EP1218639B1 - Axialkolbenverdichter - Google Patents

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EP1218639B1
EP1218639B1 EP00969409A EP00969409A EP1218639B1 EP 1218639 B1 EP1218639 B1 EP 1218639B1 EP 00969409 A EP00969409 A EP 00969409A EP 00969409 A EP00969409 A EP 00969409A EP 1218639 B1 EP1218639 B1 EP 1218639B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
plate
drive shaft
piston
disc
sliding blocks
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
EP00969409A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP1218639A1 (de
Inventor
Otfried Schwarzkopf
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Valeo Compressor Europe GmbH
Original Assignee
Zexel Valeo Compressor Europe GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Zexel Valeo Compressor Europe GmbH filed Critical Zexel Valeo Compressor Europe GmbH
Publication of EP1218639A1 publication Critical patent/EP1218639A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1218639B1 publication Critical patent/EP1218639B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B27/00—Multi-cylinder pumps specially adapted for elastic fluids and characterised by number or arrangement of cylinders
    • F04B27/08—Multi-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
    • F04B27/10—Multi-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
    • F04B27/1036—Component parts, details, e.g. sealings, lubrication
    • F04B27/1054—Actuating elements
    • F04B27/1063—Actuating-element bearing means or driving-axis bearing means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B27/00—Multi-cylinder pumps specially adapted for elastic fluids and characterised by number or arrangement of cylinders
    • F04B27/08—Multi-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
    • F04B27/10—Multi-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
    • F04B27/1036—Component parts, details, e.g. sealings, lubrication
    • F04B27/1054—Actuating elements
    • F04B27/1072—Pivot mechanisms

Definitions

  • the invention relates to an axial piston compressor, such as For example, from JP4-148083A can be seen with a drive shaft, a Disc which is mounted on the drive shaft so that they are relative to this um a pivot axis can be displaced, and at least one piston, the provided with sliding blocks which slide on a track on the disc.
  • Such an axial piston compressor can in particular in an air conditioner for Motor vehicles are used. It serves to make a refrigerant out of one Heat exchanger, in which it evaporates under heat absorption to suck and to compress to a higher pressure, so that it in another Heat exchanger the heat at a higher temperature level again can deliver. Subsequently, the refrigerant undergoes expansion in an organ a throttling to the pressure level of the first heat exchanger.
  • each piston is caused by the interaction of connected to the piston sliding blocks with the disc, relative to the Drive shaft is pivotable. If the disc is not relative to the drive shaft is pivoted, so the central axis of the disc with the longitudinal axis of the Drive shaft coincides, there is no stroke, since the distance between for example, the bottom of the cylinder in which the piston is arranged, and the tread does not change during one revolution of the drive shaft. In contrast, when the disc is pivoted so that the central axis of the disc with the longitudinal axis of the drive shaft a non-zero angle which is usually 20 ° or less, the distance changes between the tread of the disc and the bottom of the cylinder at each Rotation of the drive shaft periodically between a minimum value and a Maximum value. The piston coupled to the disk is thus then if the distance is minimal, in its top dead center, that is maximum in the Cylinder pushed in while he is at maximum distance in his bottom dead center is located.
  • the track of the sliding blocks attached to the piston on the disc changes depending on the tilt angle of the disc.
  • the pivoting disc is so measured that when not pivoted disc only a very small edge between the raceway of the sliding blocks and the outer edge of the disc remains. It follows that with pivoted disc, the career of the Sliders in the areas of the disc, the upper and the lower Dead center correspond to the piston, goes beyond the edge of the disc. This is a consequence of the apparent shortening of the disc during pivoting. Due to the fact that the track in the pivoted state of the disc beyond its edge, results in a reduced area, the Transferring the forces between the disc and the sliding blocks stands.
  • the maximum force between the sliding blocks and the .Screen acts.
  • the coincidence of reducing power transmission available area on the one hand with the maximum of transferring force on the other hand leads to an increase in the surface pressure between the disc and the raceway, which in extreme cases to a feeding between the sliding block and the disc can lead.
  • the object of the invention is therefore to provide an axial piston compressor to improve the above-mentioned type such that a seizure between the sliding blocks and the disc under all operating conditions reliable is prevented.
  • an axial piston compressor according to the invention with the features of Characteristic part of claim 1 is due to the offset between the median plane of the disc and the pivot axis of the disc rotational movement of the disc superimposed on a translational movement. This causes the disc relative to the sliding blocks whose position is predetermined, shifts when panning. This shift can be targeted be used to the emergence of the career of the sliding blocks on the Either to eliminate the edge of the disc completely or to reduce significantly. This eliminates or reduces the increase in surface pressure between sliding blocks and career.
  • the pivot axis of the disc with respect to the Center plane of the disc on the piston side facing.
  • this Design will reduce the overlap between the sliding blocks and the disc by pivoting the disc in the area counteracted, which corresponds to the top dead center of the respective piston, So in the operating point in which the force acting on the piston on biggest one is.
