Ein
derartiger Axialkolbenverdichter ist zum Beispiel aus der
DE 197 49 727 A1 bekannt.
Dieser umfaßt
ein Gehäuse,
in dem in einer kreisförmigen Anordnung
mehrere Axialkolben um eine rotierende Antriebswelle herum angeordnet
sind. Die Antriebskraft wird von der Antriebswelle über einen
Mitnehmer auf eine ringförmige
Schwenkscheibe und von dieser wiederum auf die parallel zur Antriebswelle translatorisch
verschiebbaren Kolben übertragen. Die
ringförmige
Schwenkscheibe ist an einer axial verschieblich an der Antriebswelle
gelagerten Hülse schwenkbar
gelagert. In der Hülse
ist ein Langloch vorgesehen, durch das der erwähnte Mitnehmer hindurchgreift.
Somit ist die axiale Beweglichkeit der Hülse auf der Antriebswelle durch
die Abmessungen des Langloches begrenzt. Eine Montage erfolgt durch
ein Hindurchstecken des Mitnehmers durch das Langloch. Antriebswelle,
Mitnehmer, Schiebehülse
und Schwenkscheibe sind in einem sog. Triebwerksraum angeordnet,
in dem gasförmiges
Arbeitsmedium des Verdichters mit einem bestimmten Druck vorliegt.
Das Fördervolumen
und damit die Förderleistung
des Verdichters sind abhängig
vom Druckverhältnis
zwischen Saugseite und Druckseite der Kolben bzw. entsprechend abhängig von
den Drücken
in den Zylindern einerseits und im Triebwerksraum andererseits.
Der
erwähnte
Mitnehmer dient sowohl zur Drehmomentübertragung zwischen Antriebswelle und
Schwenkscheibe als auch zur axialen Abstützung der Kolben, d.h. zur
Gaskraftabstützung.
Die Konstruktion gemäß der
DE 197 49 727 A1 geht
aus von einer älteren
Konstruktion, zum Beispiel gemäß der
DE 44 11 926 A1 ,
bei der der Mitnehmer zweiteilig ausgebildet ist, wobei ein an der
Antriebswelle befestigter erster Mitnehmerteil mit erheblichem Abstand neben
der Schwenkscheibe angeordnet ist und ein zweiter, in den ersten
gelenkig eingreifender Mitnehmerteil einen seitlichen Fortsatz der
Schwenkscheibe bildet. Diese Bauweise hat den Nachteil, dass sie
die axiale Mindestlänge
des Verdichters wesentlich mitbestimmt. Außerdem hat die einen verdickten
Nabenteil aufweisende Schwenkscheibe durch ihren seitlichen Fortsatz
ein verhältnismäßig großes Trägheitsmoment
mit einem erheblich von der Antriebsachse entfernt liegenden Schwerpunkt,
so dass eine plötzliche
Veränderung
der Drehgeschwindigkeit mit entsprechender Trägheit zu einer Neigungsverstellung
der Schwenkscheibe führt.
Weiterhin bewirkt der von der Kippachse entfernte Schwerpunkt eine
Unwucht, da das Triebwerk nur für
einen (vorzugsweise) mittleren Schwenkscheiben-Kippwinkel gewuchtet werden
kann. Ganz ähnlich
verhält
es sich bei der Konstruktion nach der
EP 1 172 557 A2 . Auch dort treten die vorgenannten
Nachteile auf, insbesondere auch der Nachteil eines notwendigen
Lagerspiels zwischen Mitnehmer und zugeordneter Aufnahmebohrung.
Dieses Lagerspiel ist erforderlich, um eine Überbestimmung oder Doppelpassung
zu vermeiden. Dementsprechend kann ein solcher Verdichter auch nicht
drehrichtungsunabhängig
betrieben werden. Er weist eine Vorzugsdrehrichtung auf. Andernfalls
würde das
erwähnte
Lagerspiel zu unangenehmen Betriebsgeräuschen führen. Außerdem würde dadurch der Verschleiß erheblich
gefördert
werden mit der Folge einer entsprechend verkürzten Lebensdauer des Verdichters.
Problematisch ist bei den vorgenannten Konstruktionen auch noch,
dass die Abstützung
der Gaskraft jeweils abhängig
ist vom Kipp- bzw. Schwenkwinkel der Schwenkscheibe. Des weiteren
ist problematisch, dass die Abstützung
des Mitnehmers von der Antriebswelle deutlich geringer beabstandet
ist als der Kreis, auf dem die Mittelachse der Kolben liegt. Dies
führt zu
einem nicht-linearen Verlauf der Regelcharakteristik, und zwar mit
Maxima oder Wendepunkten.
Gegenüber diesen
bekannten Konstruktionen zeichnet sich der Vorschlag gemäß der
DE 197 49 727 A1 durch
eine wesentlich kompaktere Bauweise aus. Trägheitskräfte werden auf ein Minimum reduziert.
Weiterhin wird auch eine exakte Einhaltung der inneren Totpunktposition
der Kolben gewährleistet.
Sog. „Schadräume" werden verhindert.
Eine bevorzugte Ausführungsform
gemäß der
DE 197 49 727 A1 soll
nunmehr anhand der
18 und
19 näher beschrieben werden. Ein
Axialkolbenverdichter
1 gemäß
18 weist beispielsweise sieben Kolben
2 auf,
die in Umfangsrichtung in gleichem Winkelabstand voneinander angeordnet
und in Zylinderbohrungen
3 eines Zylinderblocks
4 axial
hin- und herbeweglich gelagert sind. Die Hubbewegung der Kolben
2 erfolgt
durch den Eingriff einer zu einer Antriebswelle
5 schräg verlaufenden
ringförmigen
Schwenkscheibe
6 in Eingriffskammern
7, die jeweils
an geschlossene Hohlräume
8 der
Kolben
2 angrenzen. Für
den im wesentlichen spielfreien Gleiteingriff in jeder Schräglage der
Schwenkscheibe
6 sind zwischen dieser und einer sphärisch gewölbten Innenwand
10 der
Eingriffskammer
7 beidseitig Kugelsegmente bzw. kugelsegmentartige
Gleitsteine
11 und
12 vorgesehen, so dass die
Schwenkscheibe
6 bei ihrem Umlauf zwischen ihnen gleitet.
