DE19522210C1 - Kolbenverdichter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Kolbenverdichter, insbe­ sondere für Kleinkältemaschinen, mit mindestens einem Zylinder, in dem ein Kolben axial beweglich angeordnet ist, der über einen Bolzen mit einer Pleuelstange ver­ bunden ist, wobei der Bolzen mit Hilfe einer Preßpas­ sung im Kolben befestigt ist.

Bei Kolbenverdichtern dieser Art ist es von Bedeutung für den Wirkungsgrad, daß die Leckageverluste zwischen Kolben und Zylinder so klein wie möglich sind. Anderer­ seits möchte man auch die Reibungsverluste so klein wie möglich halten. Beide Forderungen lassen sich mitein­ ander vereinbaren, wenn man die Form des Kolbens sehr genau an die Form des Zylinders anpaßt.

Bei kleinen Kolbenverdichtern, wie sie beispielsweise bei hermetisch gekapselten Kleinkältemaschinen verwen­ det werden, ergibt sich bei der Verbindung zwischen der Pleuelstange und dem Kolben ein gewisses Problem. Man möchte nämlich sicherstellen, daß die Bewegung aus­ schließlich zwischen der Pleuelstange und dem Bolzen erfolgt, der Bolzen also unverdrehbar in dem Kolben festgehalten wird. Zur Aufnahme von Gleitlagerkräften zwischen dem Bolzen und dem Kolben steht in der Regel nicht genügend Platz zur Verfügung. Da es aus Platz­ gründen schwierig ist, den Bolzen im Kolben mit Hilfe von zusätzlichen Befestigungsmitteln, beispielsweise Stiften, festzuhalten, wird vielfach eine Preßpassung zwischen dem Bolzen und dem Kolben verwendet. Da man aufgrund der auftretenden Belastungen für den Bolzen in der Regel ein festeres Material als für den Kolben ver­ wenden wird, führt diese Preßpassung zu einer Verfor­ mung, die sich überwiegend im Kolben niederschlägt. Diese Kolbenverformung ist zwar nur relativ klein. Sie erzwingt aber einen unregelmäßigen Spalt zwischen Kol­ ben und Zylinder. Dieser Spalt ist notwendig, um die Reibungsverluste klein zu halten oder sogar ein Klemmen zwischen Kolben und Zylinder zu verhindern. Der Spalt führt andererseits aber, wie oben erwähnt, zu erhöhten Leckageverlusten, was sich negativ auf den Wirkungsgrad des Kolbenverdichters auswirkt. Die Kolbendeformation bewirkt auch eine Unsicherheit des genauen Kolbendurch­ messers und eine unsichere Festlegung des Luftspalts.

Beispiele für Kolbenverdichter finden sich in DE 29 47 457 A1 und DE 36 00 750 A1.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Wirkungs­ grad eines Kolbenverdichters zu verbessern.

Diese Aufgabe wird bei einem Kolbenverdichter der ein­ gangs genannten Art dadurch gelöst, daß die Preßpassung eine Paarung von Paßflächen aufweist, die in Umfangs­ richtung des Kolbens unter einer verminderten Normal­ spannung steht.

