DE10326000B4

DE10326000B4 - Kolbenanordnung an der Taumelscheibe eines Taumelscheibenkompressors

Info

Publication number: DE10326000B4
Application number: DE2003126000
Authority: DE
Inventors: Henry Hartung; Heiko Dröse; Klaus Gebauer; Thomas Reske; Harry Nissen; Thomas Küppers; Dikran-Can Magzalci
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2003-06-10
Filing date: 2003-06-10
Publication date: 2012-02-23
Anticipated expiration: 2023-06-11
Also published as: DE10326000A1; DE10326000A8

Abstract

Kolbenanordnung an der Taumelscheibe eines Kompressors, mit einem am Kolben angeordneten Lagerkäfig und mit an diesem beweglich gelagerten Gleitsteinen, zwischen denen die Taumelscheibe mit ihrem Randbereich gleitbar angeordnet ist, wobei der wenigstens eine kolbenseitige Gleitstein (5) an einem in axialer Richtung am Kolben (3) verschiebbaren Lagerelement (15) angeordnet ist, das bei Auftreten eines Gesamtspiels in vorbestimmter Größe in der zwischen dem Lagerkäfig (3.2) und der Taumelscheibe (4) gegebenen Gleitlagerung selbsttätig nachgestellt wird und wobei das Lagerelement (15) an einer in Richtung der Taumelscheibe (4) federkraftbeaufschlagten Federscheibe (20) gehaltert ist, die umfangsseitig in eine im Innern des Kolbens (3) in axialer Richtung ausgebildete Verzahnung (21) eingreift, deren Zahnprofil einem rechtwinkligen oder im wesentlichen rechtwinkligen Dreieck entspricht, dessen taumelscheibenseitige Zahnflanke im Wesentlichen senkrecht zur Kolbenachse angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft die Kolbenanordnung an der Taumelscheibe eines Taumelscheibenkompressors, bei der der jeweilige Kolben über einen rückseitig an diesem angeordneten U-förmigen Lagerkäfig und Gleitsteine mit der Taumelscheibe wirkverbunden ist, insbesondere für einen R744-Taumelscheibenkompressor in einer Fahrzeug-Klimaanlage.
Ein Taumelscheibenkompressor weist eine an einer Antriebswelle schwenkbar, jedoch drehfest gelagerte Taumelscheibe auf. Mit dieser sind mehrere Kolben wirkverbunden, die in Hubzylindern eines gehäusefesten Zylinderblockes in axialer Richtung hin- und herbewegbar angeordnet sind und die durch die sich drehende Taumelscheibe angetrieben werden, wobei der Kolbenhub und damit auch die Leistung des Kompressors durch eine Veränderung des Schwenk- oder Schrägstellwinkels der Taumelscheibe an der Antriebswelle veränderbar ist.
Die Verbindung zwischen den Kolben und der sich drehenden Taumelscheibe kann dabei jeweils über einen am Kolben angeordneten U-förmigen Lagerkäfig und in diesem gelagerte Gleitsteine vorgenommen sein, zwischen denen die Taumelscheibe beim Betrieb des Kompressors mit hoher Drehzahl gleitet und dabei die Kolben in deren axialer Richtung mit einer Hubkraft beaufschlagt. Üblicherweise sind die Gleitsteine lagerkäfigseitig sphärisch ausgebildet und weisen taumelscheibenseitig ebene Anlageflächen für die Taumelscheibe auf. Durch diese Konstruktion wird der jeweilige Kolben in seiner Achsrichtung entsprechend der Taumelbewegung der Taumelscheibe hin- und herbewegt, wobei sich bei einer Änderung der Schrägstellung derselben auch die Stellung der Gleitsteine im Lagerkäfig ändert.