Die Antriebsübertragung
von der Antriebswelle
5 zu der ringförmigen Schwenkscheibe
6 erfolgt
durch einen in der Antriebswelle
5 befestigten Mitnehmerbolzen
13,
dessen beispielsweise kugelförmiger
Kopf in eine Radialbohrung
16 der ringförmigen Schwenkscheibe
6 eingreift.
Dabei ist die Position des Mitnehmerkopfes
15 so gewählt, dass
sein Mittelpunkt
17 -mit demjenigen der Kugelform der Kugelsegmente
11,
12 übereinstimmt.
Außerdem
liegt dieser Mittelpunkt auf einer Kreislinie, die die geometrischen
Achsen der sieben Kolben miteinander verbindet. Auf diese Weise ist
die Totpunktposition der Kolben
2 exakt bestimmt und ein
minimaler schädlicher
Raum gewährleistet.
Die
Kopfform des freien Mitnehmerendes ermöglicht die Veränderung
der Neigung der ringförmigen
Schwenkscheibe 6, indem der Mitnehmerkopf 15 einen
Lagerkörper
für die
die Hubweite der Kolben 2 verändernde Schwenkbewegung der
Schwenkscheibe 6 bildet. Weitere Voraussetzung für ein Verschwenken
der Scheibe 6 ist die Verschiebbarkeit einer Lagerachse 20 in
Richtung der Antriebswelle 5. Hierzu ist entsprechend 19 die Lagerachse 20 durch
zwei gleichachsig beidseitig einer Schiebehülse 21 gelagerte Lagerbolzen 22, 23 gebildet,
die außerdem
in radialen Bohrungen 24, 25 der ringförmigen Schwenkscheibe 6 gelagert
sind. Die Schiebehülse 21 hat
hierzu vorzugsweise beidseitig Lagerhülsen 26, 27,
die den Ringraum 28 zwischen der Schiebehülse 21 und
der ringförmigen
Schwenkachse 6 überbrücken. Die
Begrenzung der Verschiebbarkeit der Lagerachse 20 und die
maximale Schrägstellung
der Schwenkscheibe 6 ergibt sich durch den Mitnehmerbolzen 13,
indem dieser ein in der Schiebehülse 21 vorgesehenes
Langloch 30 durchdringt, so dass die Schiebehülse 21 an
den Enden des Langloches 30 Anschläge findet. Die Kraft für die Winkelverstellung
der Schwenkscheibe 6 und damit für eine Regelung des Verdichter
ergibt sich aus der Summe der jeweils beidseitig der Kolben 2 gegeneinander wirkenden
Drücke,
so dass diese Kraft vom Druck im Triebwerksraum 33 abhängig ist.
Für die
Regelung dieses Druckes kann eine Strömungsverbindung mit einer äußeren Druckgasquelle
vorgesehen sein. Je höher
der Druck an der Triebwerksraumseite der Kolben 2 bzw.
im Triebwerksraum 33 relativ zum Druck auf der gegenüberliegenden
Seite der Kolben 2 ist, um so kleiner wird der Coup der
Kolben 2 und damit die Förderleistung des Verdichters.
Die Einstellung der Position der Schiebehülse 21 und damit des
Hubes der Kolben 2 bzw. die Förderleistung des Verdichters
erfolgt durch mindestens eine mit der Schiebehülse 21 zusammenwirkende
Feder 34, 35. Vorzugsweise ist die Schiebehülse 21 zwischen
zwei Schraubendruckfedern 34, 35 eingeschlossen,
die auf der Antriebswelle 5 angeordnet sind.
Nachteilig
bei der bekannten Konstruktion ist, dass das beschriebene Kontaktprinzip
zwischen Mitnehmer und Schwenkscheibe ein ungleichförmiges Verformungsverhalten
der Schwenkscheiben-Laufseiten bewirkt, welches in der Folge zu
einem entsprechend ungünstigen
Laufverhalten der Gleitsteine auf der Schwenkscheibe führt. Im
Bereich der zylindrischen Bohrung der Schwenkscheibe, in der sich
das kugelförmige
Ende des Mitnehmers abstützt,
kommt es durch die konstruktionsbedingt sehr kleine Restwandstärke zu einer
starken Verformung in diesem Bereich. Dadurch werden die Laufeigenschaften
der Gleitsteine auf der Schwenkscheibe entsprechend beeinträchtigt.
Dieses
Problem wurde bereits erkannt. Zur Vermeidung sind zum Beispiel
in der WO 02/38959 A1 unterschiedliche geometrische Formgebungen zwischen
Mitnehmer und zugeordneter Aufnahmebohrung vorgeschlagen worden.
Insbesondere versucht man, diesem Problem mit stärkerer Dimensionierung (größere Wandstärken) zu
begegnen.
Aus
der
FR 2 782 126 A1 ist
ein weiteres Schwenkscheiben-Triebwerk bekannt, bei dem ein Mitnehmer
in eine Schwenkscheibe hineinragt. Gegenüber dem Stand der Technik nach
der
DE 197 49 727
A1 ist das Kippgelenk der Schwenkscheibe allerdings zur
Antriebswelle hin verlagert. Damit soll ein vorteilhafteres Kräfteverhältnis erhalten
werden. Ein weiterer Vorteil dieser Konstruktion liegt darin, dass das
zugeordnete Gelenk Kräfte
flächig übertragen kann
mit der Folge, dass eine vergleichsweise kleine Bauweise möglich ist.
Zusammenfassend
kann jedoch festgestellt werden, dass sämtlichen bekannten Konstruktionen der
Nachteil anhaftet, dass hohe Axial- und Mitnehmerkräfte auf
engstem Raum wirksam sind.