Bei einer normalen Preßpassung, wie sie beispielsweise zwischen einem zylinderförmigen Bolzen und einer im Querschnitt kreisrunden Bohrung auftreten, ergeben sich Normalspannungen, die bezogen auf den Bolzen und die Bohrung, in radialer Richtung verlaufen. Bezogen auf den Kolben ergibt sich hierdurch eine Normalspannungs­ komponente, die in Axialrichtung verläuft, also in Be­ wegungsrichtung des Kolbens, und eine Normalspannungs­ komponente, die quer dazu gerichtet ist. Diese Quer­ richtung entspricht zumindest in der näheren Umgebung der Befestigung des Bolzens im Kolben im wesentlichen der Umfangsrichtung. Die Axialkomponente führt zu einer Längenänderung des Kolbens, die weniger kritisch ist. Die Querkomponente führt allerdings zu einer zumindest lokal zu beobachtenden Durchmesseränderung des Kolbens, die eine Veränderung der Gleichmäßigkeit des Spaltes erzwingt. Durch die Änderung der Geometrie der Preßpas­ sung kann erreicht werden, daß die Normalspannung, die in Umfangs- oder Querrichtung wirkt, vermindert werden kann. Entsprechend geringer kann man die Deformationen des Kolbens halten, die zu einer Abweichung von der ge­ wünschten Zylinderform führen. Die Befestigung des Bol­ zens im Kolben mit Kräften, die im wesentlichen in Axi­ alrichtung wirken, reicht aus, weil dies auch die hauptsächliche Kraftangriffsrichtung zwischen der Pleu­ elstange und dem Kolben ist. Dementsprechend läßt sich ein sicherer Sitz des Bolzens im Kolben ohne eine stö­ rende Deformation des Kolbens in radialer oder Umfangs­ richtung bewirken. Die Form des Kolbens kann dann näher an der gewünschten Kolbenform gehalten werden, so daß man den Spalt zwischen Kolben und Zylinder entsprechend gleichmäßig und klein halten kann, ohne erhöhte Rei­ bungsverluste oder ein Klemmen zu befürchten. Je klei­ ner der Spalt zwischen Kolben und Zylinder ist, desto kleiner sind die Leckageverluste und desto größer ist der Wirkungsgrad.

Hierbei ist bevorzugt, daß mindestens eine der Paßflä­ chen eine Ausnehmung gegenüber einer Grundform auf­ weist, die quer zur Axialrichtung angeordnet ist. Die Grundform ist hierbei die Form der betreffenden Paßflä­ che, bei der sich eine im wesentlichen gleichmäßige Normalspannungsverteilung über den Umfang des Bolzens bzw. der Bohrung ergibt. Im Bereich der Ausnehmung ist die Normalspannung vermindert. Man kann sie bei ent­ sprechender Ausgestaltung der Ausnehmung sogar ver­ schwinden lassen. Allerdings ist es nicht notwendig, daß bei eingesetztem Bolzen ein Abstand zwischen Bolzen und Kolben im Bereich der Ausnehmung entsteht. Im Be­ reich der Ausnehmung können Kolben und Bolzen durchaus aneinander gleiten oder unter einem geringen Druck bzw. einer geringen Spannung aneinander anliegen. Die Nor­ malspannung muß nur soweit vermindert werden, daß sich keine unerwünschte Deformation oder Verformung des Kol­ bens ergibt.

Vorzugsweise weist die Paßfläche zwei einander gegen­ überliegende Ausnehmungen auf. Hierdurch wird eine ge­ wisse Symmetrie bei der Befestigung erreicht. Der Bol­ zen bleibt dadurch in der Mitte der ihn aufnehmenden Bohrung.

Vorzugsweise ist die Ausnehmung durch eine allmähliche Abweichung der Paßfläche von ihrer Grundform gebildet. Diese allmähliche Abweichung läßt sich auch durch den Ausdruck "stetig differenzierbar" beschreiben. Eine derartige Ausgestaltung hat den Vorteil, daß die Nor­ malspannung nicht schlagartig auf den verminderten Wert abgesenkt wird, sondern sich eine entsprechend allmäh­ lich vermindernde Normalspannungsverteilung ergibt. Al­ lerdings ist eine derartige allmähliche Abweichung der Paßfläche von der Grundform relativ aufwendig herzu­ stellen.

In einer alternativen Ausgestaltung wird daher der Übergang zwischen der Paßfläche und ihrer Ausnehmung durch eine Stufe gebildet. Eine derartige Ausnehmung ist leichter herzustellen. Es ergibt sich zwar eine andere Verteilung der Normalspannung. Die Stufe läßt jedoch im Extremfall eine gewisse Verdrängung des Mate­ rials der entsprechenden Paßfläche zu, so daß die auf­ tretenden Kräfte zwar zu einer Verformung des Kolbens führen können, diese Verformung jedoch lokal auf den Bereich der Stufe begrenzt ist. Eine Verformung des Kolbens, die zu einer Abweichung von der gewünschten Kreisform führt, kann praktisch ausgeschlossen werden.

