehr beinhaltet. Hierbei sind auf jeder Kröpfung der Kurbelwelle zwei Pleuel angeordnet, welche gegenüberliegenden Kolben zugeordnet sind, wobei benachbarte Kröpfungen im Wesentlichen 180° zueinander versetzt angeordnet sind. Hierdurch ergibt sich eine Reihenanordnung von Nieder- und Hochdruckzylindern, wobei die beiden einander gegenüberliegenden Zylinderreihen eine Art: Boxeranordnung bilden. Durch diese boxerartige Reihenanordnung von Nieder- und Hochdruckzylindern ist eine luftgekühlte Bauweise, wie diese im
Schienenfahrzeugbau üblich ist, allerdings nicht mehr effizient umsetzbar. Außerdem erfordert diese spezielle Bauform für eine mehrstufige schwingungsarme Verdichtung mindestens sechs Zylinder; was zu einem recht hohen Herstellungsaufwand führt.
Die WO 2015/172144 A1 offenbart eine Art Sternbauform für einen mehrstufigen Kolbenverdichter, der als besonders laufruhig beschrieben wird. Das Verdichtergehäuse ist im Grundquerschnitt fünfeckig, wobei eine untere Seitenfläche Befestigungsmittel zum Anbau an eine Trägerstruktur aufweist. Den anderen vier Seitenflächen ist je ein Hoch- oder Niederdruckzylinder zugeordnet. Hierdurch entsteht eine ungleichachsige Zylinderanordnung, da jeder Zylinder eine eigene Längsachse aufweist, welche im Winkelversatz zu den Längsachsen der übrigen Zylinder steht.
Ferner liegen bei dieser vorbekannten Bauform alle Pieuel auf derselben umlaufenden Kröpfung der Kurbelwelle. Somit bilden alle vier Kurbeltriebe dieses mehrstufigen Kolbenkompressors eine umlaufende Unwucht, welche sich dynamisch schwer ausgleichen lässt. Außerdem ergibt sich im Drehkraftdiagramm ein verbleibender Anteil 1. Ordnung, Wie bereits vorstehend erläutert, verschlechtem insbesondere Anteile 1. Ordnung das Schwingungsverhalten und haben einen negativen Einfluss auf die elektrische Antriebseinheit in Form von Drehschwingungen und Drehungleich- förmigkeiten. Dies führt bei der elektrischen Antriebseinheit zu einer erhöhten Stromaufnahme, harmonischen Anteilen im elektrischen Strom und einem reduzierten Leistungsfaktor mit hoher thermischer Belastung der elektrischen Antriebseinheit
Darüber hinaus weist die Sternbauform dieses vorbekannten mehrstufigen
Kolbenkompressors im Vergleich zum vorstehend diskutierten Stand der Technik mit Boxerbauform eine recht große Bauhöhe auf, so dass dieser sternförmige mehrstufige Kolbenkompressor nur bedingt für einen Unterflureinbau im Schienenfahrzeug geeignet ist. Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen für den Schienenfahrzeugbau geeigneten mehrstufigen Kolbenkompressor zu schaffen, welcher sich durch ein minimales Schwingungsverhalten, eine geringe Bauhöhe sowie eine einfache
Kühlbarkeit per Luftstrom auszeichnet. Die Aufgabe wird ausgehend von einem mehrstufigen Kolbenkompressor gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Die nachfolgenden abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder. Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass bei einem mehrstufigen
Kolbenkompressor in Sternbauform jeweils ein Niederdruckzylinder einem
Hochdruckzylinder auf derselben Längsachse gegenübersteht und jedem mit einem Kolben versehenen Pleuel eine eigene Kröpfung der Kurbelwelle zugeordnet ist, welche derart winkelversetzt zu zumindest einer benachbarten Kröpfung angeordnet ist, dass die Kurbelwelle in eine Position bringbar ist, in welcher einer der Hochdruckzylinder in der oberen Totpunktstellung ist, während der andere Hochdruckzylinder in der unteren Totpunktstellung ist, und Wobei gleichzeitig ein Niederdruckzylinder in der oberen Totpunktstellung ist, während der andere Niederdruckzylinder in der unteren
Totpunktstellung ist.