Es ist offensichtlich, dass die zwischen dem jeweiligen Kolben und der Taumelscheibe gegebenen Gleitanordnungen einem entsprechenden Verschleiß unterliegen, insbesondere bei einem hochbelasteten R744-Taumelscheibenkompressor, der in einer mit CO₂-Kältemittel (R744-Kältemittel) betriebenen Kraftfahrzeug-Klimaanlage eingesetzt ist, die mit erheblich höheren Drücken betrieben wird als eine Klimaanlage mit herkömmlichen Kältemitteln. Verursacht durch die Drehung der Taumelscheibe wird auch über die Gleitsteine eine Seitenbelastung auf den jeweiligen Kolben aufgebracht, die ein einseitiges Anstoßen oder Anpressen desselben an die jeweilige Zylinderwandung hervorruft, ebenfalls verbunden mit einem Verschleiß oder einer Überhitzung. Der Verschleiß zwischen dem Lagerkäfig und den Gleitsteinen und diesen und der Taumelscheibe führt zu einer Vergrößerung des Spiels zwischen dem Gabelstück und der Taumelscheibe und damit zu einer Verschlechterung der Anpassung des Kompressors an die geforderte Leistung und schließlich auch zu einer Verkürzung der Standzeit desselben.
Um den Verschleiß durch das einseitige Anpressen der Kolben an die Zylinderwandung zu verringern und dadurch eine Überhitzung der Kolben zu verhindern, ist es aus der DE 41 39 186 A1 bekannt geworden, die Kolben über ein spezielles Kupplungsglied an die Taumelscheibe anzukoppeln, das eine Bewegung in einer radialen Richtung mit Bezug zur Antriebswelle ausführen kann. Dieses Kupplungsglied ist aus paarweise auf jeder Seite der Taumelscheibe angeordneten Gleitsteinen gebildet, von denen das jeweils lagerkäfigseitige eine mit Bezug zur Antriebswelle radiale Bewegung ausführen kann und das jeweils taumelscheibenseitige eine Bewegung in axialer Richtung. Dabei kann am äußeren Randbereich der Taumelscheibe eine kreisförmige konzentrische Rippe und am taumelscheibenseitigen Gleitstein eine Nut oder Kehle für diese ausgebildet sein. Eine generelle Verschleißreduzierung zur Verhinderung einer Spielvergrößerung zwischen dem Lagerkäfig und der Taumelscheibe kann die Lösung jedoch nicht sicherstellen, da auf jeder Seite der Taumelscheibe jeweils drei auf Verschleiß beanspruchte Gleitflächenpaare vorhanden sind. Auch kann der auftretende Verschleiß nicht kompensiert werden.
Aus der Schrift US 4,425,837 A ist eine weitere Kolbenanordnung an der Taumelscheibe eines Kompressors bekannt, bei der ein Spielausgleich zwischen der Taumelscheibe und den Kolben über ein federbelastetes Kugelelement erfolgt. Dabei hat diese Ausführung jedoch den Nachteil, dass bei größer werdendem Spiel die Kugel nicht sicher an ihrem Sitz anliegt und bei jeder Hubbewegung zunächst ein diesen Weg ausgleichender Leerhub erfolgt. Daher erfolgt bei dieser Lösung kein sicheres Nachstellen der Anlage bzw. Abstützung der Gleitsteine gegenüber dem Kolben.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Kolbenanordnung an der Taumelscheibe eines Kompressors so zu gestalten, dass ein spielvergrößernder Verschleiß zwischen dem Lagerkäfig des jeweiligen Kolbens und der Taumelscheibe des Kompressors in einfacher und sicherer Weise kompensiert wird.
