DE102008024669B4

DE102008024669B4 - Kältemittelverdichteranordnung

Info

Publication number: DE102008024669B4
Application number: DE102008024669.7A
Authority: DE
Inventors: Frank Holm Iversen; Dirk Sommer; Marten Nommensen; Ekkehard Handke
Original assignee: Secop GmbH
Current assignee: Secop GmbH
Priority date: 2008-05-21
Filing date: 2008-05-21
Publication date: 2015-10-01
Anticipated expiration: 2028-05-22
Also published as: DE102008024669A1

Abstract

Kältemittelverdichteranordnung mit einem Motor, der einen Stator, einen Rotor und eine mit dem Rotor verbundene Kurbelwelle aufweist, einem Zylinderblock, der über einen Träger am Stator befestigt ist und einen Zylinder mit einer Zylinderachse aufweist, und einem Kalottenlager, mit dem die Kurbelwelle im Träger gelagert ist, wobei das Kalottenlager einen Kalottenring, dessen Umfangsfläche einen Teil einer Kugeloberfläche mit einem ersten Radius bildet, und eine Lagerschale, in der der Kalottenring angeordnet ist, aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerschale (18) mindestens zwei Kontaktpunkte (21, 22) mit dem Kalottenring (17) aufweist und zumindest im Bereich der Kontaktpunkte (21, 22) einen Teil einer Kugeloberfläche mit einem zweiten Radius, der größer als der erste Radius ist, bildet, wobei die Kontaktpunkte (21, 22) in einer Ebene, die durch die Achse (20) der Kurbelwelle (5) und die Zylinderachse (23) oder eine Parallele zur Zylinderachse (23) aufgespannt ist, entlang einer Geraden (24) angeordnet sind, die mit der Zylinderachse (23) einen vorbestimmten spitzen Winkel (α) einschließt, wobei der Kalottenring (17) eine geneigte Abstützung in der Lagerschale (18) hat.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kältemittelverdichteranordnung mit einem Motor, der einen Stator, einen Rotor und eine mit dem Rotor verbundene Kurbelwelle aufweist, einem Zylinderblock, der über einen Träger am Stator befestigt ist und einen Zylinder mit einer Zylinderachse aufweist, und einem Kalottenlager, mit dem die Kurbelwelle im Träger gelagert ist, wobei das Kalottenlager einen Kalottenring, dessen Umfangsfläche einen Teil einer Kugeloberfläche mit einem ersten Radius bildet, und eine Lagerschale, in der der Kalottenring angeordnet ist, aufweist.
Eine derartige Kältemittelverdichteranordnung ist beispielsweise aus US 6 095 768 A bekannt. Hier ist der Kalottenring mit Hilfe eines festen Ringsegments und eines elastischen Federelements im Träger gelagert, der einstückig mit einem Teil eines Verdichterblocks ausgebildet ist. Das Ringsegment weist eine dem Kalottenring angepasste kugelformige Innenoberflache auf, die auf der dem Zylinder abgewandten Seite der Kurbelwelle angeordnet ist und die eine gute Aufnahme der in Richtung der Zylinder wirkenden Kompressionskräfte erlaubt. Wenn jedoch großere seitliche oder in Richtung der Kurbelwellenachse wirkende Krafte auftreten, besteht die Gefahr, dass der Kalottenring aus dem Ringsegment oder dem Verdichterblock herausgedruckt wird. Darüber hinaus ist die Konstruktion eines derartigen Lagers relativ aufwendig.
Es sind auch Kalottenlager bekannt, bei denen die mit der Kugeloberflache des Kalottenrings zusammenwirkende Lagerflache in einem unterteilten Lagerschild ausgebildet ist. Dies erlaubt zwar eine wesentlich einfachere Konstruktion. Fur das den Kurbelzapfen benachbarte Hauptlager einer Kurbelwelle eines Kaltemittelverdichters hat diese Ausgestaltung jedoch den Nachteil, dass eine ausreichende Aufnahme der Kompressionskräfte gleichzeitig eine Beeintrachtigung der Leichtgängigkeit des Lagers und damit einen erhohten Verschleiß mit sich bringt.
