DE19616962A1 - Hubkolbenmaschine mit Taumelscheibengetriebe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Hubkolbenmaschine mit einem Tau­ melscheibengetriebe, deren Taumelscheibe einen sich mit der Maschinenwelle drehenden ersten Taumelscheibenteil und einen mit mehreren Kolben in Antriebsverbindung stehenden zweiten Taumelscheibenteil aufweist, wobei der erste Taumelscheiben­ teil über ein verschiedene Schrägstellungen ermöglichendes Taumelgelenk mit der Maschinenwelle und beide über eine die Taumelbewegung übertragende Drehlagerung miteinander verbunden sind und wobei eine in Richtung der Welle auf die Taumelschei­ be wirkende Federeinrichtung bestrebt ist, diese aus ihrer Schrägstellung in eine Leerlaufposition zurückzustellen.

Hubkolbenmaschinen dieser Art sind durch die Patentliteratur vielfach bekannt, wie z. B. durch die US-A-5,205,718, die DE-A- 42 29 978, die EP-A-0207613 oder die WO-A-00384. Sie werden bei­ spielsweise als Kompressor in R134a-Klimaanlagen von Kraftfahr­ zeugen verwendet. Ihre auf die Taumelscheibe wirkende Feder­ einrichtung unterstützt deren Rückstellung in Richtung zu ei­ ner Leerlaufposition, wenn der Gegendruck an den Kolben z. B. durch Herstellung einer Verbindung zwischen Druck- und Saug­ seite des Kompressors reduziert wird. Die Anordnung der als Schraubenfeder ausgeführten Federeinrichtung bereitet jedoch konstruktive Schwierigkeiten, da die schwenkende Verstellbewe­ gung der Taumelscheibe trotz ihrer die Maschinenwelle umschließenden Anordnung nicht behindert werden soll und da auch in Richtung der Maschinenwelle die Baugröße und das Ge­ wicht der Maschine, insbesondere für den Einbau im Motorraum eines Kraftfahrzeuges, begrenzt bleiben soll. Entsprechend ha­ ben die bekannten Maschinen Schraubenfedern, deren Dimensio­ nierung nur eine begrenzte Federkraft zuläßt. Die für die Ausführung eines für ca. 10-fach höhere Drücke und damit für CO₂-Kraftfahrzeugklimaanlagen geeigneten Hochdruckkompressors nicht ausreichend wäre.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Hubkolbenma­ schine der eingangs genannten Art zu finden, die bei guter Re­ gelbarkeit und kompakter Bauart für hohe Drücke wie z. B. von CO₂-Kraftfahrzeug-Klimaanlagen geeignet ist. Insbesondere soll eine selbsttätige Regelung möglich sein, so daß trotz der am Kraftfahrzeug wechselnden Drehzahl die Fördermenge konstant bleibt und folglich eine Kupplung zum Zu- und Abschalten des Antriebs vermeidbar ist.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß dadurch, daß die Federeinrichtung in einer Axialbohrung der Maschinen­ welle angeordnet ist und die rückstellende Wirkverbindung mit der Taumelscheibe durch mindestens eine sich in Wellenrichtung erstreckende Öffnung der Wellenwand hindurch erfolgt.

Aufgrund der erfindungsgemäßen Anordnung läßt sich der Triebraum und der Durchmesser der Taumelscheibe für Hoch­ druckanwendungen ausreichend verkleinern, ohne daß für eine Konstantregelung auf eine ausreichende Federunterstützung einer drehzahlabhängigen Rückstellung der Kippbewegung der Taumelscheibe verzichtet werden muß.

Ein besseres Verständnis der Erfindung und vorteilhafte Aus­ führungsformen der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung anhand der Zeichnungen. Es zeigt:

Fig. 1 einen Axialschnitt einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Hubkolbenmaschine bei minimaler Hubeinstellung,

Fig. 2 die Hubkolbenmaschine nach Fig. 1 bei maximaler Hub­ einstellung und

Fig. 3 einen Axialschnitt einer erfindungsgemäßen Hubkol­ benmaschine im Bereich von Bohrungen zur Zirkulation von Öldunst, in Ausführung mit einer Magnetkupplung.

Der grundsätzliche Aufbau und die Wirkungsweise einer Hubkol­ benmaschine mit Taumelscheibengetriebe sind durch die zuvor genannte Fachliteratur bekannt.