  • the resulting in this design reduction of Overlap between the sliding block and the track of the disc, which is twice as large is like in a design according to the prior art with a Pivot axis, which coincides with the median plane of the disc can to be tolerated, since at the appropriate time on the piston acting force is relatively low.
  • Which, despite the reduction of Contact surface between the sliding blocks and the raceway of the disc resulting surface pressure is below the critical values.
  • the disc is a Swash plate, which can be rotated by the drive shaft and whose pivot angle can be adjusted with respect to the drive shaft.
  • a Swash plate which can be rotated by the drive shaft and whose pivot angle can be adjusted with respect to the drive shaft.
  • the Disk is a swash plate, which is rotatably mounted on a swash plate is and whose pivot angle with respect to the drive shaft that of Swash plate corresponds.
  • This type apart from the translational Movement of the swash plate, the rotation of the pivoting movement is superimposed, corresponds to a type, as for example from the DE 196 21 174 A1, combines the advantage of a targeted reduction the surface pressure with the inherent advantage of this type of a particular low-friction operation.
  • an inventive Axial piston compressor is provided that at a distance between the Longitudinal axis of the drive shaft and the longitudinal axis of the piston of 30 mm, a diameter of the voltage applied to the track plane surface of the sliding blocks of 8 mm and a maximum swing angle between the longitudinal axis of the Drive shaft and the center axis of the disc of 18 ° the distance between the Center plane of the disc and the pivot axis of the disc is about 1 mm.
  • the disc is the disc when pivoting relative to the track of the Sliders moved only so far that on one side of the disc a Reduction of the overhang of the track over the outer edge of the disc results; the theoretically possible displacement of the disc so far that the Run completely in the area of a dead center of the piston again the disc is deliberately not sought, since with increasing offset between the pivot axis and the median plane of the disc and the Mass center of the disc relative to the longitudinal axis of the drive shaft emigrates.
  • the specified value represents at the mentioned geometric A good compromise between a reduction in Surface pressure on the one hand and increasing the imbalance of the disc on the other hand.
  • FIG. 1 shows an axial piston compressor according to the prior art.
  • This contains a housing 10, in which rotatably a drive shaft 12th is stored.
  • a swash plate 14th With the drive shaft 12 is rotatably a swash plate 14th connected, which is pivotally mounted about a pivot axis C.
  • the Pivot axis C intersects the longitudinal axis L of the drive shaft 12 in the right Angle.
  • the swash plate 14 can about the pivot axis C between a Position in which the pivot angle between the median plane M of Swash plate 14 and a plane perpendicular to the longitudinal axis L of the drive shaft is about zero, and pivoted to a maximum pivoted position, in the swing angle ⁇ is about 20 °.
  • the way the adjustment the swash plate 14 is achieved and controlled is, on the one hand well known and second, not relevant to the understanding of the invention, so that thereon will not be received.
  • each piston 18th In the housing a plurality of cylinders 16 are formed, in each of which a piston 18th are slidably mounted.
  • the longitudinal axis Z of each piston and each Cylinder is aligned parallel to the longitudinal axis L of the drive shaft.
  • the Compressor can be equipped with up to seven such pistons in the uniform angular distance around the drive shaft are arranged around.
  • Each piston is provided with two sliding blocks 20, each having a circular Planar surface 22 and a spherical section-shaped pivot surface 24 have.
  • the pivot surface of each slider 20 is in a correspondingly shaped Receiving surface 26 received on the piston so that the swash plate 14th between the mutually facing and parallel aligned planar surfaces 22nd the two sliding blocks of a piston is added. This way, when the swash plate 14 to a non-zero pivot angle ⁇ is pivoted, the tumbling rotational movement of the swash plate in one translational movement of the piston 18 implemented.
  • the plane surfaces are running 22 of the sliding blocks 20 on tracks on the swash plate 14, which coincides with the Change swivel angle ⁇ .
  • the swash plate 14 When the center axis of the swash plate 14 with the Longitudinal axis L of the drive shaft 12 coincides, the swash plate 14 itself that extends perpendicular to the drive shaft 12, resulting in a circular Track of the sliding blocks 20 on the swash plate 14.
  • the radius of this Career corresponds to the distance between the center of the of the Receiving surfaces 26 defined ball joint of each cylinder and the Longitudinal axis L. Since in the illustrated embodiment, the center of each Ball joint is located on the longitudinal axis Z of each cylinder 16, corresponds to the Radius of the track the distance between the longitudinal axis Z and the Longitudinal axis L.
  • the course of the force F acting on the piston is shown as a function of the angle of rotation ⁇ of the swash plate 14.
  • the piston is initially accelerated in the direction of bottom dead center, while at the same time refrigerant is drawn in. For this reason, the forces acting on the piston are negative in some areas.
  • FIG. 6 is schematically the invention Design shown.
  • the pivot axis C by a dimension V to the Center plane of the swash plate 14 offset.
