Rollkolbenverdichter

Abstract

 Bei einem Rollkolbenverdichter ist ein Kolben (3), der in einem Zylinder (2) mit einer größeren Exzentrität als der Differenz der Durchmesser von Zylinder (2) und Kolben (3) angeordnet ist, mit einer rotationssymmetri­schen dünnwandigen Schale (9) aus dauerelastischem Mate­rial abgestützt, deren eines Ende (11) mit dem Kolben (3) verbunden und deren anderes Ende (24) mit einem außen kreisrunden Körper (25) gehalten ist, an dem eine Antriebswelle (31) angreift.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen Rollkolbenverdichter mit einem Zylinder, in dem ein dünnwandiger, radial federn­der Kolben mit Kreisquerschnitt mit einer radialen Abstützung von einer Antriebswelle exzentrisch bewegt wird, wobei die Exzentrität größer als die halbe Diffe­renz der Durchmesser des Zylinders und des Kolbens ist.

[0002] Bei dem aus der DE-OS 33 43 908 bekannten Rollkolbenver­dichter der obengenannten Art wird die zylindrische Kolbenwand von mehreren, an ihrem Umfang verteilten Rollen relativ kleineren Durchmessers geführt. Diese Konstruktion ist fertigungstechnisch aufwendig. Daraus ergibt sich die Aufgabe der Erfindung, eine weniger auf­wendige, darüber hinaus auch möglichst verschleißfreie Abstützung zu schaffen, die radiale Verformungen, soge­nannte Ovalisierungen, des Kolbens ermöglicht, um durch die dabei entstehende Anpreßkraft eine große innere Dichtigkeit zwischen Zylinder und Kolben zu erhalten.

[0003] Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß die Abstützung eine rotationssymmetrische, dünnwandige Schale aus dauer­elastischem Material, insbesondere nichtrostendem Stahl, umfaßt, deren eines Ende mit dem Kolben verbunden ist und deren anderes Ende mit einem außen kreisrunden Körper gehalten ist, an dem die Antriebswelle angreift.

[0004] Mit der Erfindung entsteht eine in radialer Richtung nachgiebige Halterung, sogenannte elastische Bettung, die trotz ihrer lokalen Nachgiebigkeit insgesamt eine große Kraftübertragung ermöglicht. Gegenüber dem Bekannten kann die Zahl der notwendigen Wälzlager ganz wesentlich verringert werden. Zusätzlich ergibt sich der Vorteil einer gleichmäßigen Verteilung der Radialkraft­übertragung von der Druckschale auf den Rollkolben.

[0005] Der außen kreisrunde Körper, der die für die Anpreßkraft gewünschte "Normalform" der Schale gewährleistet, kann ein radial nach innen verlaufender Bund der Schale sein, so daß ein einstückiger Bauteil vorliegt. Man kann aber auch mehrere, fertigungstechnisch günstige Teile mit­einander verbinden.

[0006] Die Schale ist vorteilhaft ein hohler gerader Zylinder oder ein Konus mit einem Öffnungswinkel von weniger als 20°, weil solche Formen einfach herzustellen sind. Darüber hinaus sind aber auch andere Formen denkbar, die besonderen Ansprüchen genügen. Zum Beispiel kann die Schale auch einen U-förmigen Querschnitt aufweisen, um eine biegemomentfreie Übertragung der Querkraft auf ein Wälzlager zu ermöglichen.

[0007] Die Schale kann mit dem Kolben durch einen Ring mit Schmiereigenschaft verbunden sein. Damit wird ein Abstand zwischen Kolben und Schale eingestellt, der eine in weiten Bereichen unabhängige Verformung zuläßt. Gleichzeitig verringert die Schmiereigenschaft des Ringes den Verschleiß an der Stelle der Kraftübertragung von der Schale auf den Kolben. Als Ring mit Schmier­eigenschaft kann ein Kunststoffring, ein Ring aus Kohle oder Graphit oder auch ein Sintermetallring eingesetzt werden.

[0008] Der Ring kann über das freie Ende der Schale hinausragen, so daß er als Dichtkante an der Stirnwand des Zylinders entlang läuft. Dabei kann der Kolben und/oder die Schale an ihrem freien Ende mit einer Vertiefung und/oder einer Erhöhung versehen sein, an der der Ring befestigt ist. Man kann den Ring auch vorteilhaft aus zwei federnd gegeneinander beweglichen Teilen zusammensetzen, um eine gewisse Anpreßkraft zu erreichen, mit der der in axialer Richtung äußere Teil als Kolbenring an der Stirnwand des Zylinders anliegt.