Aus DE 103 17 458 B4 ist ein Kaltemittelkompressor und ein Verfahren zum Herstellen eines Kältemittelkompressors bekannt. Der Kältemittelkompressor weist einen in einer Kapsel angeordneten Motor mit einem Stator und einem Rotor auf. Der Rotor ist mit einer Motorwelle verbunden, die in der Kapsel gelagert ist. Ein Kolben ist uber einen Kurbelbetrieb mit der Motorwelle verbunden. Der Kolben wird in einem Zylinderrohr eines Verdichters hin und her bewegt. Der Verdichter ist in einer becherformigen, geschlossenen Montagebuchse angeordnet, die in einer Begrenzungswand der Kapsel eingesetzt und mit der Kapsel verbunden ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfache Lageranordnung mit geringem Verschleiß fur die Kurbelwelle anzugeben.
Diese Aufgabe wird bei einer Kaltemittelverdichteranordnung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die Lagerschale mindestens zwei Kontaktpunkte mit dem Kalottenring aufweist und zumindest im Bereich der Kontaktpunkte einen Teil einer Kugeloberfläche mit einem zweiten Radius, der größer ist als der erste Radius, bildet, wobei die Kontaktpunkte in einer Ebene, die durch die Achse der Kurbelwelle und die Zylinderachse oder eine Parallele zur Zylinderachse aufgespannt ist, entlang einer Geraden angeordnet sind, die mit der Zylinderachse einen vorbestimmten spitzen Winkel einschließt, wobei der Kalottenring eine geneigte Abstutzung in der Lagerschale hat.
Mit dieser Ausgestaltung erreicht man eine leichtgängige Lagerung des Kalottenrings in der Lagerschale und gleichzeitig eine sehr gute Aufnahme der im Betrieb der Kaltemittelverdichteranordnung bei einer Kompression eines Kältemittels auftretenden Kräfte. Der Kalottenring hat sozusagen eine schiefe oder geneigte Abstützung in der Lagerschale. Das Risiko, dass die im Betrieb der Kältemittelverdichteranordnung auftretenden Kräfte den Kalottenring aus der Lagerschale herausdrücken, ist dementsprechend wesentlich verkleinert. Da die Lagerschale mit einem großeren Radius als der Kalottenring ausgebildet ist, kann der Kalottenring auch mit einer ausreichenden Tiefe in die Lagerschale eintauchen, so dass er sich einerseits relativ frei bewegen kann, andererseits aber sichergestellt ist, dass er in der Lagerschale verbleibt.
Dies gilt insbesondere dann, wenn der dem Zylinder zugewandte Kontaktpunkt eine großere Entfernung zur Zylinderachse aufweist als der vom Zylinder abgewandte Kontaktpunkt. Der vom Zylinder abgewandte Kontaktpunkt muss die bei einer Kompression eines Kaltemittels im Zylinder auftretenden Krafte aufnehmen. Der dem Zylinder zugewandte Kontaktpunkt muss hingegen nur die bei einem Saughub auftretenden Krafte aufnehmen. Diese sind wesentlich geringer. Durch die Neigung der Geraden wird also bei einem Druckhub oder Kompressionshub der Kalottenring fester in die Lagerschale hineingedruckt. Bei einem Saughub hingegen reichen die auftretenden Kräfte nicht aus, um den Kalottenring aus der Lagerschale herauszubewegen.
Vorzugsweise weist der Winkel eine Große im Bereich von 5 bis 10° auf. Die Neigung ist also relativ schwach, so dass der Kalottenring in der Lagerschale sich unter der Wirkung der auftretenden Kräfte ähnlich verhalt wie ein Kalottenring, bei dem die Kontaktpunkte auf einer Geraden parallel zur Zylinderachse liegen. Durch die geringe Neigung wird aber der Kalottenring mit einer hohen Zuverlässigkeit in der Lagerschale gehalten.