  • the offset V is chosen here, that the pivot axis C on the side of the (not shown in Figure 6) piston lying, which are driven by the swash plate 14. Due to the offset V results when pivoting the swash plate 14 in addition to rotational movement a translational movement. As a result, the Outer edge of the swash plate 14, considered for the positions corresponding to the Dead centers of the pistons, arranged eccentrically.
  • the sliding block Due to the reduction of surface pressure between the sliding blocks and the swashplate at maximum load, the sliding block may with smaller dimensions are executed. This allows for a more compact Design. Since the flat surface 22 of the sliding blocks 20 no longer at maximum load beyond the edge of the swash plate 14, voltage spikes and thus reducing wear due to edge pressure. Due to the enlarged Supernatant a of the plane surface 22 in the region of the bottom dead center results improved wetting of the flat surface of the sliding blocks by the oil mist in the Interior of the housing 10th
  • Swivel axis C results in pivoted swash plate 14 that the Center of gravity of the swash plate eccentric with respect to the longitudinal axis L the drive shaft is arranged. This results tend to be low Imbalances in the operation of the compressor. As these imbalances increase with Offset V increase, can be provided as a compromise, not the total overhang a in the area of top dead center to compensate but only so far that the surface pressure only to a harmless degree increases.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Compressors, Vaccum Pumps And Other Relevant Systems (AREA)

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft einen Axialkolbenverdichter, wieer z.B aus der JP4-148083A zu entnehmen ist mit einer Antriebswelle, einer Scheibe, die auf der Antriebswelle so gelagert ist, daß sie relativ zu dieser um eine Schwenkachse verlagert werden kann, und mindestens einem Kolben, der mit Gleitsteinen versehen ist, die auf einer Laufbahn auf der Scheibe gleiten.
Ein solcher Axialkolbenverdichter kann insbesondere bei einer Klimaanlage für Kraftfahrzeuge verwendet werden. Er dient dazu, ein Kältemittel aus einem Wärmeübertrager, in welchem es unter Wärmeaufnahme verdampft, abzusaugen und auf einen höheren Druck zu verdichten, so daß es in einem weiteren Wärmeübertrager die Wärme auf einem höheren Temperatumiveau wieder abgeben kann. Anschließend erfährt das Kältemittel in einem Expansionsorgan eine Drosselung auf das Druckniveau des ersten Wärmeübertragers.
Für Anwendungen in Fahrzeug-Klimaanlagen werden Kältemittelverdichter unterschiedlicher Bauarten eingesetzt. In den letzten Jahren haben sich aus mehreren Gründen Axialkolbenverdichter durchgesetzt, insbesondere da bei dieser Bauart eine energetisch günstige Leistungsregelung realisiert werden kann. Da nämlich der Verdichter üblicherweise über einen Riemenantrieb direkt mit dem Motor gekoppelt ist, läßt sich die Drehzahl des Verdichters nicht im Hinblick auf die gewünschten Betriebsbedingungen des Verdichters anpassen; aus diesem Grunde erfolgt eine Leistungsanpassung durch das Verschwenken der Scheibe, die das Hubvolumen der Kolben des Verdichters bestimmt.
Der Hub jedes Kolbens wird hervorgerufen durch das Zusammenwirken der mit dem Kolben verbundenen Gleitsteine mit der Scheibe, die relativ zur Antriebswelle schwenkbar ist. Wenn die Scheibe relativ zur Antriebswelle nicht verschwenkt ist, also die Mittelachse der Scheibe mit der Längsachse der Antriebswelle zusammenfällt, ergibt sich kein Hub, da der Abstand zwischen beispielsweise dem Boden des Zylinders, in welchem der Kolben angeordnet ist, und der Lauffläche sich bei einer Umdrehung der Antriebswelle nicht ändert. Wenn dagegen die Scheibe verschwenkt ist, so daß die Mittelachse der Scheibe mit der Längsachse der Antriebswelle einen von Null verschiedenen Winkel einschließt, der üblicherweise maximal 20° beträgt, ändert sich der Abstand zwischen der Lauffläche der Scheibe und dem Boden des Zylinders bei jeder Umdrehung der Antriebswelle periodisch zwischen einem Minimalwert und einem Maximalwert. Der mit der Scheibe gekoppelte Kolben befindet sich somit dann, wenn der Abstand minimal ist, in seinem oberen Totpunkt, also maximal in den Zylinder hineingeschoben, während er sich bei maximalem Abstand in seinem unteren Totpunkt befindet.
Die Laufbahn der an den Kolben angebrachten Gleitsteinen auf der Scheibe ändert sich in Abhängigkeit von dem Schwenkwinkel der Scheibe.