[0009] Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfin­dung besteht darin, daß zwei Schalen mit entgegengesetzt gerichteten freien Enden durch einen gemeinsamen Halte­körper zusammengefaßt sind. Sie hat den Vorteil einer symmetrischen Krafteinleitung, mit der unerwünschten Biegemomente vermieden werden könne. Die freien Enden sollen dabei bei etwa ein und vier Fünftel der axialen Länge des Kolbens liegen.

[0010] Zwischen dem Bund und der Antriebswelle kann eine Exzen­terbüchse verdrehbar angeordnet sein. Damit kann die Exzentrizität genau justiert werden, so daß die Ferti­gungstoleranzen grob sein können. Es ist ferner möglich damit Verschleiß auszugleichen, der bei längerem Betrieb auftreten könnte.

[0011] Die Schale kann vorteilhaft Ausnehmungen aufweisen, die eine Kühlluftströmung zur Kolbeninnenseite ermöglichen. Vorzugsweise sind die Ausnehmungen rund, insbesondere kreisrund. Ihre lichte Weite sollte höchstens ein Zehn­tel des Durchmessers der Schale betragen, um die ge­wünschte gleichmäßige Elastizität nicht zu beeinträch­tigen.

[0012] Zur näheren Erläuterung der Erfindung werden anhand der Zeichnung Ausführungsbeispiele beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 einen Schnitt durch einen Rollkolbenverdichter in Tandembauweise längs der Antriebswelle,

Fig. 2 einen Querschnitt zur Fig. 1,

Fig. 3 eine geänderte Ausführungsform in einem Teil­schnitt längs der Antriebswelle,

Fig. 4 eine weitere Ausführungsform in einem Teil­schnitt längs der Antriebswelle,

Fig. 5 eine Einzelheit der Steuerung des Rollkolben­verdichters und

Fig. 6 einen Einschub für die Steuerung des Roll­kolbenverdichters nach der Erfindung.

[0013] Der Rollkolbenverdichter nach Fig. 1 ist zur Aufladung von Kfz-Motoren, insbesondere von Dieselmotoren vorge­sehen. Er besitzt ein Aluminiumgehäuse 1, das den Zylin­der 2 für einen Rollkolben 3 mit zwei gegeneinander ver­setzten Kolbenteilen 4 und 5 bildet. Die Kolbenteile 4 und 5 sind gleich ausgebildet. Der Zylinder 2 hat einen Innendurchmesser von 166 mm.

[0014] Jeder Kolbenteil 4, 5 umfaßt ein zylindrisches Rohr 8 aus kaltverfestigtem nichtrostendem Stahl mit einer Wandstärke von 1,2 mm und einem Durchmesser von 145 mm. Innerhalb des Rohres 8 sitzt als Abstützung in Form einer rotationssymmetrischen dünnwandigen Schale 9 ein ebenfalls zylindrisches Rohrstück 10 mit einer Wanddicke von 0,3 mm aus dem gleichen Material. Das Rohrstück 10 hat einen um den Abstand A kleineren Druchmessers als das Rohr 8. Der Abstand A beträgt zum Beispiel 2 mm. Er wird durch zweiteilige symmetrische Kunststoffringe 12 und 13 eingestellt, die an den freien Enden 11 der Schale 9 sitzen. Die freien Enden 11, die die Stützkraft auf die Kolbenteile 4, 5 übertragen, liegen symmetrisch zu diesen bei etwa 20 und 80 % von deren Länge L.

[0015] Die Ringe 12, 13 bestehen aus faserverstärktem Kunst­stoff und haben den aus der Fig. 1 ersicchtlichen Quer­schnitt. Er bildet ein Distanzstück 15, das unmittelbar zwischen der Schale 9 und dem Rohr 8 liegt, und einen geschlitzten Bereich 16, in dessen Schlitz 17 eine metallische Federklammer 18 eingesetzt ist. Mit der Federklammer 18 ist eine über das Rohr 8 hinausgrei­fende Verlängerung 19 unter axialen Federdruck gesetzt, die als Kolbenring mit einer Dichtfläche 20 an der Stirnwand 21 des Zylinders 2 anliegt. Dort ist die Aluminium-Stirnwand 21a des Gehäuses 1 mit verschleiß­beständigen Stahlringen 22 gepanzert.