Dies
führt zu
folgendem Verhalten:
- – Durch den Einfluß der vorerwähnten Kräfte wird der
in der Regel kugelförmige
Kopf des Mitnehmers ( DE
197 49 727 A1 ) an zwei Bereichen erheblicher Flächenpressung
unterworfen;
- – diese
Flächenpressung
tritt auch an den entsprechenden Stellen der Schwenkscheibe auf;
- – durch
die erwähnten
Flächenpressungen
kommt es leicht zu Verformungen, die sich je nach Betriebsbedingungen
unkontrolliert gegenseitig beeinflussen können.
Die
bekannte Mitnehmer/Drehmomentstütze wird
sowohl durch das Drehmoment beaufschlagt als auch durch die Abstützkraft
der Schwenkscheibe als Reaktion auf resultierende Gaskräfte. Beide
Kraft- und Biegemomentverläufe
weisen ihr Maximum im Bereich der Aufnahme an der Antriebswelle
auf. Dementsprechend stark muß die
Antriebswelle dimensioniert sein. Gleiches gilt natürlich auch
für die Dimensionierung
sowohl des Mitnehmers als auch der Schwenkscheibe, insbesondere
im Bereich der Aufnahmebohrung für
den Mitnehmer. Die stärkere Dimensionierung
führt natürlich zwangsläufig zu
entsprechend höheren
Massen und damit Trägheitsmomenten.
Diese können
das Regelverhalten ungünstig beeinflussen
und müssen
kompensiert werden. Die stärkere
Dimensionierung hat auch zur Folge, dass die den Kolben zugeordneten
Gelenkanordnungen größer dimensioniert
sind bzw. größer dimensioniert werden
müssen.
Dies gilt sowohl für
die Gleitsteine als auch für
die Gleitsteinaufnahme in den Kolben und die Kolben selbst.
Da
bei regelbaren Axialkolbenverdichtern nach dem dargestellten Prinzip
der Kolbenanlenkung mittels halbkugelförmiger oder kugelsegmentförmiger Gleitsteine
die äußeren Kugelflächen eine
Kugel- oder im Schnitte eine Kreisform ergeben müssen, ergibt sich die Größe der Planfläche der
kugelsegmentförmigen
Gleitsteine aus der Dicke des Schwenkringes und der Größe der gewählten Kugelgelenke
(Kugeldurchmesser). Die erforderliche Größe der Planfläche der
kugelsegmentförmigen
Gleitsteine wird in der Auslegung durch das Produkt (p × v) errechnet, d.h.
aus dem Produkt aus der Flächenpressung
infolge Gaskraft und der Reibgeschwindigkeit infolge Verdichterdrehzahl.
Aufgrund
der definierten Planfläche
(aus p × v
errechnet) ergibt sich dadurch der Kugeldurchmesser des Gelenkes
bzw. der Gelenkanordnung. Im Resultat wird der Kugeldurchmesser überdurchschnittlich
groß sein,
was zu einem entsprechend langen Kolben, insbesondere im Bereich
der sog. Kolbenbrücke
bzw. des Kolbenfußes
führt.
Durch
den großen
Kolben treten entsprechende Massenkräfte auf, die das Regelverhalten ungünstig beeinflussen
oder durch entsprechende Maßnahmen
(z.B. durch stärkere
Dimensionierung der Schwenkscheibe) kompensiert werden müssen.
Vergleichsweise
große
Kolben und große Gleitsteine
wirken sich auch negativ auf die Wandstärke im Brücken- bzw. Fußbereich
der Kolben aus, da vergleichsweise große Biegemomente wirken. Erhöhte Wandstärken wiederum
verursachen größere Kolbenmassen.
Um
hier Abhilfe zu schaffen, müssen
Maßnahmen
zur Reduzierung der einwirkenden Kräfte getroffen werden.
Dementsprechend
liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Verdichter
der eingangs genannten Art zu schaffen, der ohne Einschränkung der
Funktionssicherheit leichter gebaut werden kann.
Insbesondere
ist es auch Aufgabe, einen Verdichter zu schaffen, der einen Schwenkscheibenmechanismus
aufweist, mit dem axial wirkende Gaskräfte auf Höhe der Krafteinleitung abgestützt werden
können
mit der Folge einer entsprechend vorteilhaften Regelcharakteristik.
Konkret soll erreicht werden, dass der axiale Abstützpunkt
auf oder in der Nähe
des Teilkreises der Kolbenachsen liegt.
Die
Abstützung
der Schwenkscheibe in axialer Richtung soll des weiteren derart
sein, dass sie im wesentlichen stets an der gleichen Stelle erfolgt,
d.h. sich zumindest nicht wesentlich verlagert, wenn die Schwenkscheibe
ihre Neigung ändert.
Die
Konstruktion soll auch keinen limitierenden (insbesondere auch geometrischen)
Einfluß auf die
Dimensionierung der Schwenkscheibe haben. Dies gilt insbesondere
bei Ausbildung der Schwenkscheibe als Schwenkring.
Unwuchten
sollen sich auf einem Minimum befinden. Dementsprechend soll es
möglich
sein, den Bauteilschwerpunkt in den Schwenk- bzw. Kipppunkt zu legen.
Auch
soll die Konstruktion derart sein, dass verschleißintensiver
Punktkontakt bei der Abstützung der
Schwenkscheibe entsteht. Dementsprechend sollen Flächenpressungen
auf ein Minimum reduziert sein, wodurch sich auch Reibung und Hysterese beim
Kippen der Schwenkscheibe auf ein Minimum reduzieren lassen.
Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
kennzeichnenden Maßnahmen
des Anspruches 1 gelöst.
Ein
wesentlicher Kern der vorliegenden Erfindung liegt also darin, dass
die axiale Abstützung der
Kolben bzw. Gaskräfte
außerhalb
der zwischen Kolben und Schwenkscheibe angeordneten Gelenkanordnung
wirksam ist. Konkret weist die Schwenkscheibe zu diesem Zweck vorzugsweise
einen die zwischen Kolben und Schwenkscheibe wirksame Gelenkanordnung übergreifenden,
am Stützelement
anliegenden Stützbogen
auf. Die axiale Abstützung
der Schwenkscheibe erfolgt außerhalb
der Gelenkanordnung, d.h. außerhalb
des Wirkbereiches der vorgenannten Gleitsteine. Der Stützbogen
hat den Vorteil, dass er den Kolbenfuß von einer Seite, nämlich von
radial innen her übergreift
bzw. umfaßt, und
zwar in jeder Schwenklage der Schwenkscheibe kollisionsfrei. Eine
bautechnische Zwängung
für die axiale
Abstützung
im Bereich zwischen den Gleitsteinen, so wie dies beim Stand der
Technik der Fall ist, wird durch die erfindungsgemäße Konstruktion
wirkungsvoll vermieden.