Vorzugsweise weist ein Dreieck, das durch die Kontaktpunkte und einen Mittelpunkt des Kalottenrings aufgespannt ist, zwei Winkel im Bereich von 10 bis 15° auf. Je großer diese Winkel sind, desto leichtgängiger kann sich der Kalottenring in der Lagerschale drehen. Gleichzeitig nehmen aber bei einem größeren derartigen Winkel die Kräfte senkrecht zur Zylinderachse zu, die bei einer in Richtung der Zylinderachse wirkenden Belastung entstehen. Diese Kräfte versuchen, den Kalottenring aus der Lagerschale herauszudrücken. Wenn der Winkel kleiner ist, nehmen diese Kräfte ab, jedoch kann es dann zu Verklemmungen des Kalottenrings in der Lagerschale kommen. Der angegebene Bereich bezuglich der spitzen Winkel im annähernd gleichschenkligen Dreieck bildet diesbezüglich ein Optimum.
Vorzugsweise weist der Kalottenring im Bereich seines größten Durchmessers eine Abflachung auf. Diese Abflachung erleichtert die Herstellung. An dieser Abflachung kann der Kalottenring bei der Herstellung beispielsweise erfasst und gehalten werden. Die Abflachung entlang des ”Äquators” des Kalottenrings kann allerdings nicht mit der Oberfläche der Lagerschale direkt in Kontakt kommen. Dies ist ein weiterer Vorteil bei der Verwendung der spitzen Winkel des oben angegebenen Dreiecks.
Vorzugsweise ist der Kalottenring als Sinterteil ausgebildet. Ein Sinterteil lässt sich relativ preisgünstig herstellen. Ein Sinterteil erlaubt zwar mit vertretbarem Aufwand keine ideale Kugelform seiner Außenoberfläche, die mit der Lagerschale in Kontakt kommt. Da man aber eine Abflachung durchaus hinnehmen kann, spielt dies keine größere Rolle.
Vorzugsweise ist die Lagerschale aus dem Träger herausgeformt. Der Träger kann also als Blechformteil ausgebildet sein, was die Herstellung weiter vereinfacht und kostengünstig gestaltet. Zusätzliche Elemente sind also nicht erforderlich. Mit dem Einsetzen des Kalottenrings in den Träger ist das Kalottenlager sozusagen fertig.
Vorzugsweise ist der Kalottenring durch eine am Träger befestigte Klemmbrille in der Lagerschale fixiert. Die Klemmbrille nimmt Kräfte auf, die entlang der Kurbelwellenachse wirken. Sie spannt den Kalottenring gegenüber der Lagerschale vor, lässt aber eine gewisse Dreh- oder Kippbeweglichkeit des Kalottenrings gegenüber der Lagerschale zu.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Hierin zeigt die
einzige Fig. einen schematischen Querschnitt durch eine Kältemittelverdichteranordnung.
Eine Kältemittelverdichteranordnung 1 weist einen Motor 2 mit einem Stator 3 und einem Rotor 4 auf. Der Rotor 4 ist mit einer Kurbelwelle 5 verbunden, die an ihrem unteren Ende eine Ölpumpe und an ihrem oberen Ende einen Kurbelzapfen 7 aufweist. Der Kurbelzapfen 7 ist über eine Pleuelstange 8 mit einem Kolben 9 verbunden, der in einem Zylinder 10 hin und her bewegbar ist. Der Zylinder 10 ist in einer Montagehulse 11 angeordnet und bildet mit ihr eine Zylindereinheit 12. Die Zylindereinheit 12 weist einen schematisch dargestellten Zylinderkopf 13 auf.
Auf dem Stator 3 des Motors 2 ist ein Trägerelement 14 befestigt. Auf dem Trägerelement 14 ist ein Verstärkungselement 15 befestigt. Das Trägerelement 14 und das Verstärkungselement 15 sind als Blechformteile ausgebildet, wobei das Verstärkungselement 15 eine großere Materialstärke als das Trägerelement 14 aufweist. Das Trägerelement 14 und das Verstärkungselement 15 sind durch ein Kaltumform-Fügeverfahren miteinander verbunden, beispielsweise durch Toxen oder Clinchen. Das Tragerelement 14 kann mit dem Stator 3 verschweißt sein.
Die Kurbelwelle 5 ist in einem Kalottenlager 16 gelagert. Das Kalottenlager 16 weist einen Kalottenring 17 auf, dessen Umfangsfläche einen Teil einer Kugeloberfläche mit einem ersten Radius bildet. Der Kalottenring 17 ist in einer Lagerschale 18 angeordnet, die aus dem Verstärkungselement 15 herausgeformt ist. Die Lagerschale 18 weist eine Lagerfläche auf, die ebenfalls als Teil einer Kugeloberflache ausgebildet ist, wobei die Kugeloberflache einen zweiten Radius aufweist, der größer ist als der erste Radius.