Wenn die Mittelachse der Scheibe mit der Längsachse der Antriebswelle zusammenfällt, ergibt sich eine kreisrunde Laufbahn der Gleitsteine auf der Scheibe. Der Radius dieser Laufbahn entspricht dem Abstand zwischen dem Mittelpunkt der Gleitsteine und der Längsachse der Antriebswelle. Wenn dagegen die Scheibe verschwenkt wird, ergibt sich eine elliptische Laufbahn der Gleitsteine auf der Scheibe, da der Abstand zwischen der Mitte der Gleitsteine und der Längsachse der Antriebswelle unverändert bleibt. Die kurze Halbachse der Ellipse hat eine Länge, die dem Radius der kreisförmigen Laufbahn bei nicht verschwenkter Scheibe entspricht, und liegt parallel zur Schwenkachse der Scheibe. Die Länge der langen Halbachse der Ellipse ergibt sich aus dem Radius dividiert durch den Kosinus des Schwenkwinkels der Scheibe.
Um einen kompakten Verdichter zu erhalten, ist die schwenkbare Scheibe so bemessen, daß bei nicht verschwenkter Scheibe nur ein sehr kleiner Rand zwischen der Laufbahn der Gleitsteine und dem Außenrand der Scheibe verbleibt. Hieraus ergibt sich, daß bei verschwenkter Scheibe die Laufbahn der Gleitsteine in den Bereichen der Scheibe, die dem oberen und dem unteren Totpunkt der Kolben entsprechen, über den Rand der Scheibe hinausgeht. Dies ist eine Folge der scheinbaren Verkürzung der Scheibe beim Verschwenken. Aufgrund der Tatsache, daß die Laufbahn im verschwenkten Zustand der Scheibe über deren Rand hinausgeht, ergibt sich eine verringerte Fläche, die zum Übertragen der Kräfte zwischen der Scheibe und den Gleitsteinen zur Verfügung steht. Hinzu kommt, daß in einer der Stellungen, in denen die Gleitsteine maximal über den Außenrand der Scheibe hinausragen, nämlich der Stellung entsprechend dem oberen Totpunkt des Kolbens am Ende des Verdichtungshubes, die maximale Kraft zwischen den Gleitsteinen und der .Scheibe wirkt. Das Zusammentreffen der Verringerung der zur Kraftübertragung zur Verfügung stehenden Fläche einerseits mit dem Maximum der zu übertragenden Kraft andererseits führt zu einem Anstieg der Flächenpressung zwischen der Scheibe und der Laufbahn, was im Extremfall zu einem Fressen zwischen dem Gleitstein und der Scheibe führen kann.
Die Aufgabe der Erfindung besteht somit darin, einen Axialkolbenverdichter der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, daß ein Fressen zwischen den Gleitsteinen und der Scheibe unter allen Betriebsbedingungen zuverlässig verhindert ist.
Vorteile der Erfindung
Bei einem erfindungsgemäßen Axialkolbenverdichter mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 wird aufgrund des Versatzes zwischen der Mittelebene der Scheibe und der Schwenkachse der Scheibe der rotatorischen Bewegung der Scheibe eine translatorische Bewegung überlagert. Diese führt dazu, daß die Scheibe sich relativ zu den Gleitsteinen, deren Stellung vorgegeben ist, beim Verschwenken verschiebt. Diese Verschiebung kann gezielt dazu benutzt werden, das Hinaustreten der Laufbahn der Gleitsteine über den Rand der Scheibe entweder ganz zu eliminieren oder merklich zu verringern. Dies beseitigt oder verringert die Zunahme der Flächenpressung zwischen Gleitstein und Laufbahn.
Vorzugsweise ist vorgesehen, daß die Schwenkachse der Scheibe bezüglich der Mittelebene der Scheibe auf der dem Kolben zugewandten Seite liegt. Bei dieser Gestaltung wird der Verringerung der Überdeckung zwischen den Gleitsteinen und der Scheibe durch das Verschwenken der Scheibe in dem Bereich entgegengewirkt, der dem oberen Totpunkt des jeweiligen Kolbens entspricht, also in dem Betriebspunkt, in welchem die auf den Kolben einwirkende Kraft am größten ist. Die sich bei dieser Gestaltung ergebende Verringerung der Überdeckung zwischen Gleitstein und Laufbahn der Scheibe, die doppelt so groß ist wie bei einer Gestaltung nach dem Stand der Technik mit einer Schwenkachse, die mit der Mittelebene der Scheibe zusammenfällt, kann hingenommen werden, da die im entsprechenden Zeitpunkt auf den Kolben einwirkende Kraft vergleichsweise gering ist. Die sich trotz der Verringerung der Berührfläche zwischen den Gleitsteinen und der Laufbahn der Scheibe ergebende Flächenpressung liegt unterhalb der kritischen Werte.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Scheibe eine Schrägscheibe, die von der Antriebswelle in Drehung versetzt werden kann und deren Schwenkwinkel bezüglich der Antriebswelle eingestellt werden kann. Ein solcher Axialkolbenverdichter, der abgesehen von der Translationsbewegung, die der Rotationsbewegung der Scheibe überlagert wird, einer beispielsweise aus der DE 197 03 216 A1 bekannten Bauform entspricht, vereinigt den erfindungsgemäß erzielten Vorteil einer Verringerung der Flächenpressung zu bestimmten Zeitpunkten des Betriebs, beispielsweise den Zeitpunkt der auf den Kolben einwirkenden maximalen Kraft, mit dem dieser Bauart eigenen Vorteil eines vergleichsweise einfachen Aufbaus.