Zu
dem Schwenklager der Schwenkscheibe sei noch erwähnt, dass dieses entweder einen
sich durch eine Langlochbohrung der Antriebswelle hindurcherstreckenden
Gelenkbolzen oder zwei sich relativ zur Antriebswelle diametral
erstreckende Lagerbolzen umfaßt,
die mit ihren antriebswellenseitigen Enden jeweils mit einem längs der
Antriebswelle axial verschieblich gelagerten Schiebekörper verbunden sind.
Der Schiebekörper
kann als Schiebehülse
oder bei einer hohlen Antriebswelle als innerhalb derselben axial
verschieblich gelagerter Schiebezapfen ausgebildet sein. Über dieses
Schwenklager folgt die Drehmomentübertragung von der Antriebswelle
auf die Schwenkscheibe. Die axiale Abstützung der Schwenkscheibe bzw.
Gaskraftabstützung
erfolgt im wesentlichen nur über
den Stützbogen
in Zusammenwirkung mit einem mit der Antriebswelle mitdrehenden
Stützelement,
wobei die axiale Abstützung
in der Regel zusätzlich
noch durch eine oder mehrere Federn unterstützt wird, die entsprechend
dem Stand der Technik an der Antriebswelle zentriert ist bzw. sind
(Stellfeder/Rückstellfeder).
Bei der Ausführungsform
mit einer Hohlwelle und einem Schiebezapfen weist die Welle ebenfalls
zwei gegenüberliegende
Langlöcher
auf, durch die hindurch sich die beiden Lagerbolzen hindurcherstrecken.
Die beiden Enden der vorgenannten Langlöcher stellen zugleich Anschläge für die maximale
axiale Verschiebung der Lagerbolzen dar.
Die
Stützfläche des
Stützbogens
erstreckt sich vorzugsweise etwa konzentrisch zum Mittelpunkt der
zwischen Kolben und Schwenkscheibe wirksamen Gelenkanordnung bzw.
konzentrisch zu den sphärischen
Flächen
der die Gelenkanordnung zwischen Kolben und Schwenkscheibe definierenden
Gelenksteine.
Wie
bereits erwähnt,
erstreckt sich der Stützbogen über die
freie Stirnseite des Kolbenfußes
bei entsprechender Gestaltung der Kolben und Anbindung derselben
an eine Schwenkscheibe bzw. an einen Schwenkring.
Gemäß einer
ersten Alternative gemäß Anspruch
5 dient das Schwenklager der Schwenkscheibe im wesentlichen nur
zur Drehmomentübertragung und
das Stützelement
im wesentlichen nur zur axialen Abstützung der Kolben bzw. Gaskraftabstützung.
Die
beim Stand der Technik vorhandene Funktionsüberlagerung, nämlich
- – Gaskraftabstützung, und
- – Drehmomentübertragung
im
Bereich zwischen Schwenkscheibe und Antriebswelle wird damit vermieden
bzw. entkoppelt. Durch diese Entkoppelung werden die einzelnen Bauteile zur Übertragung
der vorgenannten Kräfte
und Momente entlastet und können
dementsprechend kleiner dimensioniert werden. Insbesondere können auch
Toleranzspiele zwischen den einzelnen Bauteilen exakter eingestellt
und überhöhte Flächenpressungen
vermieden werden. Die axiale Abstützung der Kolben einerseits
und die Übertragung
von Drehmomenten von der Antriebswelle auf die Schwenkscheibe andererseits
wird also erfindungsgemäß unterschiedlichen
Bauteilen zugeordnet.
Der
Stützbogen
kann aber nach einer zweiten Alternative auch innerhalb einer Vertiefung
am Stützelement
angreifen, derart, dass zusätzlich
eine seitliche Führung
gewährleistet
ist. In diesem Fall dient das Stützelement
zugleich zur Übertragung
von Drehmomenten. Diese Konstruktion wird alternativ zu der vorgenannten
Grundidee als unabhängige
Erfindung beansprucht, wonach die Drehmomentübertragung und axiale Abstützung der
Kolben voneinander entkoppelt sind. Es ist also auch denkbar, auf
diese Entkoppelung zu verzichten und einen Stützbogen der vorgenannten Art
vorzusehen, der sowohl für
die Drehmomentübertragung
als auch axiale Abstützung geeignet
ist.
Der
Stützbogen
ist vorzugsweise einstückig mit
der Schwenkscheibe ausgebildet. Er kann jedoch auch als gesondertes
Bauteil mit dieser fest verbunden werden, entweder durch Verschweißen, Verkleben
oder Verschrauben.
In
der Regel ist die Stützfläche des
Stützelements
ebenflächig
ausgebildet. Eine bogenförmige Ausbildung
ist jedoch ebenso gut denkbar, vor allem wenn es gilt, eine durch
die Neigung der Schwenkscheibe bedingte Verlagerung des oberen Totpunktes
der Kolben zu kompensieren.
Die
Stützfläche des
Stützelements
kann bei einer bevorzugten Ausführungsform
durch ein innerhalb desselben schwenkbar gelagertes Kugel- oder Zylinderstift-Segmente
definiert sein, wobei an der Flachseite dieses Elements dann der
Stützbogen
anliegt. Dementsprechend ist die Stützfläche des Stützbogens dann ebenfalls flach
ausgebildet. Bei Veränderung
der Neigung der Schwenkscheibe erfolgt dann sowohl eine Relativbewegung
zwischen Stützbogen
und Kugel- bzw. Zylinderstift-Segment und ein Verkippen dieses Elements
innerhalb des Stützelements.