Der Kalottenring 17 ist mit Hilfe einer Klemmbrille 19, die am Verstärkungselement 15 befestigt ist, in der Lagerschale 18 gehalten. Die Klemmbrille 19 nimmt Kräfte auf, die parallel zur Achse 20 der Kurbelwelle 5 wirken. Derartige Kräfte sind im Betrieb relativ klein. Gleichwohl lässt die Klemmbrille 19 eine gewisse Dreh- oder Kippbeweglichkeit des Kalottenrings 17 gegenüber dem Verstarkungselement 15 zu. Mit ”Drehbeweglichkeit” ist hier keine Rotation des Kalottenrings 17 um die Achse 20 der Kurbelwelle 5 gemeint, sondern eine Verschwenkung des Kalottenrings 17 in der Lagerschale 18 beispielsweise in der Zeichenebene.
Der Kalottenring 17 weist mit der Lagerschale 18 mindestens zwei Kontaktpunkte 21, 22 auf. Der Begriff ”Kontaktpunkt” ist hier aus Grunden der Anschaulichkeit gewählt. Tatsachlich wird der Kalottenring 17 einen gewissen Beruhrungsbereich an diesen Positionen und entlang einer umlaufenden Linie, die die beiden Punkte 21, 22 beinhaltet, mit der Lagerschale 18 haben.
Die Kontaktpunkte 21, 22 liegen in einer Ebene, die durch die Achse 20 der Kurbelwelle 5 und durch eine Achse 23 des Zylinders 10 aufgespannt ist, mit anderen Worten in der Zeichenebene, auf einer Geraden 24, die mit der Achse 23 des Zylinders 10 einen Winkel α einschließt. Dieser Winkel α weist eine Größe im Bereich von 5 bis 10° auf.
Bei Verdichteranordnungen, in denen die Zylinderachse 23 nicht die Kurbelwellenachse 20 schneidet, liegen die Kontaktpunkte 21, 22 in einer Ebene, die durch die Kurbelwellenachse 20 und eine zur Zylinderachse 23 parallele Gerade aufgespannt ist.
Die Kontaktpunkte 21, 22 bilden mit dem Mittelpunkt 25 ein annahernd gleichschenkliges Dreieck mit zwei spitzen Winkeln β, die eine Größe im Bereich von jeweils 10 bis 15° aufweisen. Der Mittelpunkt 25 ist der Mittelpunkt der äußeren Kugeloberfläche des Kalottenrings 17.
Der Kalottenring 17 weist im Bereich seines größten Durchmessers, also im Bereich seines ”Äquators”, eine Abflachung auf, die jedoch in der Zeichnung nicht erkennbar ist.
Der Kontaktpunkt 21, der auf der dem Zylinder abgewandten Seite des Kalottenrings 17 angeordnet ist, ist dichter an der Zylinderachse 23 des Zylinders 10 angeordnet als der andere Kontaktpunkt 22. Dementsprechend versuchen die Kräfte, die bei einem Druckhub entstehen, bei dem im Zylinder Kältemittel komprimiert wird, den Kalottenring 17 starker in die Lagerschale 18 hineinzudrucken. In diesem Fall wird also ein Herausdrucken des Kalottenrings 17 aus der Lagerschale 18 mit großer Zuverlässigkeit vermieden. Die im Punkt 21 auftretende Kraftkomponente, die parallel zur Kurbelwellenachse 20 wirkt, ist entsprechend geringer.
Bei einem Saughub, bei dem der Kolben 9 in der Zeichnung nach links bewegt wird, treten wesentlich kleinere Kräfte auf. Diese Kräfte bergen daher kein Risiko, dass der Kalottenring 17 aus der Lagerschale 18 herausbewegt wird, obwohl der Kontaktpunkt 22 weiter von der Zylinderachse 23 entfernt ist.