Vorteilhafterweise umgreifen die Paßflächenabschnitte, in denen eine zum Festhalten des Bolzens im Kolben aus­ reichende Normalspannung vorliegt, den Bolzen in Axial­ richtung über weniger als 33% seiner Höhe. Über 2/3 oder mehr seiner Höhe treten also keine Normalspannun­ gen auf, die eine Komponente quer zur Axialrichtung, d. h. in Umfangsrichtung haben. Dementsprechend klein ist die Gefahr, daß diese Normalspannungen zu einer Verformung des Kolbens führen. In vielen Fällen wird es sogar ausreichen, wenn der Bolzen nur über 20 oder 25% seiner Höhe von den Paßflächen umgriffen wird, weil die im Betrieb in Querrichtung auf den Bolzen wirkenden Kräfte wesentlich kleiner sind als die in Axialrichtung wirkenden Kräfte.

Vorteilhafterweise weist der Kolben eine Bohrung zur Aufnahme des Bolzens auf, die in Umfangsrichtung des Kolbens einen vergrößerten Durchmesser aufweist. Die Bohrung weicht also quer zur Axialrichtung des Kolbens von der Kreisform ab. Im Bereich des vergrößerten Durchmessers sind die Ausnehmungen angeordnet, die zu der gewünschten Verminderung der Normalspannung führen.

In einer alternativen oder zusätzlichen Ausgestaltung kann der Bolzen an mindestens einem Ende eine Abfla­ chung auf mindestens einer Seite aufweist. Selbstver­ ständlich kann man diese Abflachung des Bolzens auch zusammen mit der Durchmesservergrößerung der Kolbenboh­ rung verwenden. Auch im Bereich der Abflachung wird die entsprechende Verminderung der Normalspannung eintre­ ten. Die Abflachung kann konvex, eben oder konkav sein. Sie kann auch durch eine Ausnehmung gebildet werden.

Hierbei ist besonders bevorzugt, daß die Abflachung im wesentlichen parallel zur Axialrichtung verläuft. Dies erleichtert die Montage. Es existiert eine definierte Fläche des Bolzens, die bei der Montage zur Ausrichtung des Bolzens verwendet werden kann.

Anstelle der Abflachung kann in einer anderen bevorzug­ ten Ausgestaltung auch vorgesehen sein, daß der Bolzen an mindestens einem Ende einen Schlitz aufweist. Auch hierdurch entsteht ein Bereich der Flächenpaarung mit verminderter Normalspannung. Zusätzlich wird der Bolzen hierbei etwas elastischer, so daß die Gefahr von Ver­ formungen des Kolbens geringer wird.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines bevorzug­ ten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeich­ nung beschrieben. Hierin zeigen:

Fig. 1 eine schematische Seitenansicht eines Kolbenver­ dichters, teilweise im Schnitt,

Fig. 2 eine Ansicht eines Kolbens aus Richtung 11 nach Fig. 1,

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht eines Bolzens und

Fig. 4 eine perspektivische Ansicht einer alternativen Ausführungsform des Bolzens.

Ein Kolbenverdichter 1, wie er beispielsweise in herme­ tisch gekapselten Kleinkältemaschinen für Kühlschränke oder andere Kühlmöbel im Haushaltsbereich verwendet wird, weist einen schematisch dargestellten Zylinder 2 auf, in dem ein Kolben 3 axial, d. h. in Richtung eines Doppelpfeiles 4 bewegbar angeordnet ist. Der Kolben 3 ist mit einem Ende einer Pleuelstange 5 verbunden, die den Antrieb des Kolbens bewirkt. Hierzu ist die Pleuel­ stange 5 an ihrem anderen Ende 6 mit einer nicht näher dargestellten Kurbelwelle verbunden.