[0016] In der Mitte des Rohrstückes 10, die hier das den freien Enden 11 abgekehrte Ende 24 der Schale 9 bildet, ist ein außen kreisrunder Radkörper 25 eingesetzt, der z.B. aus Aluminium besteht. Der Radkörper 25 kann mit der Schale 9 verklebt sein, um eine in axiale Richtung feste Verbindung zu erhalten. Er kann aber auch einfach auf der Innenseite der Schale 9 ohne Spiel oder mit geringem Spiel gleitend anliegen. Der Radkörper 25 kann am Außenumfang mit einer harten oder weichen Verschleiß­schutzschicht versehen sein, oder aber einen ringförmi­gen verschleißbeständigen Zwischenring 25A aus beschich­tetem Stahl oder aus faserverstärktem Kunststoff auf­weisen. Die Schale 9 kann an der Kraftübertragungsstelle auch örtlich verstärkt sein auf zum Beispiel 2 mm Wand­dicke.

[0017] In einer Ausnehmung 28 des Radkörpers 25 ist ein gekap­seltes Kugellager 26 mit einem Sprengring 27 befestigt. Das Kugellager 26 sitzt auf einem gekröpften Teil 30 einer Antriebswelle 31 aus Stahl, die außerhalb des Gehäuses 1 eine Keilriemenscheibe 32 trägt. Die Antriebs­welle 31 umfaßt ein zentrales geradliniges Wellenstück 34, das den gekröpften Wellenteil 30 mit einem symmetrisch dazu liegenden und entgegengesetzt, d.h. um 180° ver­setzt gekröpften, sonst aber gleich ausgebildeten Wellenteil 35 verbindet. Die Exzentrizität beträgt 10 mm. Auf diesem Wellenstück 35 sitzt ein dem Radkörper 25 gleicher Radkörper, der eine weitere Schale 9 in Form eines Rohrstückes 10 zur Abstützung für den Rollkolben­teil 5 trägt, wie nicht weiter dargestellt ist.

[0018] Die Fig. 1 zeigt, daß die Antriebswelle 31 an ihren bei­den Enden mit Kugellagern 38 in den Stirnwänden 21 des Gehäuses 1 gelagert ist. Unmittelbar benachbart zu den Kugellagern 38 sind zwei Ausgleichsgewichte 39 und 40 auf der Antriebswelle 31 befestigt, mit denen die durch die unterschiedlichen Querkräfte entstehenden Massen­momente an der Antriebswelle 31 ausgeglichen werden. Die Ausgleichsgewichte 39, 40 haben abgeschrägte Stirnseiten, um eine Propellerwirkung zu erzeugen, mit der eine Kühl­luftströmung in Richtung der Pfeile 41 durch den Zylin­der 2 und das Innere der Kolbenteile 4, 5 geführt wird. Durch Ausnehmungen in den Schalen 9 kann diese Kühlluft­strömung direkt an die Innenseite des Kolbens 8 geführt werden, sodaß die Verdichtungswärme nach innen ebenso wie nach außen abgeführt wird und auf diese Weise eine Annäherung der Verdichtungs-Polytrope an eine Isotherme bewirkt wird. Dies spart erheblich an mechanischer An­triebsleistung für den Verdichter.

[0019] Zwischen den beiden Rollkolbenteilen 4 und 5 ist eine Trennwand 42 in den Zylinder 2 eingefügt. Die Trennwand 42 besteht aus Stahl. Sie hat an ihrem Umfang eine Nut 43 mit parallelflankigen Wänden, in die ein Sprengring 44 eingesetzt ist. Der Sprengring 44 greift in eine Nut 45 in der Wand des Zylinders 2. Dies hat den Vorteil, daß der Zylinder 2 vor dem Einsetzen der Trennwand 42 in einem Arbeitsgang für die beiden, den Kolbenteilen 4 und 5 zugeordneten Hälften bearbeitet werden kann. Der Sprengring 44 ist mit einem Flachkantstab 46 gesichert, der von einer Seite her unter der Wirkung einer Feder 47 in eine Ausnehmung gedrückt wird.