Gemäß einer alternativen bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß die Scheibe eine Taumelscheibe ist, die drehbar auf einer Schrägscheibe angebracht ist und deren Schwenkwinkel bezüglich der Antriebswelle demjenigen der Schrägscheibe entspricht. Diese Bauart, die abgesehen von der translatorischen Bewegung der Taumelscheibe, die der rotatorischen Bewegung beim Schwenken überlagert wird, einer Bauart entspricht, wie sie beispielsweise aus der DE 196 21 174 A1 bekannt ist, vereint den Vorteil einer gezielten Verringerung der Flächenpressung mit dem dieser Bauart eigenen Vorteil eines besonders reibungsarmen Betriebs.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Axialkolbenverdichters ist vorgesehen, daß bei einem Abstand zwischen der Längsachse der Antriebswelle und der Längsachse des Kolbens von 30 mm, einem Durchmesser der an der Laufbahn anliegenden Planfläche der Gleitsteine von 8 mm und einem maximalen Schwenkwinkel zwischen der Längsachse der Antriebswelle und der Mittelachse der Scheibe von 18° der Abstand zwischen der Mittelebene der Scheibe und der Schwenkachse der Scheibe etwa 1 mm beträgt. Bei diesem geringen Versatz zwischen der Schwenkachse und der Mittelebene der Scheibe wird die Scheibe beim Verschwenken relativ zu der Laufbahn der Gleitsteine nur so weit verschoben, daß sich auf einer Seite der Scheibe eine Verringerung des Überstehens der Laufbahn über den Außenrand der Scheibe ergibt; die theoretisch mögliche Verschiebung der Scheibe derart weit, daß die Laufbahn sich im Bereich eines Totpunktes des Kolbens wieder vollständig auf der Scheibe befindet, wird bewußt nicht angestrebt, da mit steigendem Versatz zwischen der Schwenkachse und der Mittelebene der Scheibe auch der Massenschwerpunkt der Scheibe gegenüber der Längsachse der Antriebswelle auswandert. Der angegebene Wert stellt bei den genannten geometrischen Verhältnissen einen guten Kompromiß zwischen einer Verringerung der Flächenpressung einerseits und einem Erhöhen der Unwucht der Scheibe andererseits dar.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Zeichnungen
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. In diesen zeigen:
  • Figur 1 in einer schematischen Schnittansicht einen Axialkolbenverdichter nach dem Stand der Technik;
  • Figur 2 in vergrößertem Maßstab das Detail II von Figur 1;
  • Figur 3 in einem Diagramm die auf den Kolben einwirkende Kraft in Abhängigkeit vom Drehwinkel;
  • Figur 4 schematisch eine Darstellung der Geometrie zwischen Scheibe und Gleitsteinen bei einem Axialkolbenverdichter gemäß dem Stand der Technik;
  • Figur 5 schematisch eine weitere Darstellung der geometrischen Verhältnisse bei einem Axialkolbenverdichter gemäß dem Stand der Technik; und
  • Figur 6 schematisch eine Darstellung der geometrischen Verhältnisse bei einem Axialkolbenverdichter gemäß der Erfindung.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
In Figur 1 ist ein Axialkolbenverdichter nach dem Stand der Technik gezeigt. Dieser enthält ein Gehäuse 10, in welchem drehbar eine Antriebswelle 12 gelagert ist. Mit der Antriebswelle 12 ist drehfest eine Schrägscheibe 14 verbunden, die um eine Schwenkachse C schwenkbar angebracht ist. Die Schwenkachse C schneidet die Längsachse L der Antriebswelle 12 im rechten Winkel. Die Schrägscheibe 14 kann um die Schwenkachse C zwischen einer Stellung, in der der Schwenkwinkel zwischen der Mittelebene M der Schrägscheibe 14 und einer Ebene senkrecht zur Längsachse L der Antriebswelle etwa Null ist, und einer maximal verschwenkten Stellung verschwenkt werden, in der der Schwenkwinkel α etwa 20° beträgt. Die Art und Weise, wie die Verstellung der Schrägscheibe 14 erzielt und gesteuert wird, ist zum einen allgemein bekannt und zum anderen nicht relevant für das Verständnis der Erfindung, so daß hierauf nicht eingegangen wird.
Im Gehäuse sind mehrere Zylinder 16 ausgebildet, in denen jeweils ein Kolben 18 verschiebbar angebracht sind. Die Längsachse Z jedes Kolbens und jedes Zylinders ist parallel zur Längsachse L der Antriebswelle ausgerichtet. Der Verdichter kann mit bis zu sieben solcher Kolben versehen sein, die im gleichmäßigen Winkelabstand um die Antriebswelle herum angeordnet sind.