Der
Vorteil dieser Konstruktion ist, dass in jedem Fall eine flächige Abstützung gewährleistet
ist mit entsprechend geringer Flächenpressung.
Der Vorteil ist korrekt dargestellt. Ein weiterer wesentlicher Vorteil
liegt darin, dass sich die Position des Gelenkes nicht ändert. D.h.,
für alle
Kippwinkel könnte die
Konzentrizität
von Gleitsteinanordnung und Zylinderstiftsegment gewährleistet
sein. Die Bedeutung liegt dabei in der Abstützung der Kolbenkräfte möglichst
nah am Kraftangriffspunkt, und der konstanten Lage der Abstützung. Es
entsteht kein größeres Moment
durch die Positionsänderung.
Da
jedoch der vorgenannte Stützbogen
bei bogenförmiger
Stützfläche einen
relativ großen Durchmesser
aufweist, ist auch bei dieser Konstruktion eine nahezu flächige Abstützung gegeben.
Rein theoretisch erfolgt die Abstützung längs einer Linie.
Praktisch
verbreitet sich unter Druck diese Linie bei einem schmalen Streifen
mit der Folge, dass die spezifische Flächenpressung relativ gering
ist.
Der
Stützbogen
kann an der Stützfläche des Stützelements
durch einen Haltestift oder Haltebügel in Anlage gehalten sein.
Damit wird ein Abheben des Stützbogens
von der Stützfläche des
Stützelements wirksam
verhindert.
Vorzugsweise
wird noch ein sog. „offset" der Abstützung von
Stützbogen
am Stützelement
gegenüber
der durch die zwischen Kolben und Schwenkscheibe wirksamen Gelenkanordnung
definierten Längsachse
bzw. Kolbenlängsachse,
an der sich bei Veränderung
der Neigung der Schwenkscheibe von maximal auf minimal bzw. umgekehrt
einstellt, vorab zumindest teilweise entgegengesetzt eingestellt. Man
kann auf diese Art und Weise den bevorzugten „Nullpunkt" für
das Regelverhalten des Verdichters bestimmen.
Nachstehend
werden bevorzugte Ausführungsformen
der erfindungsgemäßen Konstruktion anhand
der beigefügten
Zeichnungen näher
erläutert.
Diese zeigt in:
1 eine erste Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Schwenkscheiben-Mechanismus für einen
Axialkolbenverdichter für
Fahrzeug-Klimaanlagen in schematischer Perspektivansicht, wobei die
Schwenkscheibe sich in einer Stellung für einen maximalen Kolbenhub
befindet;
2 den Mechanismus gemäß 1 in schematischer Seitenansicht;
3 den Mechanismus gemäß den 1 und 2 in schematischer Perspektivansicht,
wobei sich die Schwenkscheibe in einer Kolben-Minimalhub-Stellung
befindet;
4 den Mechanismus gemäß 3 in Seitenansicht;
5 den Schwenkscheiben-Mechanismus in
einer Stellung entsprechend den 1 und 2, teilweise in Seitenansicht,
teilweise im Schnitt;
6 den Schwenkscheiben-Mechanismus entsprechend 5 in Seitenansicht;
7 den Schwenkscheiben-Mechanismus entsprechend
den 3 und 4, teilweise in Seitenansicht,
teilweise im Schnitt;
8 den Schwenkscheiben-Mechanismus gemäß 7 in Seitenansicht;
9 den Schwenkscheiben-Mechanismus in
Seitenansicht, wobei sich die Schwenkscheibe in einer Zwischenstellung
zwischen minimalem und maximalem Kolbenhub befindet und unter Darstellung
der Zuordnung eines Axialkolbens;
10 das der Schwenkscheibe
zugeordnete Stützelement
in Draufsicht;
11a die zeichnerische Darstellung
der Verschiebung der Abstützung
der Schwenkscheibe auf einem mit der Antriebsachse mitdrehenden
Stützelement,
bedingt durch die Änderung
der Neigung der Schwenkscheibe aus einer Stellung für einen
maximalen Kolbenhub in eine Stellung für einen minimalen Kolbenhub
bzw. umgekehrt;
11b die Darstellung der Änderung
des oberen Totpunktes bei Änderung
der Neigung der Schwenkscheibe aus einer Stellung für maximalen Kolbenhub
in eine Stellung für
minimalen Kolbenhub bzw. umgekehrt;
11c ein bevorzugter Konturverlauf
des Stützbereiches
auf dem Schwenkscheiben-Stützelement;
12 Gaskraftverlauf über den
Drehwinkel der Antriebswelle;
13 ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel
für die
Abstützung
der Schwenkscheibe an einem mit der Antriebswelle mitdrehenden Stützelement
im Schnitt;
14 eine dritte Ausführungsform
eines Schwenkscheiben-Mechanismus
in schematischer Seitenansicht; und
14a, 14b eine gegenüber den 1-8 abgewandelte
Ausführungsform
bzgl. der Axialabstützung
des Schwenkringes im schematischen Längsschnitt und in Seitenansicht.
15 – 17 verschiedene
Ausführungsformen
für eine
Drehmomentübertragung
zwischen Antriebswelle und Schwenkscheibe, jeweils im schematischen
Querschnitt.
In
den 1-8 ist eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Schwenkscheiben-Mechanismus 100 für einen
Axialkolbenverdichter für
Kraftfahrzeug-Klimaanlagen
schematisch dargestellt. Dieser Schwenkscheiben-Mechanismus 100 umfaßt eine
in ihrer Neigung zu einer Antriebswelle 104 verstellbare,
von der Antriebswelle drehangetriebene, im vorliegenden Fall ringförmige Schwenkscheibe 107,
wobei diese sowohl mit einer auf der Antriebswelle 104 axial
verschieblich gelagerten Schiebehülse 108 als auch mit
einem im Abstand von der Antriebswelle 104 mit dieser mitdrehend
angeordneten Stützelement 109 gelenkig
verbunden ist. Diese gelenkige Verbindung ist als Axialabstützung ausgebildet,
wie insbesondere die 2, 4 und 5 bis 8 erkennen
lassen. Die Zusammenwirkung des Schwenkringes 107 mit den
Axialkolben entspricht derjenigen gemäß Stand der Technik, zum Beispiel nach 18.