Diese Aufgabe wird bei einer Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
Die Erfindung besteht darin, dass bei einer Kolbenanordnung an der Taumelscheibe eines (Taumelscheiben-)Kompressors mit einem am Kolben angeordneten Lagerkäfig und mit an diesem beweglich gelagerten Gleitsteinen, zwischen denen die Taumelscheibe während des Betriebes des Kompressors hindurchgleitet und diese in axialer Richtung zur Antriebswelle der Taumelscheibe kraftbeaufschlagt, der wenigstens eine kolbenseitige Gleitstein an einem Lagerelement gelagert ist, das bei Auftreten eines verschleißbedingten Spiels in axialer Richtung zur Taumelscheibe zu verschiebbar gelagert ist. Dabei ist die Anordnung so getroffen, dass für die Verschiebung des Lagerelementes das sich vergrößernde Gesamtspiel zwischen dem Lagerkäfig und den Gleitsteinen und zwischen diesen und der Taumelscheibe maßgebend ist, und sich das Lagerelement beim Auftreten eines Spiels vorbestimmter Größe selbsttätig nachstellt. Damit wird stets ein maximales, vorbestimmtes Spiel nicht überschritten, und es werden die Prozesssicherheit und die Zuverlässigkeit des Kompressors und auch dessen Standzeit trotz weiteren Verschleißes erhöht.
Dabei kann das Lagerelement kolbenseitig an einer in Richtung der Taumelscheibe federkraftbeaufschlagten Federscheibe angeordnet sein, die umfangsseitig in eine im Innern des Kolbens in axialer Richtung ausgebildete Verzahnung eingreift. Aus technologischen Gründen sind eine kreisrunde Federscheibe und eine mit dieser korrespondierende konzentrische Innenverzahnung von Vorteil, ebenso ein zylindrisches Lagerelement. Das Zahnprofil entspricht dabei einem rechtwinkligen oder im wesentlichen rechtwinkligen Dreieck, dessen taumelscheibenseitige Zahnflanke im wesentlichen senkrecht zur Kolbenachse angeordnet ist, so dass die kolbenseitige Zahnflanke einen Innenkonus ausbildet, der sich in Richtung der Taumelscheibe verjüngt. An diesem Innenkonus liegt die Federscheibe mit ihrem Randbereich an. Bei größer werdendem Spiel wird die Federscheibe, die durch eine Druckfeder in Richtung der Taumelscheibe beaufschlagt wird, deformiert, wobei sich deren Umfangsdurchmesser verkleinert, bis dieser den Innendurchmesser der Verzahnung erreicht hat, und schließlich spielverkleinemd auf den nächsten taumelscheibenseitigen Innenkonus der Verzahnung gedrückt. Dabei ist die Verzahnung vorteilhaft fein ausgelegt, so dass dieser Vorgang, also das Springen des Lagerelementes auf die Taumelscheibe zu, in kleinen Schritten erfolgen und das maximale Spiel ein vorbestimmtes Maß nicht überschreiten kann. Damit die Federscheibe ausreichend verformt werden kann, ist sie zum einen mit einem radialen Schlitz versehen und zum anderen lediglich in ihrem Mittelpunkt mit dem Lagerelement verbunden, insbesondere durch einen Schweißpunkt, und damit lediglich partiell. Taumelscheibenseitig weist das Lagerelement eine gegenüber der Taumelscheibe konkave sphärische Gleitfläche für den kolbenseitigen Gleitstein auf.
Zur weiteren Verschleißverminderung ist die Taumelscheibe in ihren den Gleitsteinen zugewandten gegenüberliegenden Randbereichen mit konzentrischen Wölbungen versehen, an denen der jeweilige Gleitstein mit seiner ebenen Gleitfläche tangential und parallel zur Taumelscheibe anliegt. Diese Wölbungen bilden wenigstens eine konzentrische Vertiefung aus, in der sich Schmiermittel ansammelt. Überdies führt diese Ausgestaltung zu einer erheblichen Verringerung der sich berührenden Gleitflächen und zu einer Verbesserung der Schmierung zwischen der Taumelscheibe und den Gleitsteinen, verbunden mit einer Verschleißminimierung. Der technologische Aufwand für die Ausbildung der konzentrischen Wölbungen ist gering, da die Taumelscheibe ein Drehteil ist.