Jeder Kolben ist mit zwei Gleitsteinen 20 versehen, die jeweils eine kreisförmige Planfläche 22 sowie eine kugelabschnittsförmige Schwenkfläche 24 aufweisen. Die Schwenkfläche jedes Gleitsteins 20 ist in einer entsprechend geformten Aufnahmefläche 26 am Kolben so aufgenommen, daß die Schrägscheibe 14 zwischen den einander zugewandten und parallel ausgerichteten Planflächen 22 der beiden Gleitsteine eines Kolbens aufgenommen ist. Auf diese Weise wird, wenn die Schrägscheibe 14 um einen von Null verschiedenen Schwenkwinkel α verschwenkt ist, die taumelnde Rotationsbewegung der Schrägscheibe in eine translatorische Bewegung der Kolben 18 umgesetzt. Dabei laufen die Planflächen 22 der Gleitsteine 20 auf Laufbahnen auf der Schrägscheibe 14, die sich mit dem Schwenkwinkel α ändern. Wenn die Mittelachse der Schrägscheibe 14 mit der Längsachse L der Antriebswelle 12 zusammenfällt, die Schrägscheibe 14 sich also senkrecht zur Antriebswelle 12 erstreckt, ergibt sich eine kreisförmige Laufbahn der Gleitsteine 20 auf der Schrägscheibe 14. Der Radius dieser Laufbahn entspricht dem Abstand zwischen dem Mittelpunkt des von den Aufnahmeflächen 26 definierten Kugelgelenks jeden Zylinders und der Längsachse L. Da bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel der Mittelpunkt jedes Kugelgelenks auf der Längsachse Z jedes Zylinders 16 liegt, entspricht der Radius der Laufbahn dem Abstand zwischen der Längsachse Z und der Längsachse L. Wenn dagegen die Schwenkscheibe aus ihrer Ausrichtung senkrecht zur Antriebswelle 12 verschwenkt wird, ergibt sich eine elliptische Laufbahn. Dies ist darauf zurückzuführen, daß in den beiden Totpunkten der Kolben, die in Figur 1 dargestellt sind, jede Planfläche einen größeren Abstand vom Schwenkpunkt C der Schrägscheibe 14 hat als in den um 90° dazu versetzten Zwischenstellungen.
Da aus Raumgründen der Außendurchmesser A der Schrägscheibe 14 so gewählt ist, daß die Schrägscheibe im nicht verschwenkten Zustand geringfügig über die radial außenliegende Seite der Gleitsteine 20 hinausragt, liegt die Laufbahn der Gleitsteine 20 aufgrund der scheinbaren Verkürzung des Außendurchmessers der Schrägscheibe 14 auf den Wert A' nicht mehr vollständig auf der Schrägscheibe; die Planfläche 22 der Gleitsteine liegt also nicht mehr vollständig auf der Schrägscheibe 14 auf. Das Maß, um das die Planfläche 22 über den Außenrand der Schrägscheibe 14 hinaussteht, ist in den Figuren mit a bezeichnet. Eine Momentaufnahme mit um den Schwenkwinkel a verschwenkter Schrägscheibe 14 ist für den Zeitpunkt des Durchgangs der Kolben durch den oberen und den unteren Totpunkt in Figur 4 gezeigt. In Figur 5 ist eine Projektion eines Gleitsteins 20 und der Schrägscheibe 14 in eine Ebene senkrecht zur Längsachse L der Antriebswelle 12 für den Moment des Durchgangs durch einen Totpunkt des Kolbens gezeigt. Es ist deutlich zu sehen, daß der Gleitstein 20 um den Überstand a über den Außenumfang der Scheibe 14 hinaussteht. Bei einem Abstand zwischen der Längsachse Z des Kolbens und der Längsachse L der Antriebswelle 12 von 30 mm, einem Durchmesser der Planfläche 22 der Gleitsteine 20 von 8 mm und einem maximalen Schwenkwinkel α von 18° ergibt sich aufgrund der geometrischen Verhältnisse, daß der Überstand a = 1,6 mm ist. Daraus ergibt sich eine über die Schrägscheibe 14 überstehende Fläche Ü = 7,2 mm2, während die an der Schrägscheibe 14 anliegende Restfläche R = 43 mm2 beträgt. Da somit knapp 14,5% der Planfläche 22 der Gleitsteine 20 nicht zur Kraftübertragung zur Verfügung stehen, erhöht sich dementsprechend die Flächenpressung im Bereich der Restfläche R. Verschärfend kommt zum einen hinzu, daß in jedem der Totpunkte die Planflächen 22 relativ zur Längsachse Z jedes Zylinders geneigt sind, so daß für die tatsächlich herrschende Flächenpressung nur die in eine Ebene senkrecht zur Längsachse Z projizierte Fläche der Planflächen zur Verfügung steht. Zum anderen wirkt im oberen Totpunkt jedes Kolbens die maximale Kraft zwischen der Schrägscheibe und dem entsprechenden Kolben. In dem in Figur 3 gezeigten Diagramm ist der Verlauf der auf den Kolben einwirkenden Kraft F in Abhängigkeit vom Drehwinkel ϕ der Schrägscheibe 14 gezeigt. Der Drehwinkel ϕ = 0° entspricht dabei dem oberen Totpunkt eines Kolbens, also dem maximal in den Zylinder 16 hineingeschobenen Zustand. Ausgehend vom oberen Totpunkt wird der Kolben zunächst in Richtung zum unteren Totpunkt hin beschleunigt, während gleichzeitig Kältemittel angesaugt wird. Aus diesem Grunde sind die auf den Kolben einwirkenden Kräfte in einigen Bereichen negativ. Ab Erreichen des unteren Totpunktes, der einem Drehwinkel von ϕ = 180° entspricht, folgt der Verdichtungshub, in welchem der Kolben zum oberen Totpunkt hin beschleunigt wird, während gleichzeitig das Kältemittel verdichtet wird. Dabei steigen die auf den Kolben wirkenden Kräfte an, wobei kurz vor Erreichen des oberen Totpunktes die maximalen Kräfte wirken.