Das
Schwenklager des Schwenkringes 107 definiert eine sich
quer zur Antriebswelle 104 erstreckende Schwenkachse 101.
Diese Schwenkachse 101 wird des weiteren definiert durch
zwei gleichachsig beidseitig der Schiebehülse 108 gelagerte
Lagerbolzen 102, 103. Diese Lagerbolzen 102, 103 sind
in radialen Bohrungen des Schwenkringes 107 gelagert. Die
Schiebehülse
kann zu diesem Zweck beidseitig zusätzlich Lagerhülsen 105, 106 (siehe
dazu auch 15 und 16) aufweisen, die den Ringraum zwischen
der Schiebehülse 108 und
dem Schwenkring 107 überbrücken. Die
entsprechende Konstruktion entspricht weitgehend dem Stand der Technik
entsprechend den 18 und 19.
Von
Bedeutung ist die axiale Abstützung
des Schwenkringes an dem mit der Antriebswelle 104 mitdrehend
angeordneten Stützelement 109.
Diese Abstützung
erfolgt durch einen am Schwenkring 107 angeordneten, insbesondere
integral mit diesem ausgebildeten Stützbogen 110. Dieser
Stützbogen 110 ist
entsprechend 9 so ausgebildet,
dass er die zwischen Kolben und Schwenkring wirksame Gelenkanordnung übergreift,
und zwar so, dass unabhängig
von der Neigung des Schwenkringes 107 eine Kollision zwischen
diesem und dem Stützbogen 110 einerseits
und dem die vorgenannte Gelenkanordnung umfassenden Kolbenfuß 111 (9) andererseits ausgeschlossen
ist.
Das
Stützelement 109 ist
integraler Bestandteil einer mit der Antriebswelle 104 mitdrehenden Scheibe 112,
und zwar ein gegenüber
der Scheibe erhaben ausgebildetes Kreissegment (siehe dazu insbesondere
die 9 und 10).
Die
Stützfläche des
Bogens 110 erstreckt sich etwa konzentrisch zum Mittelpunkt
der zwischen Kolben und Schwenkscheibe bzw. Schwenkring 107 wirksamen
Gelenkanordnung, wie sie anhand der 18 näher beschrieben
ist. Die axiale Abstützung ist
also außerhalb
der vorgenannten Gelenkanordnung wirksam mit der Folge, dass die
Gelenkanordnung, die zwischen Kolben und Schwenkscheibe bzw. Schwenkring
wirksam ist, durch axiale Abstützungsmaßnahmen
nicht beeinträchtigt
wird. Dies gilt insbesondere für
die Dimensionierung der vorgenannten Gelenkanordnung.
Des
weiteren ist erkennbar, dass bei der dargestellten Ausführungsform
das Schwenklager der Schwenkscheibe bzw. Schwenkringes 107 nur
zur Drehmomentübertragung
und das Stützelement 109 nur
zur axialen Abstützung
der Kolben bzw. Gaskraftabstützung
dienen. Die Drehmomentübertragung
ist also von der Axialabstützung
des Schwenkringes 107 entkoppelt.
In
den 1, 2, 5 und 6 befindet sich der Schwenkring 107 in
einer Neigungs-Position für
maximalen Kolbenhub. Die 3, 4, 7 und 8 zeigen
den Schwenkring 107 in einer Position für einen minimalen Kolbenhub.
Die
in den 6 und 8 eingezeichneten Kreise
in Fortsetzung der Stützfläche des
Stützbogens 110 zeigen,
dass die Stützfläche des
Stützbogens 110 einen
Kreisbogen beschreibt. Davon kann bei Bedarf bewusst abgewichen
werden, um einen vorbestimmten „offset" der Abstützung des Stützbogens 109 von
der Kolbenlängsachse
bei Veränderung
der Neigung des Schwenkringes 107 auszugleichen.
Der
Stützbogen 110 kann
entweder integrales Bauteil des Schwenkringes 107 sein
oder entsprechend den 5-8 als gesondertes Bauteil
mit dem Schwenkring 107 starr verbunden sein. Letztgenannte
Ausführungsform
hat den Vorteil, dass sich der Schwenkring auf beiden Flachseiten
genau schleifen lässt
mit der Folge einer entsprechend hohen Parallelität der beiden
gegenüberliegenden
Laufflächen
für die
eingangs erwähnten
Gleitsteine.
Falls
der Stützbogen 110 auch
zur Drehmomentübertragung
dienen soll, erstreckt sich dieser vorzugsweise in eine entsprechende
Mulde 113 an der dem Stützbogen 110 zugewandten
Seite des Stützelements 109 hinein
(siehe 9 und 10). Die Mulde 113 ist
vorzugsweise als Radialnut ausgebildet.
Wie
jedoch bereits oben erwähnt,
ist es vorteilhaft, wenn die Drehmomentübertragung von der axialen
Gaskraftabstützung
entkoppelt ist.
Zu
diesem Zweck ist es zum Beispiel auch denkbar, die Drehmomentübertragung
zwischen Schiebehülse 108 und
Antriebswelle 104 durch eine Passfeder 114 (15) zu gewährleisten.
Statt einer Passfeder 114 kann entsprechend 16 auch ein sich durch die
Schiebehülse 108 und
die Antriebswelle 104 hindurcherstreckender Querbolzen 115 zur Drehmomentübertragung
dienen, wobei der Querbolzen 115 durch eine Vierkantpassung
im Bereich der Schiebehülse 108 verdrehgesichert
sein kann. Die Vierkantpassung ist in 16 mit
der Bezugsziffer 116 angedeutet.