Es verdichten also nicht alle Kolben gleichzeitig, sondern jeweils die vorzugsweise beiden Niederdruckkolben um 180° versetzt und die vorzugsweise beiden
Hochdruckkolben um 180° versetzt zueinander. Durch die erfindungsgemäße Lösung entsteht eine Verdichtungsfolge, die zu dem Ergebnis führt, dass jedes Ereignis einer Verdichtung in Bezug auf eine Umdrehung der gesamten Verdichtereinheit zweimal vorkommt, das aus den Gaskräften resultierende Drehmoment ist dabei frei von Anteilen 1. und 3. Ordnung. Dies ermöglicht den Betrieb eines mehrstufigen
Kolbenkömpressors im Bereich niedrigster Drehzahlen ohne störende
Schwingungsüberhöh ungen.
Die demgegenüber bei herkömmlichen Kolbenkompressoren vorhandenen
Drehungleichförmigkeiten werden durch; die elektrische Antriebseinheit sogar noch zusätzlich verstärkt, weil die: Reaktion der Antriebseinheit auf eine Lastspitze phasenversetzt zu einem Zeitpunkt erfolgt in welchem der Momentbedarf des
Kolbenkompressors niedriger ist. Die daraus resultierenden verstärkten
Drehzahlschwankungen über eine Umdrehung können bei herkömmlichen zweistufigen Kolbenkompressoren bis zu ±14% betragen. Dieser Effekt kann bisher nur durch den Einsatz großer Schwüngmassen reduziert werden. Durch die demgegenüber erfindungsgemäß starke Reduzierung des Anteils 1. Ordnung im Lastmoment wird dieser Effekt reduziert. Die Drehungleichförmigkeit wird verringert, so dass auch die Stromaufnahme der elektrischen Antriebseinheit sinkt. Der Leistungsfaktor erhöht sich dementsprechend beträchtlich, so dass Bedingungen erreicht werden, die einem annähernd konstanten Momentenbedarf (Nennlastbedingungen) entsprechen. Dies hat zur Folge, dass elektrische Antriebseinhetten nicht mehr überdimensioniert werden müssen, sondern entsprechend dem Leistungsbedarf des Kolbenkompressors ausgelegt werden können. Diese Auswirkungen der erfindungsgemäßen Lösung bilden die Voraussetzung dafür, dass als elektrische Antriebseinheit vorzugsweise ein Synchronreluktanzmotor eingesetzt werden kann, bei dem der Läufer über eine recht geringe Masse verfügt. Außerdem ist ein solcher Synchronreluktanzmotor auch bei niedrigen Drehzahlen mit hohem Moment betreibbar. Eine variable Drehzahl kann mittels vorgeschaltetem Umrichter zwischen 15 Hz und 80 Hz geregelt werden .