Aus diesem Verlauf der auf den Kolben einwirkenden Kraft ergibt sich in Verbindung mit den geometrischen Verhältnissen, daß der geringste Anteil der Planflächen 22 für die Kraftübertragung zum einen im Bereich des unteren Totpunktes zur Verfügung steht, also im Bereich des Übergangs vom Ansaughub zum Verdichtungshub. Die sich durch den Überstand der Planflächen 22 über den Außenrand der Schrägscheibe 14 ergebende Erhöhung der Flächenpressung ist jedoch unkritisch, da in diesem Bereich vergleichsweise geringe Kräfte übertragen werden müssen. Zum anderen liegt derselbe Überstand der Planflächen der Gleitsteine über den Außenrand der Schrägscheibe 14 im Bereich des oberen Totpunktes vor. Da hier aber die höchsten Kräfte zwischen der Schrägscheibe 14 und den Gleitsteinen 20 übertragen werden muß, ergibt sich ein kritischer Anstieg der Flächenpressung zwischen der entsprechenden Planfläche 22 und der Schrägscheibe 14. Diese Flächenpressung kann solche Werte annehmen, daß es zu einem Fressen zwischen der Schrägscheibe 14 und der Planfläche 22 des Gleitsteins 20 kommen kann.
Der beschriebene Anstieg der Flächenpressung zwischen den Gleitsteinen 20 und der Schrägscheibe 14 im Bereich des oberen Totpunktes des entsprechenden Kolbens kann durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung verringert oder beseitigt werden. In Figur 6 ist schematisch die erfindungsgemäße Ausgestaltung gezeigt. Im Unterschied zur aus dem Stand der Technik bekannten Gestaltung ist hier die Schwenkachse C um ein Maß V gegenüber der Mittelebene der Schrägscheibe 14 versetzt. Der Versatz V ist dabei so gewählt, daß die Schwenkachse C auf der Seite der (in Figur 6 nicht dargestellten) Kolben liegt, die von der Schrägscheibe 14 angetrieben werden. Aufgrund des Versatzes V ergibt sich beim Verschwenken der Schrägscheibe 14 zusätzlich zur rotatorischen Bewegung eine translatorische Bewegung. Als Ergebnis ist der Außenrand der Schrägscheibe 14, betrachtet für die Stellungen entsprechend den Totpunkten der Kolben, exzentrisch angeordnet. Auf diese Weise wird erzielt, daß die Laufbahn 20 der Gleitsteine im Bereich des oberen Totpunktes des entsprechenden Kolbens wieder vollständig auf der Schrägscheibe 14 liegt; der Überstand a ist gleich Null. Somit steht wieder die volle Fläche der Planfläche 22 zur Kraftübertragung zur Verfügung. Im Gegenzug hat sich der Überstand des Gleitsteins in dem Bereich der Laufbahn, der dem unteren Druckpunkt des Kolbens entspricht, verdoppelt; die daraus resultierende Zunahme der Flächenpressung ist jedoch unkritisch, da im Bereich des unteren Druckpunktes des Kolbens nur geringe Kräfte übertragen werden müssen.
In Figur 6 ist der Versatz V der Schwenkachse C gegenüber der Mittelebene der Schrägscheibe 14 übertrieben gezeigt; in der Praxis genügt bei den oben angegebenen Größenverhältnissen ein Versatz V in der Größenordnung von 2 mm, um den Überstand A für den oberen Totpunkt des Kolbens zu beseitigen.
Aufgrund der Verringerung der Flächenpressung zwischen den Gleitsteinen und der Schrägscheibe bei maximaler Last kann der Gleitstein eventuell mit geringeren Abmessungen ausgeführt werden. Dies ermöglicht eine kompaktere Bauform. Da die Planfläche 22 der Gleitsteine 20 bei maximaler Last nicht mehr über die Kante der Schrägscheibe 14 hinausläuft, werden Spannungsspitzen und somit der Verschleiß durch Kantenpressung reduziert. Aufgrund des vergrößerten Überstandes a der Planfläche 22 im Bereich des unteren Totpunktes ergibt sich eine verbesserte Benetzung der Planfläche der Gleitsteine durch den Ölnebel im Inneren des Gehäuses 10.
