DE10231212A1

DE10231212A1 - Taumelscheibenkompressor

Info

Publication number: DE10231212A1
Application number: DE10231212A
Authority: DE
Inventors: Christoph Loy; Heiko Droese; Klaus Gebauer; Thomas Reske; Harry Nissen
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2001-07-21
Filing date: 2002-07-11
Publication date: 2003-02-06
Anticipated expiration: 2022-07-12
Also published as: DE10231212B4

Abstract

Ein Taumelscheibenkompressor weist wenigstens einen Kolben (10) mit wenigstens einem ersten und einem zweiten Backen (11, 12) zur Aufnahme wenigstens eines Gleitsteins (20) auf, wobei der Gleitstein mit der Taumelscheibe in Kontakt steht. Zur Verbesserung der Schmierung wird vorgeschlagen, wenigstens einen der Backen (11) beweglich am Kolben (10) anzuordnen und/oder im Gleitstein eine Bohrung vorzusehen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Taumelscheibenkompressor sowie Teile eines solchen nach den Oberbegriffen der Ansprüche 1, 4 und 9.
Jede Klimaanlage benötigt einen Kompressor, welcher das Kühlmittel komprimiert bevor es einem Wärmetauscher zugeführt wird. Bei Klimaanlagen für Automobile werden hierfür zumeist sogenannte Taumelscheibenkompressoren eingesetzt. Diese haben sich auch beim Einsatz von CO₂ als Kältemittel, welches aufgrund von Umweltvorschriften zunehmend zum Einsatz kommen wird, grundsätzlich als geeignet erwiesen, wobei jedoch aufgrund der höheren Betriebsdrücke konstruktive Änderungen notwendig sind. Da die Drücke, die beim Einsatz von CO₂ gegenüber dem Einsatz von R 134a etwa 10mal so hoch sind, muss der Kompressor entsprechend höheren mechanischen Kräften widerstehen können, was auch bei der Auslegung der Lager und deren Schmierung berücksichtigt werden muss.
Taumelscheibenkompressoren weisen eine Mehrzahl von Zylindern auf, die kreisförmig und parallel zu einer zentralen Achse angeordnet sind. Die jeweils zu den Zylindern gehörenden Kolben werden mittels einer Taumelscheibe angetrieben, die auf der zentralen Achse angeordnet ist. Der Kontakt zwischen Kolben und Taumelscheibe wird hierbei in der Regel über sogenannte Gleitsteine hergestellt, die im Kopf des jeweiligen Kolbens beweglich gehalten werden und mit einer ebenen Seite auf der Taumelscheibe aufliegen. Pro Kolben sind im allgemeinen zwei Gleitsteine vorgesehen, wobei die Gleitsteine normalerweise die Form eines Kugelabschnittes haben. Das konvexe Flächenelement jedes Gleitsteins wird in einem Backen des Kolbens gehalten, der hierzu einen entsprechend geformten konvexen Abschnitt aufweist.
Der Kopplungsbereich zwischen Kolben und Taumelscheibe ist aufgrund der relativ hohen Drehzahlen und aufgrund von Reibungskräften grundsätzlich hohem Verschleiß ausgesetzt. Zur Erhöhung der Lebensdauer wurde daher bspw. in der EP 0 776 986 A1 vorgeschlagen die Taumelscheibe mit einer Kupferlegierung zu beschichten.
In der US 5943 941 wird vorgeschlagen auf die Gleitsteine eine Beschichtung aufzutragen, welche als wesentlichen Bestandteil Zinn enthält.
Solche Beschichtungen können für sich allein schon Vorteile bezüglich des Verschleißes eines Taumelscheibenkompressors bringen. Dennoch bleibt die Kopplung zwischen Kolben und Taumelscheibe ein kritischer Bereich innerhalb eines solchen Kompressors.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung einen Taumelscheibenkompressor bzw. dessen Bestandteile dahingehend weiterzuentwickeln, dass der Verschleiß weiter reduziert wird, wodurch insbesondere der Kompressor auch bei hohen Betriebsdrücken, wie sie in einer CO₂-Klimaanlage auftreten, eine hohe Standzeit erreicht.
Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung die Geräuschentwicklung eines solchen Kompressors zu minimieren.
Dieses Ziel wird mit einem Taumelscheibenkompressor mit den Merkmalen des Anspruchs 9 erreicht, in welchem Kolben mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und/oder Gleitsteine mit den Merkmalen des Anspruchs 4 Verwendung finden.
Da die Kurbelgehäuse von Taumelscheibenkompressoren beim Einsatz in Fahrzeug- CO₂-Klimaanlagen in der Regel ölgeschmiert werden, ist es Grundgedanke der Erfindung die Ölschmierung zwischen Kolben und Gleitstein und zwischen Gleitstein und Taumelscheibe zu verbessern. Erfindungsgemäß kann dies mittels Optimierung des Spiels zwischen Kolben und Gleitstein und zwischen Gleitstein und Taumelscheibe gemäß Anspruch 1, oder durch konstruktive Änderungen des Gleitsteins selbst gemäß Anspruch 4 erreicht werden. Ideal ist eine Kombination beider erfindungsgemäßen Verbesserungen.
Mit einem oder mehren weiteren Merkmalen der Ansprüche 11 bis 15 ist der Taumelscheibenkompressor insbesondere für den Einsatz in einer CO₂-Klimaanlage geeignet.
Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Taumelscheibenkompressor,
Fig. 2 einen Längsschnitt durch den Kopf eines Kolbens.
Das im folgenden dargestellte Ausführungsbeispiel ist insbesondere zum Einsatz in einer CO₂-Klimaanlage eines Kraftfahrzeugs geeignet.