Bei
der Ausführungsform
nach 17 erfolgt die
Drehmomentübertragung
zwischen Antriebswelle 104 und Schiebehülse 108 wiederum durch
eine Passfeder 114. Im übrigen
zeichnet sich diese Ausführungsform
noch dadurch aus, dass das Schwenklager des Schwenkringes 107 durch
zwei diametral an der Schiebehülse 108 angeformte
Speichen 117 gebildet ist, deren Endflächen sphärisch ausgebildet sind. Diese
sphärischen
Endflächen
korrespondieren mit komplementären
sphärischen
Mulden an der radial inneren Seite des Schwenkringes 107 derart,
dass eine sich quer zur Antriebswelle 104 erstreckende
Schwenkachse 101 für
den Schwenkring 107 relativ zur Schiebehülse 108 und
Antriebswelle 104 definiert ist.
Zwischen
der Schiebehülse 108 und
der das Stützelement 109 tragenden
Scheibe 112 kann noch eine Schraubendruckfeder wirksam
sein.
Der
maximale Kippwinkel des Schwenkringes 107 beträgt etwa
18°, während der
minimale Kippwinkel zwischen etwa 0° und 2° liegt. Die Kippwinkel können durch
Anschläge
vorgegeben sein, insbesondere Anschläge für die axiale Verschiebung der
Schiebehülse 108.
Wie
oben dargelegt, erstreckt sich der Stützbogen etwa konzentrisch zum
Mittelpunkt zwischen Kolben und Schwenkscheibe wirksamen Gelenkanordnung.
Vorzugsweise fällt
der Mittelpunkt der Stützfläche des
Stützbogens 110 mit
dem Mittelpunkt einer durch die Gelenksteine definierten Kugelfläche zusammen.
Dieser Mittelpunkt wiederum liegt auf der Kolbenlängsachse.
In Projektion sollte also die axiale Abstützung bzw. (theoretisch) Stützlinie
auf dem Mittelpunkt der in Projektion kreisförmigen Gleitsteine liegen.
Dieser Mittelpunkt stimmt mit der Kolbenlängsachse überein.
Bei Änderung
der Neigung der Schwenkscheibe bzw. des Schwenkringes 107 vom
minimalen auf den maximalen Kippwinkel und umgekehrt kommt es zu
einer kleinen Relativbewegung der Kontaktfläche des Stützbogens auf dem Stützelement. Diese
Relativbewegung ist in 11a zeichnerisch und
rechnerisch dargestellt. Es kommt auch zu einer Änderung des oberen Totpunktes
(OT). Diesbezüglich
wird auf 11b hingewiesen.
Bei
dem Beispiel gemäß 11a wandert die Kontaktfläche zwischen
Stützbogen 110 und
Stützelement 109 bei
Neigung der Schwenkscheibe bzw. Schwenkringes 107 von einer
minimalen Kippstellung in eine maximale Kippstellung aus einer zentralen
Position Z1, die auf der Kolbenlängsachse
liegt, seitlich heraus in eine Position Z2.
Entsprechend dem Zahlenbeispiel gemäß 11a beträgt dieser seitliche Versatz
etwa 1,8 mm, sofern die Schwenkscheibe bzw. der Schwenkring aus
einer Lage von 90° zur Antriebswelle 104 um
etwa 20° verschwenkt
wird. Dabei wandert das Schwenklager der Schwenkscheibe bzw. des
Schwenkringes 107 aus einer Position L in eine Position
L' längs der
Antriebswelle 104.
Das
dargestellte Beispiel geht davon aus, dass bei Minimalneigung des
Schwenkringes 107 die Kontaktfläche zwischen Stützbogen 110 und
Stützelement 109 im
Projektionszentrum der Gleitsteine bzw. auf Kolbenlängsachse
liegt. Neben einer solchen mittigen Anordnung des Abstützbereiches
ist es natürlich
auch denkbar, einen „offset" vorzusehen, d.h.
die Abstützung
außermittig
anzuordnen, und zwar sowohl in X- als auch in Y-Richtung. Diese „Nulllage" des Abstützbereiches
kann also beliebig vorgesehen sein, zum Beispiel auch so, dass der
vorgenannte Versatz bei Neigung der Schwenkscheibe bzw. des Schwenkringes
kompensiert wird, vor allem dann, wenn die Schwenkscheibe bzw. der
Schwenkring 107 sich aus der Minimal-Lage in die Maximal-Neigungsposition
bewegt. Auch ist es denkbar, die erwähnte „Nulllage" für
einen mittleren Kippwinkel des Schwenkringes 107 vorzusehen.
Wie
bereits vorher erwähnt
und in 11b schematisch
dargestellt, ändert
sich ohne besondere Vorkehrungen bei Änderung des Kippwinkels des Schwenkringes 107 auch
der obere Kolben-Totpunkt. Eine solche Totpunktänderung lässt sich kompensieren, indem
diese Änderung
im Bereich der Kontaktfläche
zwischen Stützbogen 110 und
Stützelement 109 berücksichtigt
wird. Im Zusammenhang mit dem Zahlenbeispiel gemäß 11a ändert
sich das Zentrum der Abstützung
der Schwenkscheibe bzw. des Schwenkringes in X- und Y-Richtung;
d.h. der Stützbereich
bzw. die Kontaktfläche
wandert nach innen und der obere Totpunkt der Kolben verschiebt
sich in Kolbenrichtung (AZ in 11b).
Um dies zu kompensieren, sollte die Stützfläche am Stützelement eine Kompensations-Kontur
aufweisen, wie sie zum Beispiel in 11c dargestellt
ist. Dies bedeutet, dass die Kontaktfläche bei einem Kippwinkel des Schwenkringes 107 von
0° bis zu
einem Kippwinkel von 20° leicht
abfallend ist. Denkbar wäre
auch, den geometrischen Zusammenhang bzw. die vorgenannte Kompensation
an der Kontur bzw. an der Stützfläche des Stützbogens 110 zu
berücksichtigen.
In 12 ist der Gaskraftverlauf über dem Drehwinkel
der Antriebswelle 104 angegeben. Es handelt sich dabei
nur um eine qualitative Betrachtungsweise. In
12 links sind sieben Kolben
bzw. Zylinder eines Axialkolbenverdichters angedeutet. Der obere
Totpunkt der Kolben liegt in 12 zwischen den
Kolben 4 und 5. Im wesentlichen bestimmen die Kolben 3, 4 und 5 durch
Axialkraft und Kippmoment das Kippverhalten der Schwenkscheibe bzw.
des Schwenkringes 107, während die Kolben 1, 2, 6 und 7 diesbezüglich nicht
besonders relevant sind.