Die Kolben können aus Gründen einer kostengünstigen Fertigung und der benötigten Festigkeit, wie sie insbesondere für R744-Kompressoren erforderlich ist, zweiteilig aufgebaut sein und aus dem Lagerkäfig und einem Kolbenkopf bestehen, der in der jeweiligen Zylinderbohrung hin- und herbeweglich angeordnet und verschleißbeansprucht ist. Dabei kann der Kolbenkopf zur Gewichtsreduzierung aus einem Leichtmetall, insbesondere Al oder einer Al-Legierung, bestehen und mit Kolbenringen versehen sein, die beispielsweise aus einem hochwertigen Grauguss gefertigt sind. Ebenso können auch verschleißfeste Beschichtungen zum Einsatz kommen. Die Zweiteiligkeit des Kolbens bietet somit den Vorteil, optimierte Werkstoffe für den jeweiligen Kolbenteil zu verwenden.
Die Erfindung wird nachstehen anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:
1: einen Taumelscheibenkompressor in einem Axialschnitt mit einem von mehreren mit der Taumelscheibe wirkverbundenen Kolben,
2: die Kolbenanordnung, vergrößert,
3: den Kolben, vergrößert, und
4a und 4b: zwei Ansichten von der mit einem Lagerelement versehenen Federscheibe.
Der in 1 dargestellte Taumelscheibenkompressor weist eine Kurbelkammer 1 mit einer auf einer Antriebswelle 2 neigungsverstellbar angeordneten und mehrere Hubkolben 3 antreibenden Taumelscheibe 4 aus einem hochfesten Stahl (16 Mn Cr 5) mit einer harten verschleißfesten Beschichtung aus DLC (diamond like carbon) auf, wobei die Hubkolben 3 über Gleitsteine 5 aus einem 100 Cr 6 – Stahl an die Taumelscheibe 4 gekoppelt sind. Die Antriebswelle 2 ist drehfest mit einer Riemenscheibe 6 verbunden.
Die Hubkolben 3 sind in einem gehäusefesten Zylinderblock 7 in mit Zylinderlaufbuchsen 8 versehenen Zylinderbohrungen 9 in axialer Richtung bewegbar angeordnet und jeweils mit drei Kolbenringen versehen. Für eine definierte Neigungsverstellbewegung und zur Definition von Schrägstellungen ist die Taumelscheibe 4 mit zwei Führungskulissen 11 versehen, die an parallel zueinander ausgebildeten Laschen 10 angeordnet sind, von denen in der Darstellung jedoch nur eine zu sehen ist. In die Führungskulissen 11 greift ein Mitnehmerstift 12 ein, der an zwei Laschen 13 gehaltert ist, die an einer drehfest mit der Antriebswelle 2 verbundenen Mitnehmerscheibe 14 befestigt sind.
Insbesondere die vergrößerten Darstellungen in den 2 und 3 zeigen, dass der Hubkolben 3 zweiteilig ist und aus einem hohlzylindrischen Kolbenkopf 3.1 und einem U-förmigen Lagerkäfig 3.2 besteht, wobei die beiden Teile aus Stahl bestehen und durch Reibschweißen miteinander verbunden sind. Die Kolbenanordnung an der Taumelscheibe 4 ist dabei so getroffen, dass der Lagerkäfig 3.2 den Randbereich der Taumelscheibe 4 umgreift und dabei mit den Gleitsteinen 5 an dieser anliegt. Dabei ist der kolbenkopfseitige Gleitstein 5 an einem in axialer Richtung am Hubkolben 3 verschiebbar gehalterten Lagerelement 15 angeordnet, wobei dieser Gleitstein 5, wie auch der am gegenüberliegenden Schenkel 16 angeordnete Gleitstein 5, in einer gegenüber der Taumelscheibe 4 konkaven sphärischen Gleitfläche 17 angeordnet ist.