[0020] In Fig. 2 ist zu sehen, daß der Radkörper 25 mit Ausneh­mungen 50 versehen ist, die die Kühlmittelströmung er­möglichen sowie eine Gewichtsersparnis bedeuten und zugleich die beim Anfahren in Bewegung zu setzenden Massen verringert. Ferner zeigt die Fig. 2 einen Trenn­schieber 52, der in dem Gehäuse 1 geführt ist und den an einen Ansaugstutzen 53 angeschlossenen Saugraum 54 von dem Druckraum 55 trennt, der über eine Gruppe von Zungenventilen 56 mit dem Druckstutzen 57 des Roll­kolbenverdichters verbunden ist. Kühlrippen 1a verbes­sern die Wärmeabfuhr aus dem Gehäuse 1 vor allem im Bereich des Druckraumes 55.

[0021] Um den Verschleiß des aus Kunststoff bestehenden Trenn­schiebers 52 gegen das Aluminiumgehäuse 1 zu mindern, kann eine stählerne Leiste 52a eingesetzt werden, die in der Länge über das ganze Gehäuse 1 durchläuft. Den Ver­schleiß des Trennschiebers 52 an den Rollkolbenteilen 4, 5 wiederum kann ein drehbeweglich aufgesteckter Gleit­schuh 52b mindern helfen.

[0022] Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 sind zwei Schalen 9' mit entgegengesetzt gerichteten freien Enden 11' zu einem symmetrischen Bauteil 58 zusammen­gefaßt, der mit einem radial nach innen verlaufenden Bund 25' in einem Stück hergestellt ist, zum Beispiel als Drehteil. Hierbei ist das Kugellager 26' mit einer Exzenterbüchse 60 auf der Antriebswelle 31' befestigt, die mit einem Flansch 61 verstellt werden kann. Die Exzenterbüchse 60 gestattet mit einer zusätzlichen Exzentrizität von ± 1 mm eine genaue Einstellung der Abstützung des Rollkolbens 3, mit der auch ein denkbarer Verschleiß ausgeglichen werden kann. Mit der Exzenter­büchse 60 steht ein Gegengewicht 40' in Verbindung, das mit einer Mutter 64 festgeklemmt werden kann. Die An­triebswelle 31' hat hier einen linsenförmigen Quer­schnitt, wie bei 65 angedeutet ist. Zwischenringe 15' aus Kunststoff sind in eine von innen her eingedrehte 0,4 mm tiefe Nut 8a des Rohres 8 eingeschnappt. Sie werden dort durch die Schalen 9' eingekammert, sodaß sie axial festgelegt sind.

[0023] Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 hat der Schalen­körper 9'' einen U-förmigen Querschnitt. Deshalb liegt das mit einem Ring 12' versehene freie Ende 11'' des Schalenkörpers 9'' in derselben Radialebene wie das zu einem Bund verdickte andere Ende 67, das mit einem Doppel­kugellager auf der Antriebswelle 31'' befestigt ist.

[0024] Die Fig. 5 zeigt, daß zwei Trennschieberteilen 52A und 52B eines Rollkolbenverdichters mit Tandemanordnung über eine in sich federnde Wippe 70 gesteuert werden können, die zentrisch in einem Wippenlager 71 gelagert ist und auf Höcker 72 und 73 der beiden Trennschieberteile 52A, 52B wirkt. Die Wippe 70 kann zusätzlich unter der Wir­kung einer Feder stehen. Man kann ferner eine Nachstell­möglichkeit 74 in Form einer Nachstellschraube vorsehen, mit der das Wippenlager 71, das an einem einarmigen Hebel 75 vorgesehen ist, in Richtung auf die Trenn­schieberteile 52A und 52B verstellt werden kann.

[0025] In Fig. 6 ist dargestellt, daß in dem aus Aluminium be­stehenden Gehäuse 1 des Rollkolbenverdichters ein aus nichtrostendem Stahl bestehender Einschub 80 vorge­sehen ist. Der Einschub 80 bildet einmal die Führung für den Trennschieber 52 mit einer Nut 81. Ferner ist mit einer weiteren Nut 82 ein Ansaugkanal geschaffen. Schließlich ist auf der gegenüberliegenden Seite des Einschubs 80 ein Rückschlagventil 56' befestigt, das auch mehrere Durchlaßquerschnitte mit getrennten Ventil­gliedern haben kann. Der Einschub 80 ist mit einer Schraube 85 festgelegt, die in eine Gewindebohrung 86 greift. Die Schraube 86 kann auch zur Festlegung der Wippe 70 dienen, die mit der Justiereinrichtung 74 auf eine geeignete Distanz gegenüber dem Trennschieber 52 gebracht wird.