Es
ist sinnvoll, den erwähnten „offset" der Schwenkring-Abstützung so
zu wählen,
dass er in etwa unter der Kolbenposition 4 liegt. Damit
weisen alle größeren Gaskräfte, die
auf den Schwenkring einwirken, nur kurze Hebelarme auf. Das Kippen
des Schwenkringes wird vorrangig durch die Axialkräfte bestimmt,
die den Mechanismus in Richtung eines maximalen Kippwinkels drücken und
damit verstellen. Man erreicht weiterhin eine größere Hochdruckunabhängigkeit
des Mechanismus. Durch diese Anordnung wird eine relativ lineare
Regelcharakteristik erhalten.
Zum
Gaskraftverlauf in 12 sei
noch erwähnt,
dass der obere Horizontalverlauf normalerweise mit einem „peak" beginnt, der dann
sehr schnell auf den Horizontalverlauf abnimmt aufgrund der dort
stattfindenden Ventilöffnung.
Die Kontaktfläche
zwischen Stützbogen
und Stützelement
liegt bei dieser Konstellation etwas vor dem geometrischen OT.
Wenn
der Verdichter in beiden Drehrichtungen drehen soll, sollte die
Kontaktfläche
vorzugsweise exakt im geometrischen OT liegen.
Der
Stützbogen 110 erstreckt
sich bei den dargestellten Ausführungsbeispielen
von radial innen nach außen.
Es ist jedoch genauso gut eine umgekehrte Erstreckung denkbar. Entscheidend
ist in beiden Fällen,
dass die Stützfläche des
Stützbogens etwa
kreisbogenförmig
ausgebildet ist, um die vorbeschriebene Konstellation der Axialabstützung zu
erhalten.
In 13 ist eine Ausführungsvariante
für die
Abstützung
des Schwenkringes 107 am Stützelement 109 im schematischen
Schnitt und vergrößertem Maßstab dargestellt.
Diese Ausführungsform zeichnet
sich gegenüber
der vorbeschriebenen Ausführungsform
dadurch aus, dass die Stützfläche des Stützelements 109 durch
ein innerhalb desselben schwenkbar gelagertes Zylinderstift-Segment 118 definiert
ist, an dessen Flachseite 119 der Stützbogen 110 anliegt.
Der Stützbogen 110 ist
bei dieser Ausführungsform
nicht kreisbogenförmig,
sondern etwa U-förmig
ausgebildet.
Der
der Stützfläche des
Stützelements 109 zugewandte
Schenkel ist mit einer ebenen Gleitfläche ausgebildet, die an der
Flachseite 119 des Zylinderstift-Segments 118 anliegt.
Bei Änderung
der Neigung des Schwenkringes erfolgt eine Relativverschiebung zwischen
der Stützfläche des
Stützbogens 110 und
der Flachseite 119 des Zylinderstift-Segments 118 sowie gleichzeitig
ein Verschwenken des Zylinderstift-Segments 118 innerhalb
einer zylinderförmigen
Mulde im Stützelement 109.
In 13 sind zwei unterschiedliche
Schwenklagen des Stützbogens 110 und
damit des Schwenkringes 107 dargestellt. Die Abstützung gemäß 13 ist vorteilhaft hinsichtlich
Verschleißreduzierung
und Reibung. Nachteilig ist, dass das Zylinderstift-Segment nicht
verschieblich ist, wodurch der obere Totpunkt der Kolben nicht exakt
konstant gehalten werden kann. Die Lösung gemäß 13 ist jedoch eine Alternativkonstruktion,
die aus den vorgenannten Gründen
denkbar ist.
Entsprechend
der Ausführungsform
nach 14 kann der Stützbogen 110 an
der Stützfläche des
Stützelements 109 durch
einen Haltestift oder Haltebügel 120 od.
dgl. Haltemittel in Anlage gehalten werden, um ein Abheben des Stützbogens 110 von
der Stützfläche des
Stützelements 109 zu
verhindern. In diesem Fall ist es natürlich zweckmäßig, auch
den dem Schwenkring 107 zugewandten Konturverlauf des Stützbogens 110 kreisbogenförmig auszubilden.
Abschließend sei
noch angemerkt, dass die erfindungsgemäße Grundidee zur axialen Abstützung einer
Schwenkscheibe auch Konstruktionen umfaßt, bei denen der Stützbogen
innen, außen
oder von oben (Zugkraft statt Druckkraft) wirksam ist, wobei sämtlichen
Konstruktionen gemeinsam ist, dass der Stützbogen bzw. die axiale Abstützung des Schwenkringes
bzw. der Schwenkscheibe konzentrisch außerhalb der Gelenksteine bzw.
des Wirkbereichs der Gelenksteine angeordnet und wirksam ist.
Diese
Ausführung
hat nicht nur den Vorteil, dass die Gelenkstein-Anordnung optimal
dimensioniert werden kann, sondern auch den Vorteil einer Kontaktfläche zwischen
einer Ebene und einem Kreisbogen mit relativ großem Durchmesser, wodurch eine
eher flachstreifenartige, d.h. flächige Abstützung erreicht wird.
In
den 14a und 14b ist noch eine Variante
eines Schwenkring-Mechanismus dargestellt, bei dem der Stützbogen 110 radial
außen
am Stützring 107 angesetzt
ist. Wie bereits oben dargelegt, sind diesbezüglich mehrere Varianten denkbar,
solange nur eine kollisionsfreie Axialabstützung gewährleistet ist. Das Abstützprinzip,
wie es anhand der 1 ff. dargestellt
ist, ändert
sich bei dieser Ausführungsform
gemäß den 14a, 14b nicht.
Sämtliche
in den Anmeldungsunterlagen offenbarten Merkmale werden als erfindungswesentlich
beansprucht, soweit sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem
Stand der Technik neu sind.