Die Verbindung zwischen der Pleuelstange 5 und dem Kol­ ben 3 erfolgt über einen Bolzen 7. Bei der Bewegung des Kolbens 3 in Axialrichtung 4 ergibt sich eine Winkelbe­ wegung zwischen dem Kolben 3 und der Pleuelstange 5 mit dem Bolzen 7 als Drehpunkt. Hierbei sollte der Bolzen 7 drehfest (und natürlich auch unverschiebbar) im Kolben 3 gehalten werden. Eine Drehung sollte also nur zwi­ schen dem Bolzen 7 und der Pleuelstange 5 erfolgen, nicht jedoch nicht zwischen dem Bolzen 7 und dem Kol­ ben 3.

Zu diesem Zweck wird der Bolzen 7 mit Hilfe einer Preß­ spannung 10 im Kolben 3 gehalten. Dabei wird der Bolzen 7 in Richtung des Pfeiles 8 in den Kolben 3 eingetrie­ ben, wobei er die Pleuelstange 5 durchsetzt. Hierbei ergibt sich aus der Montagerichtung 8 gesehen zunächst eine Gleitpassung 9 zwischen Kolben 3 und Bolzen 7 und auf der in Montagerichtung 8 abgewandten Seite der Pleuelstange 5 die Preßpassung 10 zwischen dem Bolzen 7 und dem Kolben 3. Diese Preßpassung 10 hält den Bolzen 7 im Kolben 3 fest.

Die Preßpassung 10 ist durch eine Paßfläche 11 in einer Innenwand einer Bohrung 12, die den Bolzen 7 aufnimmt, gebildet, die mit einer Paßfläche 17 (Fig. 3) auf dem Umfang des Bolzens 7 zusammenwirkt. Die beiden Paßflä­ chen 11, 17 liegen im montierten Zustand mit einer ge­ wissen Normalspannung aneinander an. Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, ist die Paßfläche 11 jedoch durch zwei einander gegenüberliegende Ausnehmungen 13 unterbro­ chen, die quer zur Axialrichtung 4 angeordnet sind, also eine Durchmesservergrößerung der Bohrung 12 bil­ den, die sich, aus Richtung des Pfeiles 11 in Fig. 1 gesehen, in Umfangsrichtung des Kolbens 3 erstreckt. Der Übergang zwischen der Paßfläche 11 und ihren Aus­ nehmungen 13 erfolgt jeweils durch Stufen 14.

Der Bolzen 7 hat im Querschnitt eine Kreisform. Er ist also zylinderförmig ausgebildet. An seinem Ende 15, das in die Bohrung 12 eingeführt wird und die Paßfläche 17 aufweist, weist er auf beiden Seiten jeweils eine Ab­ flachung 16 auf, die im wesentlichen parallel zur Axi­ alrichtung 4 ausgerichtet ist. Die Abflachung 16 kann, wie dies dargestellt ist, als ebene Fläche ausgebildet sein. Sie kann jedoch auch konvex oder konkav gewölbt sein.

Wenn nun der Bolzen 7 in die Bohrung 2 eingetrieben wird, ergibt sich zwischen den Ausnehmungen 13 und den Abflachungen 16 ein Abstand, so daß sich in diesem Be­ reich keine Normalspannungen zwischen dem Kolben 3 und dem Bolzen 7 ausbilden können. Selbstverständlich reicht es aber auch aus, entweder nur die Ausnehmungen 13 oder nur die Abflachungen 16 zu verwenden. Es muß sich nicht einmal ein Abstand zwischen dem Kolben 3 und dem Bolzen 7 ergeben. Der Bolzen 7 kann in dem Bereich, in dem nur kleine oder möglichst sogar gar keine Nor­ malspannungen auftreten sollen, durchaus in einer Gleitpassung im Kolben 3 gehalten werden. Auch kleinere Normalspannungen können zugelassen werden, wenn sie nicht zu einer entsprechenden Verformung des Durchmes­ sers des Kolbens 3 führen.