In Fig. 1 ist ein Taumelscheibenkompressor dargestellt. Auf einer zentralen Antriebswelle 40 ist eine Taumelscheibe 30 angeordnet. An die Taumelscheibe 30 sind eine Mehrzahl von Kolben 10 gekoppelt, welche in den Zylindern 15 oszillieren. Die Kolben 10 bestehen hierbei jeweils aus einem Kolbenkörper 10B, der an seinem vorderen Ende Dichtringe 14 trägt. Diese Dichtringe sind bei der Erzeugung von Drücken, wie sie bei einer CO₂-Klimaanlage notwendig sind - Hochdruck ca. 140 bar, Saugdruck ca. 40 bar - notwendig. Der Kolbenhub ist größer als der Kolbendurchmesser. Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel beträgt der Kolbenhub 21 mm, der Kolbendurchmesser 16 mm. Bei 6 Zylindern führt dies zu einem Gesamthubvolumen von unter 30 cm³. An dem hinteren Teil des Kolbenkörpers 10B schließt sich der Kopf 10A an, über den die Kopplung des Kolbens 10 an die Taumelscheibe erfolgt.
Über das Einlassventil 17 des Zylinders 15 wird neben dem Kühlmittel, beispielsweise CO₂, auch Schmieröl mit eingesaugt. Die Auslasskammer 18 steht über ein im Detail nicht dargestelltes Kanalsystem mit dem Kurbelgehäuse K des Taumelscheibenkompressors in Verbindung. Das Kurbelgehäuse steht hierbei unter einem Druck von einigen bar. Häufig ist der Kurbelgehäusedruck regelbar, um somit den Grad der Verkippung der Taumelscheibe und somit die Leistung des Kompressors verändern zu können. Das im Kurbelgehäuse befindliche Schmieröl dient u. a. zur Minimierung der Reibung zwischen den Kolben 10 und der Taumelscheibe 30. Eine Verbesserung dieser Ölschmierung wird erfindungsgemäß durch konstruktive Änderungen des Kopfes 10A und/oder eine konstruktive Änderung der verwendeten Gleitsteine erreicht. Diese konstruktiven Änderungen sind der Fig. 2 zu entnehmen:
Die Kopplung der Kolben 10 and die Taumelscheibe 30 erfolgt mittels kugelkalottenförmiger Gleitsteine 20, deren ebenen Flächen 22A auf der Taumelscheibe 30 aufliegen, und deren konvexe Flächenelemente 22B in entsprechend geformten, konkaven Flächenabschnitten 11A, 11B der Backen 11 und 12 gelagert sind.
Um das Spiel zwischen Taumelscheibe 30 und Gleitsteinen 20 sowie den Gleitsteinen 20 und den Backen 11, 12 optimal einstellen zu können ist der erste Backen 11 beweglich am Kopf 10A des Kolbens 10 angeordnet. Somit kann werkseitig das ideale Spiel eingestellt werden, wodurch die Reibung und somit auch der Verschleiß minimiert werden. Zur Bewegung und anschließenden Arretierung des ersten Backens 11 eignet sich bspw. eine hier nicht dargestellte Spannschraube. Mit einer solchen Vorrichtung ist grundsätzliche auch eine Nachjustierung des Spieles bei Wartung des Taumelscheibenkompressors möglich. Das Spiel sollte so eingestellt werden, dass sich zwischen den Gleitsteinen und den Backen und zwischen den Gleitsteinen und der Taumelscheibe ein möglichst durchgehender Ölfilm ausbildet. Die Größe des idealen Spiels hängt unter anderem von der Viskosität des verwendeten Schmieröls ab.
Zur weiteren Verbesserung der Ölschmierung weisen die Gleitsteine 20 jeweils eine Bohrung 24 auf, die sich zwischen der ebenen Fläche 22A und dem kalottenförmigen Flächenelement 22B erstreckt. Durch diese Bohrung 24 wird das Schmieröl besser zwischen allen Flächen verteilt, zwischen denen Reibung beim Betrieb des Kompressors entsteht. Insbesondere im Zusammenspiel mit dem durch den beweglichen ersten Backen 11 erzeugbaren idealen Spaltabstand kann somit eine verbesserte Schmierung und damit ein geringerer Verschleiß sowie eine geringere Geräuschentwicklung erzielt werden.
Die Bohrung 24 in den Gleitsteinen 20 bringt jedoch auch ohne ein einstellbares Spaltmaß eine Verbesserung der Schmierung mit sich, so dass in manchen Anwendungsfällen ein Einsatz dieser verbesserten Gleitsteine auch im Zusammenhang mit konventionellen Kolben, also solchen mit feststehenden Backen sinnvoll sein kann.
Zu einer weiteren Verbesserung der Gleiteigenschaften der Gleitsteine 10 können diese mit einer harten Beschichtung versehen werden. Hierzu eignen sich insbesondere DLC, TICN oder TIN. Die Bohrungen 24 haben in diesem Fall den weiteren Vorteil, dass die Gleitsteine während des Beschichtungsvorgangs mittels dieser Bohrungen gehalten werden können, so dass die gesamte Oberfläche eines jeden Gleitsteins problemlos beschichtet werden kann. Die Oberfläche der Bohrung selbst benötigt selbstverständlich keine Beschichtung, da diese Oberfläche mechanisch nicht belastet wird; diese Bohrung dient ja wie oben dargestellt im eingebauten Zustand lediglich als Kanal für das Schmieröl. BEZUGSZEICHENLISTE 10 Kolben
10A Kopf
10B Kolbenkörper
11 erster Backen
12 zweiter Backen
11A, 12A Flächenabschnitt
14 Dichtringe
15 Zylinder
17 Einlassventil
18 Auslasskammer
20 Gleitstein
22 Oberfläche des Gleitsteins
22A ebene Fläche
22B Flächenelement
24 Bohrung
28 Beschichtung
30 Taumelscheibe
40 Antriebswelle