Da bei der erfindungsgemäßen Lösung auf zusätzliche Schwungmassen weitestgehend verzichtet werden kann, außer zum Unwuchtausgleich, kann der Läufer des Synchronreluktanzmotors direkt auf dem Kurbelwellenende der Verdichtereinheit und der Stator des Motors direkt am Verdichtergehäuse befestigt werden. Hierdurch entsteht eine besonders kompakte Bauform,
Gemäß einerweiteren die Erfindung hinsichtlich der Kompaktheit verbessernden Maßnahme wird vorgeschlagen, dass die Längsachsen von Nieder- und
Hochdruckzylindern sternförmig mit einem Winkel α zur Horizontalen H von 25° +/-10" angeordnet sind. Hierdurch ist eine platzsparende Anordnung des mehrstufigen
Kolbenkompressors im Unterflurbereich eines Schienenfahrzeuges möglich, bei dem die Einbausitüation insbesondere hinsichtlich der Einbauhöhe beschränkt ist. Die Anordnung der Zylinder in dem angegebenen Winkelstellungsbereich gewährleistet eine weitestgehend flache Bauweise des mehrstufigen Kolbenkompressors. Vorzugsweise sind die Hochdruckzylinder unterhalb der Horizontalen H und die Niederdruckzylinder oberhalb der Horizontalen H positioniert. Bei dieser Anordnung kann Kondensat, welches sich bei ungünstigen Verhältnissen in der Hochdruckstufe bilden kann, an der Zylinderwandung ablaufen. Außerdem kann die von den Niederdruckzylindern erzeugte Wärme nach oben hin aufsteigen und abgeführt werden. Bei einer bevorzugten vierzylindrigen Ausführungsform der Verdichtereinheit kommen zwei Hochdruckzylinder sowie zwei Niederdruckzylinder zum Einsatz,
Gemäß einer weiteren die Erfindung verbessernden Maßnahme wird vorgeschlagen, dass die Pleuel und/oder die Kolben der Hochdruckstufe aus einem Material - vorzugsweise Metali - gefertigt sind, das gegenüber den Pleuel und/oder den Kolben der Niederdruckstufe ein höheres spezifisches Gewicht aufweist. Zusätzlich können die Pleuel der Niederdruckstufe länger als die Pleuel der Hochdruckstufe ausgebildet werden und der Schwerpunkt der Pleuel der Niederdruckseite sollte kolbennäher als der Schwerpunkt der Pleuel der Hochdruckstufe liegen. Vorzugsweise sind die Pleuel der Niederdruckstufe um mindestens den Faktor 1 ,1 länger als die Pleuel der
Hochdruckstufe. Insgesamt ergibt sich durch diese konstruktiven Maßnahmen eine schwingungsarme Masseverteilung ,
Sollte dennoch ein geringfügiger Massenausgleich der Kurbeltriebe, beispielsweise zur Behebung von Unwuchten, erforderlich sein, so reicht es aus, dass an den betreffenden Pleuel Zusatzmassen angebracht werden. Hierdurch braucht der Massenausgleich nicht an der Kurbelwelle vorgenommen werden.
Durch die vorstehend erläuterten Maßnahmen lassen sich die Kurbeltriebe der zweistufigen Verdichtereinheit derart ausführen, dass der Anteil der 1. Ordnung im Drehkraftdiagramm einen Wert von kleiner 10% des Anteils der 2. Ordnung beträgt. Da der erfindungsgemäße mehrstufige Kolbenkompressor insoweit nur Schwingungen in höheren Ordnungen erzeugt, kann eine relativ steife Lagerung an einer Trägerstruktur des Fahrzeuges eingesetzt werden, die dennoch eine hinreichende
Schwingungsisolation bietet.
Die sternförmige Zylinderanordnung des erfindungsgemäßen mehrstufigen
Kolbenkompressors bietet die Voraussetzung dafür, dass alle Zylinder von einem Axiallüfter mit Kühlluft versorgt werden können. Eine Windschattensituation wird also vermieden. Dabei befindet sich die Ebene, durch welche jeweils zwei benachbarte Zylinder - insbesondere Hoch- und Niederdrückzylinder - gehen, senkrecht zur Strömungsrichtung der vom Axiallüfter erzeugten Kühlluft. Bei Bedarf können am Verdichtergehäuse zusätzliche Luftlettbleche angeordnet werden, welche die Kühlluft gleichmäßig in Richtung der Rippen der Zylinder leiten.
Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt.
Fig. 1 zeigt eine perspektivische Außenansicht eines mehrstufigen Kolbehkompressofs in 4-Zylinderbauform,
Fig. 2 zeigt eine stirnseitige Ansicht des mehrstufigen Kolbenkompressors nach Fig. 1,
Fig. 3 zeigt eine teilweise aufgebrochene Draufsicht des mehrstufigen
Kolbenkompressors nach Fig. 1 , Fig. 4 zeigt eine perspektivische Darstellung einer Kurbelwelle der Verdichtereinheit dieses Kolbenkompressors,
Fig. 5 zeigt eine grafische Darstellung des Momenten Verlaufs an der Kurbelwelle, und
Fig. 6 zeigt eine Fourier-Analyse der Lastmomente aus der grafischen Darstellung gemäß Fig. 5.