[0026] Nicht dargestellt ist die Möglichkeit, die Schale 9 beidseitig in Trompetenform geringfügig konisch (Öff­nungswinkel 3° zur Wellenmitte hin) aufzuweiten, zum Beispiel vom Außendurchmesser 138 auf 142 mm, um die Enden 11 im Durchmesser an den Innendurchmesser des Kolbens 3 (142 mm) anzugleichen. Zu diesem Fall entfällt ein Kunststoff-Zwischenring 12, 13. Dafür empfiehlt sich eine verschleißbeständige Panzerung zum Beispiel durch eine Detonationsbeschichtung mit Chromcarbid in einer Cr-Ni-Matrix.

Ansprüche

1) Rollkolbenverdichter mit einem Zylinder, in dem ein dünnwandiger, radial federnder Kolben mit Kreisquer­schnitt mit einer radialen Abstützung von einer Antriebs­welle exzentrisch bewegt wird, wobei die Exzentritität größer als die halbe Differenz der Durchmesser von Zylinder und Kolben ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Abstützung eine rotationssymmetrische, dünnwan­dige Schale (9) aus dauerelastischem Material, insbe­sondere nichtrostendem Stahl, umfaßt, deren eines Ende (11) mit dem Kolben (3) verbunden ist und deren anderes Ende (24) mit einem außen kreisrunden Körper (25) gehalten ist, an dem die Antriebswelle (31) angreift.

2) Rollkolbenverdichter nach Anspruch 1,,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Körper ein radial nach innen verlaufender Bund (25') der Schale (9') ist. (Fig. 3)

3) Rollkolbenverdichter nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Schale (9) als hohler gerader Zylinder oder Konus mit einem Öffnungswinkel von weniger als 20° ausgebildet ist.

4) Rollkolbenverdichter nach Anspruch 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Schale (9) mit dem Kolben (3) durch einen Ring (12, 13) mit Schmiereigenschaft verbunden ist.

5) Rollkolbenverdichter nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Ring (12, 13) über das freie Ende (11) der Schale (90) hinausragt.

6) Rollkolbenverdichter nach Anspruch 4 oder 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Kolben (3) und/oder die Schale (9) mit einer Vertiefung (8a) und/oder Erhöhung versehen ist, an der der Ring (12, 13) befestigt ist.

7) Rollkolbenverdichter nach Anspruch 5 oder 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Ring (12, 13) zwei federnd gegeneinander beweg­liche Teile (15, 19) umfaßt, von denen der in axialer Richtung äußere Teil (19) als Kolbenring an der Stirn­wand (21) des Zylinders (2) anliegt und abdichtet.

8) Rollkolbenverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß zwei Schalen (9') mit entgegengesetzt gerichteten freien Enden (11') durch einen gemeinsamen Bund (25') zusammengefaßt sind. (Fig. 3)

9) Rollkolbenverdichter nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß die freien Enden (11) bei etwa ein und vier Fünftel der axialen Länge (L) des Kolbens liegen.

10) Rollkolbenverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet,
daß zwischen dem Bund (25') und der Antriebswelle (31') eine Exzenterbüchse (6) verdehbar angeordnet ist. (Fig.3)

11) Rollkolbenverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Schale (9) Ausnehmungen aufweist.

12) Rollkolbenverdichter nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Ausnehmungen rund, insbesondere kreisrund sind und eine lichte Weite haben, die höchstens ein Zehntel des Durchmessers der Schale (9) beträgt.

13) Rollkolbenverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 12,
dadurch gekennzeichnet,
daß der außenkreisrunde Körper ein Radkörper (25) mit einer Verschleißschutzschicht (25a) am Außenumfang ist.

14) Rollkolbenverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 13,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Schale (9) im Bereich des kreisrunden Körpers (25) verstärkt ist.

Zeichnung