Wie aus Fig. 3 ersichtlich ist, kann der Übergang zwi­ schen den Abflachungen 16 und dem Außenumfang des Bol­ zens 7 auch allmählich erfolgen, so daß Konzentrationen der Normalspannung verhindert werden. Den gleichen Übergang kann man auch bei der Bohrung 12 vorsehen. Im Grunde genommen sind alle beliebigen Kombinationen bei den Ausnehmungen 13 und den Abflachungen 16 denkbar. Es kommt lediglich darauf an, daß in Umfangsrichtung eine verminderte Normalspannung in der Preßpassung 10 vor­ handen ist.

Wie insbesondere aus Fig. 2 ersichtlich ist, wird der Bolzen 7 nur auf einem kleinen Teil seiner Höhe von der Paßfläche 11, genauer gesagt dem Abschnitt der Paßflä­ che 11, in dem Normalspannungen vorliegen, umfaßt. Die­ ser Anteil der Höhe ist relativ gering, er beträgt im vorliegenden Ausführungsbeispiel weniger als 25%. Dies reicht aber aus, um den Bolzen 7 in Querrichtung aus­ reichend im Kolben 3 zu sichern. Die höchsten Kräfte zwischen dem Bolzen 7 und dem Kolben 3 treten ohnehin in Axialrichtung 4 auf.

Fig. 4 zeigt eine alternative Ausgestaltung des Bol­ zens, bei der für entsprechende Teile die gleichen Be­ zugszeichen wie in Fig. 3 verwendet werden, nur gestri­ chen. Die Abflachung 16 ist ersetzt durch einen Schlitz 16′. Dort, wo aufgrund des Schlitzes kein Material vor­ handen ist, kann sich keine Normalspannung aufbauen. Darüber hinaus läßt sich das Ende 15′ des Bolzens 7′ nun geringfügig elastisch verformen, da die beiden den Schlitz 16′ begrenzenden Vorsprünge leicht radial nach innen nachgeben können.

Claims (10)

1. Kolbenverdichter, insbesondere für Kleinkälte­ maschinen, mit mindestens einem Zylinder, in dem ein Kolben axial beweglich angeordnet ist, der über einen Bolzen mit einer Pleuelstange verbunden ist, wobei der Bolzen mit Hilfe einer Preßpassung im Kolben befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Preßpassung (10) eine Paarung von Paßflächen (11, 17) aufweist, die in Umfangsrichtung des Kol­ bens (3) unter einer verminderten Normalspannung steht.

2. Kolbenverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß mindestens eine der Paßflächen (11, 17) eine Ausnehmung (13, 16) gegenüber einer Grund­ form aufweist, die quer zur Axialrichtung (4) an­ geordnet ist.

3. Kolbenverdichter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Paßfläche (11, 17) zwei einander gegenüberliegende Ausnehmungen (13, 16) aufweist.

4. Kolbenverdichter nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung (16) durch eine allmähliche Abweichung der Paßfläche (17) von ihrer Grundform gebildet ist.

5. Kolbenverdichter nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Übergang zwischen der Paß­ fläche (11) und ihrer Ausnehmung (13) durch eine Stufe (14) gebildet ist.

6. Kolbenverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Paßflächenabschnit­ te, in denen eine zum Festhalten des Bolzens (7) im Kolben (3) ausreichende Normalspannung vorliegt, den Bolzen (7) in Axialrichtung über weniger als 33% seiner Höhe umgreifen.

7. Kolbenverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (3) eine Bohrung (12) zur Aufnahme des Bolzens (7) aufweist, die in Umfangsrichtung des Kolbens (3) einen ver­ größerten Durchmesser aufweist.

8. Kolbenverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Bolzen (7) an min­ destens einem Ende (15) eine Abflachung (16) auf mindestens einer Seite aufweist.

9. Kolbenverdichter nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Abflachung (16) im wesentlichen parallel zur Axialrichtung (4) verläuft.

10. Kolbenverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Bolzen (7′) an min­ destens einem Ende (15′) einen Schlitz (16′) auf­ weist.