Bei exzentrisch bezüglich der Mittelebene der Schrägscheibe angeordneter Schwenkachse C ergibt sich bei verschwenkter Schrägscheibe 14, daß der Massenschwerpunkt der Schrägscheibe exzentrisch bezüglich der Längsachse L der Antriebswelle angeordnet ist. Hieraus ergeben sich tendenziell geringe Unwuchten beim Betrieb des Verdichters. Da diese Unwuchten mit steigendem Versatz V ansteigen, kann als Kompromiß vorgesehen werden, nicht den gesamten Überstand a im Bereich des oberen Totpunktes zu kompensieren, sondern nur so weit, daß die Flächenpressung nur auf ein unbedenkliches Maß ansteigt. Beispielsweise läßt sich bei den oben beschriebenen geometrischen Abmessungen mit einem Versatz V von 1 mm eine Verringerung der Flächenpressung im Bereich des oberen Totpunktes um rund 10% gegenüber dem Stand der Technik erzielen, während gleichzeitig der Massenschwerpunkt der Schrägscheibe 14 nur um 0,3 mm gegenüber der Längsachse L der Antriebswelle auswandert.
Das beschriebene erfindungsgemäße Prinzip, also das Verschwenken einer Scheibe um eine Schwenkachse, die exzentrisch bezüglich der Mittelebene dieser Scheibe angeordnet ist, läßt sich selbstverständlich auch auf solche Axialkolbenverdichter anwenden, bei denen die Gleitsteine der Kolben nicht unmittelbar an der Schrägscheibe selbst angreifen, sondern an einer drehbar auf der Schrägscheibe gelagerten Taumelscheibe.
Bezugszeichenliste
  • 10: Gehäuse
  • 12: Antriebswelle
  • 14: Schrägscheibe
  • 16: Zylinder
  • 18: Kolben
  • 20: Gleitstein
  • 22: Planfläche
  • 24: Schwenkfläche
  • 26: Aufnahmefläche
  • A: Außendurchmesser Schrägscheibe
  • A': Scheinbarer Außendurchmesser der Schrägscheibe
  • C: Schwenkachse
  • L: Längsachse der Antriebswelle
  • R: Restfläche
  • Ü: Überstehende Fläche
  • V: Versatz
  • Z: Längsachse von Kolben und Zylinder
  • α: Schwenkwinkel
  • ϕ: Drehwinkel der Schrägscheibe

    • Claims (4)

    1. Axialkolbenverdichter mit einer Antriebswelle (12), einer Scheibe (14), die auf der Antriebswelle so gelagert ist, dass sie relativ zur Antriebswelle um eine Schwenkachse (C) verschwenkt werden kann, und mindestens einen Kolben (18), wobei die Schwenkachse (C) der Scheibe (14) exzentrisch bzgl. der Mittelebene der Scheibe angeordnet ist,
      dadurch gekennzeichnet, dass
      der Kolben (18) mit mindestens zwei Gleitsteinen (20) versehen ist, die auf einer Laufbahn auf der Scheibe (14) gleiten, wobei der Kolben (18) die Gleitsteine (20) C-förmig umgreift, und dass die Schwenkachse (C) der Scheibe (14) als Teil eines auf der Antriebswelle längsverschieblich gelagerten Gelenks auf der Längsachse (L) der Antriebswelle (12) und bzlg. der Mittelebene der Scheibe auf der dem Kolben (18) zugewandten Seite liegt, um die Scheibe (14) relativ zu den Gleitsteinen (20) so zu bewegen, dass die Laufbahn der Gleitsteine (20) nicht oder nur geringfügig über den Scheibenrand hinausreicht.
    2. Axialkolbenverdichter nach Anspruch 1,
      dadurch gekennzeichnet, dass
      die Scheibe eine Schrägscheibe (14) ist, die von der Antriebswelle (12) in Drehung versetzt werden kann und deren Schwenkwinkel (α) bzgl. der Antriebswelle eingestellt werden kann.
    3. Axialkolbenverdichter nach Anspruch 1 oder 2,
      dadurch gekennzeichnet, dass
      die Scheibe eine Taumelscheibe ist, die drehbar auf einer Schrägscheibe angebracht ist und deren Schwenkwinkel bzgl. der Antriebswelle demjenigen der Schrägscheibe entspricht.
    4. Axialkolbenverdichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
      dadurch gekennzeichnet, dass
      bei einem Abstand zwischen der Längsachse (L) der Antriebswelle und der Längsachse (Z) der Kolben von 30 mm, einem Durchmesser der an der Laufbahn anliegenden Planfläche (22) der Gleitsteine (20) von 8 mm und einem maximalen Schwenkwinkel (α) zwischen der Längsachse der Antriebswelle und der Mittelachse der Scheibe von 18° der Abstand zwischen der Mittelebene der Scheibe und der Schwenkachse der Scheibe (14) nicht größer als etwa 1 mm ist.
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