Das Lagerelement 15 ist in einer Bohrung 18 mit einer Verzahnung 21 im kolbenkopfseitigen Schenkel 19 des Lagerkäfigs 3.2 gehaltert, deren Innendurchmesser im wesentlichen dem Außendurchmesser des Lagerelementes 15 entspricht, mit einer kreisrunden Federscheibe 20 der Dicke 0,2 mm verbunden und mit dieser in der Verzahnung 21 verrastet, wobei der Eingriff des Randes der Federscheibe 20 in die Verzahnung 21 von geringer Tiefe ist und im Millimeterbereich liegt. Taumelscheibenseitig ist das Lagerelement 15 mit einem Bund 22 zur Anlage an einer kolbenkopfseitig am Schenkel 19 ausgebildeten Schulter 23 versehen, so dass über das Lagerelement 15 eine in Richtung des Kolbenkopfes 3.1 wirkende Druckkraft übertragen werden kann. Des Weiteren ist das Lagerelement 15 mit einer Druckfeder 24 hoher Federkraft (100–500 N/m) an einer im Kolbenkopf 3.1 ausgebildeten Schulter 25 abgestützt und auf den Gleitstein 5 zu federkraftbeaufschlagt.
Die Verzahnung 21 weist, wie insbesondere die Einzelheit X zu 3 ausweist, ein einem rechtwinkligen Dreieck entsprechendes Zahnprofil auf, dessen taumelscheibenseitige Zahnflanke rechtwinklig zur Kolbenachse angeordnet ist und dessen kolbenkopfseitige Zahnflanke schräg zu dieser verläuft und einen Winkel von im wesentlichen 45° zur Kolbenachse ausbildet. Der durch die schräge Zahnflanke gebildete Innenkonus verjüngt sich zur Taumelscheibe zu. Die an diesem Innenkonus anliegende Federscheibe 20 ist mit dem Lagerelement 15 durch eine Punktschweißung im Mittelpunkt derselben fest verbunden und mit einem radialen Ausschnitt 26 versehen, wie in 4a zu sehen ist.
2 zeigt des Weiteren, dass die im Schnitt dargestellte Taumelscheibe 4 an ihrem Randbereich sowohl kolbenkopfseitig als auch auf der dem Kolbenkopf 3.1 abgewandten Seite zwei konzentrische Wölbungen 27 aufweist, die eine konzentrische Vertiefung 28 ausbilden. An diesen Wölbungen 27 liegt der jeweilige Gleitstein 5 tangential an.
Durch den Betrieb des Taumelscheibenkompressors tritt an den aneinander gleitenden und durch Druck belasteten Flächen, insbesondere der Gleitsteine 5 und der Taumelscheibe 4, Verschleiß auf, der zu einem größer werdenden Spiel führt. Dadurch wird die Federscheibe 20, die ständig durch die Druckfeder 24 in Richtung der Taumelscheibe 4 beaufschlagt wird, in zunehmendem Maße deformiert und dabei vom Lagerelement 15 konzentrisch elastisch abgebogen, so dass, beginnend vom Mittelpunkt der Federscheibe 20, in radialer Richtung ein nach außen immer größer werdender konzentrischer Spalt gebildet wird und sich der Rand der Federscheibe 20 immer mehr dem Kopf des jeweiligen Zahnprofils nähert. Diese Verformung ist insbesondere durch den Ausschnitt 26 ermöglicht. Ist die Federscheibe 20 so weit deformiert, dass deren Rand den Innendurchmesser der Verzahnung bzw. den Kopf des jeweiligen Zahnprofils erreicht hat, wird diese durch die Druckfeder 24 über den jeweiligen Zahnkopf an die nächste taumelscheibenseitige Zahnflanke gedrückt, wobei sich die Federscheibe 20 zumindest zum Teil entspannt. Diese Verschiebung ist mit einem Nachstellen des Lagerelementes 15, das ebenfalls in Richtung Taumelscheibe 4 verschoben wird, und mit einer Verringerung des oben genannten Spiels verbunden, wobei das Nachstellen erfolgt, wenn das Spiel die Länge eines Zahnprofils erreicht hat. Damit ist das Spiel durch die Verzahnung 21 vorbestimmbar. In der Kurbelkammer 1 befindliches Schmiermittel gelangt zwangsläufig in die Vertiefung 28 der Taumelscheibe 4 und bildet dort ein Schmiermittelreservoir, durch das eine ausreichende Schmierung und eine Verringerung des Verschleißes sichergestellt werden.