Die Hubkolbenmaschine 1 hat beispielsweise sieben durch die Taumelbewegung angetriebene Kolben 2, die in Umfangsrichtung der Maschine nebeneinander angeordnet sind. Die Taumelscheibe 3 hat einen sich mit der Maschinenwelle 4 drehenden ersten Scheibenteil 5 und einen in Antriebsverbindung mit den Kolben 2 stehenden, gegen Verdrehung gesicherten zweiten Scheibenteil 6. Für die Übertragung der Taumelbewegung ist zwischen beiden Scheibenteilen 5, 6 eine mit Wälzlagerkörpern 7, 8 ausgerüstete Drehlagerung vorgesehen, die axiale und radiale Kräfte auf­ nimmt.

Die verschiedene Schräg- oder Kippstellungen der Taumelscheibe 3 ermöglichende Verbindung zwischen der Maschinenwelle 4 und dem mitdrehenden ersten Scheibenteil 5 erfolgt durch einen Mitnehmerbolzen 9 am Ende eines an der Maschinenwelle 4 befe­ stigten Mitnehmers 10. Dieser greift in eine die Kippbewegung der Taumelscheibe 3 auf der Maschinenwelle 4 zulassende Aus­ nehmung 11 mindestens eines Fortsatzes 12 ein, der seitlich am mitdrehenden ersten Scheibenteil 5 angeformt ist. An der Ma­ schinenwelle 4 stützt sich die Taumelscheibe 3 durch eine zen­ trale Ausnehmung 13 ab, die sich beidseitig in Wellenrichtung erweitert, so daß für die auf der Maschinenwelle 4 ausgeführ­ te Kippbewegung ausreichend Freiraum vorhanden ist. Die Dreh­ sicherung des zweiten Scheibenteils 6 erfolgt durch ein sich durch den Triebraum 15 erstreckendes und in eine Aussparung 14 am Umfang des Scheibenteils 6 eingreifendes Stegteil 16.

Die Kraft für die Winkelverstellung der Taumelscheibe 3 ergibt sich aus der Summe der jeweils beidseitig der Kolben 2 gegen­ einander wirkenden Drücke und aus den an der Taumelscheibe 3 wirkenden dynamischen Kräften. Dabei wirkt an dem mitdrehenden Scheibenteil 5 ein mit zunehmender Drehgeschwindigkeit anstei­ gendes, rückstellendes Drehmoment, das der Schrägstellung ent­ gegenwirkt, während durch die oszillierende Bewegung des mit den Kolben 2 verbundenen Scheibenteils Trägheitskräfte diesem rückstellenden Drehmoment entgegenwirken.

Das rückstellende Drehmoment des sich drehenden ersten Schei­ benteils 5 reicht jedoch unter Berücksichtigung der an den Kolben wirkenden Drücke allein nicht aus, um bei ansteigender Drehgeschwindigkeit den Kolbenhub so weit zu reduzieren, daß die Fördermenge des Kompressors konstant bleibt. Auch die Kraft einer auf bekannte Weise die Maschinenwelle umschließenden, die Rückstellung der Taumelscheibe unterstützenden Schraubenfeder ist insbesondere bei Ausführung der Hubkolben­ maschine für hohe Drücke nicht ausreichend, um die bei anstei­ gender Drehgeschwindigkeit zunehmende Fördermenge durch Rück­ stellung der Schrägstellung Taumelscheibe 3 zu kompensieren.

Durch die erfindungsgemäße Anordnung einer Schraubenfeder 20 oder anderen Federeinrichtung in einer Axialbohrung 21 der Ma­ schinenwelle 4 kann eine solche ohne Vergrößerung des Maschi­ nengehäuses 22 bzw. auch mit einem für hohe Drücke verkleiner­ tem Triebraum 15 und bei kleiner Taumelscheibe so ausgeführt werden, daß sich eine für eine Konstantregelung geeignete Fe­ dercharakteristik ergibt.

Durch den geringen Durchmesser z. B. einer Schraubenfeder in einer hohlen Maschinenwelle 4 ergibt sich eine hohe Feder­ kraft, und durch die Länge der hohlen Maschinenwelle 4 kann ein ausreichend langer Federweg realisiert werden. Eine Op­ timierung der Federwirkung ist durch Messungen der Rückstell­ kräfte unter verschiedenen Betriebsbedingungen und z. B. ent­ sprechende graphische Auswertungen möglich.