Nach Fig. 1 besteht der mehrstufige Kolbenkompressor im Wesentlichen aus einer Antriebseinheit 1, welche hier als elektrischer Synchronreluktanzmotor ausgebildet ist. Die Antriebseinheit 1 erzeugt eine Drehbewegung zum Antrieb einer direkt hieran angeflanschten Verdichtereinheit 2, welche über eine Niederdruckstufe und eine darauffolgende Hochdruckstufe zum mehrstufigen Komprimieren von aus der
Umgebung angesaugter Luft verfügt. Für die Kühlung der bei der Kompressionsarbett entstehenden Wärme sorgt eine Kühlereinheit 3 mit stirnseitig an der Verdichtereinheit 2 positioniertem Axiallüfter 4. Der mehrstufige Kolbenkompressor ist über elastische Befestigungsmittel 5a an der Verdichtereinheit 2 sowie Befestigungsmittel 5b an der elektrischen Antriebseinheit 1 an einer - nicht weiter dargestellten - Trägerstruktur eines Fahrzeugs befestigt.
Die Verdichtereinheit 2 weist ein Verdichtergehäuse 6 auf, an welchem sternförmig mehrere topfartige größere Niederdruckzylinder 8a (exemplarisch) sowie kleinere Hochdruckzylinder 7a und 7b angeordnet sind. Es handelt sich hier um einen mehrstufigen Kolbenkompressor in 4-Zyiinderbauform.
Aus der in Fig. 2 ersichtlichen Stirnseitenansicht geht die erfindungsgemäß
sternförmige Anordnung der Hochdruckzylinder 7a, 7b in Kombination mit den
Niederdruckzylindern 8a, 8b am Verdichtergehäuse 6 hervor. Dementsprechend steht auf einer Längsachse A ein Hochdruckzylinder 7a einem Niederdruckzylinder 8b gegenüber. Auf der änderen Längsachse B steht ein Hochdruckzylinder 7b einem Niederdruckzylinder 8a gegenüber. Die Längsachsen A und B von Nieder- und
Hochdruckzylindern 7a, 7b, 8a, 8b sind sternförmig mit einem Winkel α zur Horizontalen H von hier 25° angeordnet. Die beiden Niederdruckzylinder 8a und 8b der4- Zylinderan Ordnung sind oberhalb der Horizontalen H angeordnet, wogegen die beiden Hochdruckzylinder 7a und 7b unterhalb der Horizontalen H angeordnet sind. Das Verdichtergehäuse 6 weist einen hexagonalen Grundquerschnitt auf, wobei sowohl der linksseitige Niederdruckzylinder 8a und der linksseitige Hochdruckzylinder 7a an zueinander benachbarten Seitenflächen 9a und 9a' des Verdichtergehäuses 6 angeordnet sind. Gegenüberliegend sind spiegelsymmetrisch hierzu der rechtsseitige Niederdruckzylinder 8b und der rechtsseitige Hochdruckzylinder 7b an benachbarten Seitenflächen 9b sowie 9b' angeordnet. Eine hiervon verschiedene untere Seitenfläche 10 dient der Anordnung der - nicht weiter dargestellten - Befestigungsmittel 5a am hexagonalen Verdichtergehäuse 6.
Gemäß Fig. 3 dient das Verdichtergehäuse 6 der Verdichtereinheit 2 der Unterbringung einer Kurbelwelle 11 zum Antrieb der verschiedenen jeweils aus Kolben 12, 12' und Pleuel 13, 13' (exemplarisch) bestehenden Kurbeltriebe der Hoch- bzw.