Bezugszeichenliste

1: Kurbelkammer
2: Antriebswelle
3: Hubkolben
3.1: Kolbenkopf
3.2: Lagerkäfig
4: Taumelscheibe
5: Gleitstein
6: Riemenscheibe
7: Zylinderblock
8: Zylinderlaufbuchse
9: Zylinderbohrung
10: Lasche
11: Führungskulisse
12: Mitnehmerstift
13: Lasche
14: Mitnehmerscheibe
15: Lagerelement
16: Schenkel
17: Gleitfläche
18: Bohrung
19: Schenkel
20: Federscheibe
21: Verzahnung
22: Bund
23: Schulter
24: Druckfeder
25: Schulter
26: Ausschnitt
27: Wölbung
28: Vertiefung

Claims

Kolbenanordnung an der Taumelscheibe eines Kompressors, mit einem am Kolben angeordneten Lagerkäfig und mit an diesem beweglich gelagerten Gleitsteinen, zwischen denen die Taumelscheibe mit ihrem Randbereich gleitbar angeordnet ist, wobei der wenigstens eine kolbenseitige Gleitstein (5) an einem in axialer Richtung am Kolben (3) verschiebbaren Lagerelement (15) angeordnet ist, das bei Auftreten eines Gesamtspiels in vorbestimmter Größe in der zwischen dem Lagerkäfig (3.2) und der Taumelscheibe (4) gegebenen Gleitlagerung selbsttätig nachgestellt wird und wobei das Lagerelement (15) an einer in Richtung der Taumelscheibe (4) federkraftbeaufschlagten Federscheibe (20) gehaltert ist, die umfangsseitig in eine im Innern des Kolbens (3) in axialer Richtung ausgebildete Verzahnung (21) eingreift, deren Zahnprofil einem rechtwinkligen oder im wesentlichen rechtwinkligen Dreieck entspricht, dessen taumelscheibenseitige Zahnflanke im Wesentlichen senkrecht zur Kolbenachse angeordnet ist.
Kolbenanordnung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Federscheibe (20) in radialer Richtung geschlitzt ist.
Kolbenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Federscheibe (20) in ihrem Zentrum mit dem Lagerelement (15) partiell fest verbunden, insbesondere punktgeschweißt, ist.
Kolbenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Lagerelement (15) taumelscheibenseitig mit einer gegenüber der Taumelscheibe (4) konkaven sphärische Gleitfläche (17) für den kolbenseitigen Gleitstein (5) versehen ist.
Kolbenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Taumelscheibe (4) an ihrem Randbereich sowohl kolbenseitig als auch auf der dem Kolben (3) abgewandten Seite mit konzentrischen Wölbungen (27) versehen ist, an denen der jeweilige Gleitstein (5) tangential anliegt und die wenigstens eine konzentrische Vertiefung (28) als Schmiermittelreservoir ausbilden.
Kolbenanordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Taumelscheibe (4) aus einem hochfesten Stahl besteht und mit einer verschleißfesten Beschichtung, vorzugsweise einer DLC-Beschichtung, versehen ist, und dass die Gleitsteine (5) aus einem Werkzeugstahl, insbesondere 100 Cr 6, gefertigt sind.
Kolbenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben zweiteilig ist und aus einem hohlzylindrischen Kolbenkopf (3.1) und dem Lagerkäfig (3.2) gebildet ist.
Kolbenanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenkopf (3.1) aus einem Leichtmetall, insbesondere Al oder einer Al-Legierung, gefertigt und mit Kolbenringen, insbesondere aus einem hochwertigen Grauguss oder einem Kunststoff; vorzugsweise PTFE oder Peek, versehen ist, dass der Lagerkäfig (3.2) aus Stahl gefertigt ist, und dass beide Teile (3.1, 3.2) miteinander fest verbunden sind.