Claims

1. Kolben (10) zur Verwendung in einem Taumelscheibenkompressor mit wenigstens einem ersten und einem zweiten Backen (11, 12) zur Aufnahme wenigstens eines Gleitsteins (20), dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens der erste Backen (11) beweglich am Kolben (10) angeordnet ist.

2. Kolben (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Backen (11, 12) jeweils einen konkaven, kugelabschnittsförmigen Flächenabschnitt (11A, 12A) aufweisen.

4. Kolben (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Backen (11) mittels einer Kolbenspannschraube bewegbar ist.

5. Gleitstein (20) zur Verwendung in in einem Taumelscheibenkompressor mit einer sich entlang einer in einer Ebene liegenden ebenen Fläche (22A), dadurch gekennzeichnet, dass im Gleitstein (20) wenigstens eine Bohrung (24) aufweist, die in die Fläche (22A) mündet.

6. Gleitstein (20) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass er ein konvexes, kugelabschnittsförmiges Flächenelement (22B) aufweist.

7. Gleitstein (20) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrung (24) im wesentlichen senkrecht in die ebene Fläche (22A) mündet.

8. Gleitstein (20) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass seine Oberfläche zumindest teilweise beschichtet ist.

9. Gleitstein (20) nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht DLC und/oder TICN und/oder TIN enthält.

10. Taumelscheibenkompressor zum Einsatz in einer CO₂-Klimaanlage in einem Automobil, dadurch gekennzeichnet, dass er einen Kolben (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4 und/oder einen Gleitstein (20) nach einem der Ansprüche 5 bis 9 enthält.

11. Taumelscheibenkompressor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass sein Kompressionsverhältnis auf den Einsatz in einer CO₂-Klimaanlage abgestimmt ist.

12. Taumelscheibenkompressor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass an den Kolben (10) Dichtringe (14) angeordnet sind.

13. Taumelscheibenkompressor nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenhub größer als der Kolbendurchmesser ist.

14. Taumelscheibenkompressor nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Hochdruckseite ein Druck von über 100 bar, vorzugsweise von ca. 140 bar erzeugt wird.

15. Taumelscheibenkompressor nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Hubvolumen von ca. 25-30 cm³ aufweist.