Für die Übertragung der Federbewegung von der als Druckfeder ausgeführten Schraubenfeder 20 auf die Taumelscheibe 3 liegt diese mit Vorspannung an einem in der Axialbohrung 21 geführ­ ten Federkolben 22 an. Von diesem wird die Federbewegung mit­ tels eines Kopplungsstiftes 23 durch beidseitige Wandöffnungen 24 der Maschinenwelle 4 auf die Taumelscheibe 3 übertragen, indem diese an ihrem sich mitdrehenden Scheibenteil 5 in den Darstellungen nicht sichtbare Eingriffsöffnungen aufweist. Diese haben gegenüber dem Durchmesser des Kopplungsstiftes 23 ein ausreichendes Übermaß, um eine Überbestimmung der durch das Taumelgelenk 9 und die Kipplagerung auf der Maschinenwelle 4 bestimmten Festlegung der Kippbewegung zu vermeiden.

Anstatt durch eine Schraubenfeder 20 kann die die Rückstellung unterstützende Federkraft auch durch andere, einen ausreichen­ den Federhub ermöglichende Federeinrichtung erzielt werden, wie z. B. durch einen Satz von Tellerfedern oder eine pneuma­ tisch wirkende Federeinrichtung. Auch kann bei entgegenge­ setzter Anordnung relativ zum Kopplungsstift 23 anstatt einer Druckfeder 20 auch eine Zugfeder verwendet werden. Auch kann beidseitig zu dem Federkolben 22 je eine Federeinrichtung vorgesehen sein, so daß die eine als Druckfeder und die an­ dere als Zugfeder wirkt.

Die Schmierung der bewegten Teile der Hubkolbenmaschine kann durch aus Öldunst sich abscheidendes Öl erfolgen. Dieser Öldunst ergibt sich beispielsweise aus einem Ölabscheider im CO₂-Kühlmittelkreislauf einer CO₂-Klimaanlage und einem zur Kühlung des Triebraumes 15 verwendeten Teilgasstrom des Kühl­ mittels. Dabei kann entsprechend dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 der über Bohrungen 25, 26 zuerst der Dichteinrichtung 27 und anschließend dem Triebraum 15 zugeführte Öldunststrom durch die Öffnungen 24 in die hohlgebohrte Maschinenwelle 4 eindringen und durch eine endseitige Öffnung 28 der Maschi­ nenwelle 4 zu dem Wellenlager 29 gelangen.

Claims (5)

1. Hubkolbenmaschine mit einem Taumelscheibengetriebe, deren Taumelscheibe (3) einen sich mit der Maschinenwelle (4) dre­ henden ersten Taumelscheibenteil (5) und einen mit mehreren Kolben (2) in Antriebsverbindung stehenden zweiten Taumel­ scheibenteil (6) aufweist, wobei der erste Taumelscheibenteil (5) über ein verschiedene Schrägstellungen ermöglichendes Tau­ melgelenk (9,11) mit der Maschinenwelle (4) und beide über ei­ ne die Taumelbewegung übertragende Drehlagerung (7, 8) mitein­ ander verbunden sind und wobei eine in Richtung der Welle auf die Taumelscheibe wirkende Federeinrichtung (20) bestrebt ist, diese aus ihrer Schrägstellung in eine Leerlaufposition zu­ rückzustellen, dadurch gekennzeichnet, daß die Federeinrich­ tung (20) in einer Axialbohrung (21) der Maschinenwelle (4) angeordnet ist und die rückstellende Wirkverbindung mit der Taumelscheibe (3) durch mindestens eine sich in Wellenrichtung erstreckende Öffnung (24) der Wellenwand hindurch erfolgt.

2. Hubkolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Axialbohrung (21) ein mit der Federeinrichtung (20) verbundener Federkolben (22) geführt ist, an dem minde­ stens ein Kopplungselement (23) befestigt ist, das sich durch die Wandöffnung (24) der Maschinenwelle (4) erstreckt und das mit der Taumelscheibe (3) in Eingriff steht.

3. Hubkolbenmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Federeinrichtung (20) entsprechend der An­ ordnung auf einer Seite der Wirkverbindung (23) oder beidsei­ tig zu ihr als Druck- und/oder Zugfedereinrichtung wirkt.

4. Hubkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß die Federeinrichtung aus mindestens einer Schraubenfeder (20) besteht.

5. Hubkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß die für die Aufnahme der Federein­ richtung (20) hohle Maschinenwelle zu ihrem der Antriebsseite abgelegenen Ende hin offen ist, so daß durch die Wandöffnung (24) der hohlen Maschinenwelle (4) eine Strömungsverbindung für Öldunst zu einem wellenendseitigen Wellenlager (29) vor­ handen ist.