Niederdruckstufe.
Nach Fig. 4 ist bei der Kurbelwelle 11 jedem Kurbeltrieb eine eigene Kröpfung 14a bis 14d zugeordnet, welche gegenüber der benachbarten Kröpfung , beispielsweise 14a zu 14b, um einen Winkel ß von 30° winkelversetzt zueinander angeordnet sind. Dieser Winkelversatz besteht zwischen allen benachbarten Kröpfungen 14a bis 14d. Hierdurch ist die Kurbelwelle 11 in eine Position bringbar, in welche jeder der vier Kolben 12 (exemplarisch) gleichzeitig die untere Totpunktstellung einnimmt.
Aus dem in Fig. 5 dargestellten Momentenverfauf im Bereich des Drehwinkels γ einer Umdrehung geht das Moment MG aus Gaskräften, das Moment Mm aus Massenkräften sowie das Summenmoment Ms aus Massen* und Gaskräften hervor. Die
Verdichtungsfotge des zweistufigen Kolbenverdichters wird erfindungsgemäß so gewählt, dass jedes Ereignis innerhalb einer Umdrehung zweimal erfolgt, und so der Anteil 1. Ordnung im Drehkraftdiagramm gegen 0 geht. Wie aus der Fourier-Analyse des Lastmoments nach Fig. 6 hervorgeht, beträgt der Anteil 1. Ordnung 0, der Anteil 2. Ordnung 27 Nm, der Anteil 3. Ordnung 0 und der Anteil 4. Ordnung 1:5: Nm. Die Erfindung ist nicht beschränktauf das vorstehend beschriebene
Ausführungsbeispiel. Es sind auch Abwandlungen hiervon denkbar» die unter den Schutzbereich der nachfölgenen Ansprüche fallen. So ist es beispielsweise auch möglich, dass eine Bauart mit mehr als 4 Zylindern, beispielsweise mit 6 oder 8 Zylindern, zum Einsatz kommt.
BEZUGSZEICHENLISTE
1 Antriebseinheit
2 Verdichtereinheit
3 Kühlereinheit
4 Axiallüfter
5 Befestigungsmittel
6 Verdichtergehäuse
7 Hochdruckzylinder
8 Niederdruckzylinder
9 seitliche Seitenfläche
10 untere Seitenfläche
11 Kurbelwelle
12 Kolben
13 Pleuel
14 Kröpfung
A erste Längsachse
B zweite Längsachse H Horizontale
α Horizontalwinkel ß Kröpfungswinkel
Y Winkelstellung Kurbelwelle
M Drehmoment
f Frequenz

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Mehrstufiger Kolbenkompressor, insbesondere für Schienenfahrzeuge, mit einer Niederdruckstufe und mindestens einer darauffolgenden Hochdruckstufe zum mehrstufigen Komprimieren von angesaugter Luft, wofür eine Antriebseinheit (1) zur Erzeugung einer Drehbewegung eine nachgeschaltete Verdichtereinheit (2) antreibt, welche mehrere an einem Verdichtergehäuse (6) zur Unterbringung einer Kurbelwelle (11) angeordnete topfartige Nieder- oder Hochdruckzylinder (7a, 7b, 8a, 8b) für innenliegende Kolben (12) aufweist, wobei die über die Antriebseinheit (1 ) angetriebene Kurbelwelle (11) eine Drehbewegung über mehrere auf mindestens einer Kröpfung angeordnete Pleuel (13) in eine lineare Bewegung für je einen zugeordneten Kolben (11) zum Komprimieren der Luft umwandelt, wobei eine gerade Anzahl von Nieder- und Hochdruckzylindern (7a, 7b, 8a, 8b) sternförmig am Verdichtergehäuse (6) angeordnet ist,
dadurch gekennzeichnet dass
- jeweils ein Hochdruckzylinder (7a ; 7b) einem Niederdruckzylinder (8a ; 8b) auf derselben Längsachse (A bzw. B) gegenübersteht, und
- jedem mit einem Kolben (12) versehenen Pleuel (13) eine eigene Kröpfung (14a bis 14d) der Kurbelwelle (11) zugeordet ist, welche derart winkelversetzt zu mindestens einer benachbarten Kröpfung (14a bis 14d) angeordnet ist, dass
- die Kurbelwelle (11 ) in eine Position bringbar ist, in welcher einer der
Hochdruckzylinder (7a ; 7b) in der oberen Totpunktstellung ist, während der andere Hochdruckzylinder (7b ; 7a) in der unteren Totpunktstellung ist, wobei gleichzeitig ein Niederdruckzylinder (8a ; 8b) in der oberen Totpunktstellung ist, während der andere Niederdruckzylinder (8b ; 8a) in der unteren Totpunktstellung ist,
2. Mehrstufiger Kolbenkompressor nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass die Längsachsen (A; B) von Nieder- und
Hochdruckzylindern (7a, 7b, 8a, 8b) sternförmig mit einem Winkel (a) zur Horizontalen (H) von 25° ±10° angeordnet sind.