Der Winkel β gibt an, wie weit der Kalottenring 17 in die Lagerschale 18 eintaucht. Je großer der Wert des Winkels β ist, desto leichgangiger kann sich der Kalottenring in der Lagerschale drehen. Gleichzeitig werden aber bei großerem Winkel β die Krafte, die parallel zur Achse 20 der Kurbelwelle 5 wirken, größer, die bei einer Belastung entstehen, die in Richtung der Zylinderachse 23 wirken. Diese Kräfte versuchen, den Kalottenring 17 aus der Lagerschale 18 herauszudrücken. Bei einem kleineren Winkel β nehmen diese Krafte ab, doch es kann zu Verklemmungen des Kalottenrings 17 in der Lagerschale 18 kommen.
Durch den oben angegebenen Bereich von 10 bis 15° für den Winkel β werden diese Probleme weitgehend vermieden. Darüber hinaus kann man die Abflachung am größten Durchmesser des Kalottenrings 17 durchaus in Kauf nehmen.
Durch eine Ausgestaltung der Lagerschale 18, die eine Neigung der Geraden 24, die die Kontaktpunkte 21, 22 miteinander verbindet, mit sich bringt, kann eine leichtgängige Lagerung bei gleichzeitiger guter Aufnahme der von der Kompression des Kältemittels herrührenden Kräfte erreicht werden. Die entlang der Achse 20 der Kurbelwelle 5 nach oben wirkende Kraft wird von der Klemmbrille 19 aufgenommen, die den Kalottenring 17 gegenüber der Lagerschale 18 vorspannt.
Die Lagerschale 17 wird direkt im Verstärkungselement 15 des Verdichters ausgebildet, so dass ein relativ einfacher und kostengünstiger Aufbau gewährleistet wird. Die gesamte Lageranordnung im Bereich dieses Lagers umfasst dann lediglich die Lagerschale 18, die aufgrund des Verstärkungselements 15 bereits vorhanden ist, den Kalottenring 17 und die am Verstarkungselement 15 befestigte Klemmbrille 19.

Claims

Kältemittelverdichteranordnung mit einem Motor, der einen Stator, einen Rotor und eine mit dem Rotor verbundene Kurbelwelle aufweist, einem Zylinderblock, der über einen Träger am Stator befestigt ist und einen Zylinder mit einer Zylinderachse aufweist, und einem Kalottenlager, mit dem die Kurbelwelle im Träger gelagert ist, wobei das Kalottenlager einen Kalottenring, dessen Umfangsfläche einen Teil einer Kugeloberfläche mit einem ersten Radius bildet, und eine Lagerschale, in der der Kalottenring angeordnet ist, aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerschale (18) mindestens zwei Kontaktpunkte (21, 22) mit dem Kalottenring (17) aufweist und zumindest im Bereich der Kontaktpunkte (21, 22) einen Teil einer Kugeloberfläche mit einem zweiten Radius, der größer als der erste Radius ist, bildet, wobei die Kontaktpunkte (21, 22) in einer Ebene, die durch die Achse (20) der Kurbelwelle (5) und die Zylinderachse (23) oder eine Parallele zur Zylinderachse (23) aufgespannt ist, entlang einer Geraden (24) angeordnet sind, die mit der Zylinderachse (23) einen vorbestimmten spitzen Winkel (α) einschließt, wobei der Kalottenring (17) eine geneigte Abstützung in der Lagerschale (18) hat.
Kältemittelverdichteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der dem Zylinder (10) zugewandte Kontaktpunkt (22) eine größere Entfernung zur Zylinderachse (23) aufweist als der vom Zylinder (10) abgewandte Kontaktpunkt (21).
Kältemittelverdichteranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel (α) eine Größe im Bereich von 5 bis 10° aufweist.
Kältemittelverdichteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Dreieck, das durch die Kontaktpunkte (21, 22) und einen Mittelpunkt (25) des Kalottenrings (17) aufgespannt ist, zwei Winkel (β) im Bereich von 10 bis 15° aufweist.
Kältemittelverdichteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kalottenring (17) im Bereich seines größten Durchmessers eine Abflachung aufweist.
Kältemittelverdichteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kalottenring (17) als Sinterteil ausgebildet ist.
Kältemittelverdichteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerschale (18) aus dem Träger (15) herausgeformt ist.
Kältemittelverdichteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Kalottenring (17) durch eine am Träger (15) befestigte Klemmbrille (19) in der Lagerschale (18) fixiert ist.