3. Mehrstufiger Kolbenkompressor nach Anspruch 1 oder2,
dadurch gekennzeichnet, dass die Niederdruckzylinder (8a, 8b) oberhalb der Horizontalen (Hj und die Hochdruckzylinder (7a, 7b) unterhalb der Horizontalen (H) angeordnet sind,
4. Mehrstufiger Kojbenkompressor nach Anspruch 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet, dass eine vierzylindrige Ausführung der Verdichtereinheit (2) aus zwei Niederdruckzylindern (8a, 8b) sowie zwei Hochdruckzylindem (7a, 7b) besteht.
5. Mehrstufiger Kolbenkompressor nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinheit (1) als ein elektrischer
Synchrortreluktanzmotor ausgebildet ist.
6. Mehrstufiger Kolbenkompressor nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass die Pleuel (13') und/oder die Kotben (12') der Hochdruckstufe aus einem Material gefertigt sind, das gegenüber den Pleuel (13) und/oder den Kolben (12) der Niederdruckstufe ein höheres spezifisches Gewicht aufweist.
7, Mehrstufiger Kolbenkompressor nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass die Pleuel (13) der Niederdruckstufe länger als die Pleuel (13') der Hochdruckstufe ausgebildet sind.
8. Mehrstufiger Kolben kompressor nach Anspruch 7.
dadurch gekennzeichnet dass der Schwerpunkt der Pleuel (13) der Niederdruckstufe kolbennäher als der Schwerpunkt der Pleuel (13') der Hochdruckstufe liegt
9. Mehrstufiger Kolbenkompressor nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass ein Massenausgleich der Kurbeltriebe über nur an mindestens einem Pleuel (13 ; 13') anbringbare Zusatzmassen erfolgt.
10. Mehrstufiger Kolbenkompressor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder aus Kolben (12) und Pleuel (13) bestehender Kurbeftrieb der zweistufigen Verdichtereinheit (2) derart ausgeführt ist, dass der Anteil der 1. Ordnung im Drehkraftdiagramm einen Wert von kleiner als 10% des Anteils der 2. Ordnung beträgt.
11. Mehrstufiger Kolbenkompressor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdichtergehäuse (6) einen hexagonalen Grundquerschnitt aufweist.
12. Mehrstufiger Koibenkompressor nach Anspruch 11 ,
dadurch gekennzeichnet, dass bei einer vierzylindrigen Ausführung der
Verdichtereinheit (2) ein Niederdruckzylinder (8a; 8b) und ein Hochdruckzylinder (7a; 7b) an zueinander benachbarten Seitenflächen (9a, 9a' ; 9b, 9b') des hexagonalen Verdichtergehäuses (6) angeordnet sind, wobei zumindest an einer hiervon
verschiedenen unteren Seitenfläche (10) Befestigungsmittel (5a) der Verdtehtereinheit (2) angeordnet sind.
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