Luftkompressor mit Kurbelgehäuse aus Aluminiumguss

Beschreibung Stand der Technik

Die Erfindung betrifft einen Luftkompressor einer Druckluftanlage eines Fahrzeugs, beinhaltend eine Kolbenpumpe mit wenigstens einem Kolben und einer Kurbelwelle, die in einem Kurbelgehäuse geführt sind, gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Luftkompressoren für Nutzfahrzeuge haben üblicherweise ein aus Stahl gegossenes Kurbelgehäuse, welches keine Kühlmittelkanäle aufweist. Die Kühlung erfolgt demgegenüber in dem auf das Kurbelgehäuse aufgesetzten Zylinderdeckel durch Luft oder Flüssigkeit abhängig von der vom Luftkompressor geforderten Leistung. In dem Zylinderdeckel sind die Einlass- und Auslassventile, deren Lagerung sowie wenigstens ein Kühlmittelkanal und gegebenenfalls ein Wärmetauscher angeordnet.

Die in dem Kurbelgehäuse herrschende Betriebstemperatur stellt einen wesentlichen Faktor für die Lebensdauer des Luftkompressors dar. Weiterhin ist vor dem Hintergrund eines Einbaus in ein Fahrzeug ein möglichst geringes Gewicht des Luftkompressors wünschenswert.

Aufgabe der Erfindung

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, einen Luftkompressor der eingangs erwähnten Art derart weiterzuentwickeln, dass er ein geringeres Gewicht aufweist.

Darüber hinaus soll eine erhöhte Lebensdauer durch eine verbesserte Kühlung erzielt werden. Außerdem soll ein Verfahren zur Herstellung eines Luftkompressors mit diesen Eigenschaften angegeben werden.

Vorteile der Erfindung

Die Erfindung basiert auf dem Gedanken, dass das Kurbelgehäuse aus Aluminium gegossen ist. Dies bringt gegenüber dem Stand der Technik, aus dem nur Kurbelgehäuse aus Stahlguss bekannt sind, eine wesentliche Reduzierung des Gewichts mit sich. Gegenüber einem aus Stahlguss hergestellten Kurbelgehäuse ergibt sich eine Gewichtesersparnis von ca. 40% bis 50%. Damit wird auch das Gewicht des den Luftkompressor tragenden Fahrzeugs in vorteilhafter Weise reduziert, was sich positiv auf den Kraftstoffverbrauch auswirkt.

Weiterhin ist die spezifische Wärmeleitfähigkeit von gegossenem Aluminium ungefähr sechzig mal höher als die von gegossenem Stahl, so dass die im Betrieb entstehende Wärme besser abgeleitet werden kann, insbesondere an in wenigstens einem Kühlmittelkanal des Kurbelgehäuses geführtes Kühlmittel.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung beinhaltet das Kurbelgehäuse daher wenigstens einen Kanal zur Führung von Kühlmittel. Diese Maßnahme senkt die Betriebstemperatur des Luftkompressors, so dass dieser eine höhere Lebensdauer aufweist.

Wenn der Kühlmittelkanal an einer Kontaktfläche zu einem Zylinderdeckel nach außen münden würde, um eine Fortführung des Kühlmittelkanals durch den Kühlmittelkanal im Zylinderdeckel im Rahmen eines gemeinsamen Kühlmittelkreislaufs des Kurbelgehäuses und des Zylinderdeckels zu ermöglichen, so würde dies zu Dichtigkeitsproblemen an der Kontaktfläche führen. Deshalb mündet der Kühlmittelkanal des Kurbelgehäuses bevorzugt an einer von der Kontaktfläche zum Zylinderdeckel abweichenden Fläche des Kurbelgehäuses nach außen und kann dann von außen durch eine separate Verbindung mit dem Kühlmittelkanal des Zylinderdeckels verbunden werden.

Beispielsweise wird die von der Kontaktfläche zu einem Zylinderdeckel abweichende Fläche des Kurbelgehäuses, in welche der Kühlmittelkanal mündet, durch eine Stirnfläche gebildet, welche im wesentlichen senkrecht zur Kurbelwelle

angeordnet ist, wobei ein Zulauf und ein Rücklauf des Kühlmittelkanals an dieser Stirnfläche ausgebildet wird.

Gemäß einer Weiterbildung kann wenigstens ein Kühlmittelkanal des Kurbelgehäuses in einem Kühlmittelkreislauf integriert sein, welcher auch einen dem Zylinderdeckel zugeordneten Kühlmittelkanal umfasst. Die beiden

Kühlmittelkanäle können in dem Kühlmittelkreislauf parallel oder in Reihe geschaltet sein.

Besonders bevorzugt wird der Kühlmittelkanal durch wenigstens ein aus einem von Aluminium abweichenden Material hergestelltes Rohr gebildet, das wenigstens teilweise in das Kurbelgehäuse eingegossen ist. Vorzugsweise besteht dieses Rohr aus Stahl und ist kalt- oder warmumgeformt.

Besonders bevorzugt ist das Kurbelgehäuse in einer eine Mittelachse der Kurbelwelle enthaltenden Trennebene in zwei Kurbelgehäuseteile geteilt. Dies bedingt zum einen eine einfache Montage und Fertigung des Kurbelgehäuses. Zum andern kann dann in einer Kontaktfläche eines der Kurbelgehäuseteile ein umfangsseitig offener ölkanal ausgebildet werden, welcher ein Kurbelwellenlager mit wenigstens einem weiteren Kurbelwellenlager zur ölversorgung verbindet. Weiterhin kann dann der umfangsseitig offene ölkanal durch Verbinden der beiden Kurbelgehäuseteile verschlossen werden und an dem einen Kurbelgehäuseteil stirnseitig in Anschlüsse für eine ölversorgung münden. Somit wird zur Herstellung des ölkanals während des Gießprozesses ein Kern verwendet, welcher nach dem Gießvorgang auf einfache Weise entfernt werden kann. Nicht zuletzt wird durch die Montage des einen Kurbelgehäuseteils am anderen Kurbelgehäuseteil dafür gesorgt, dass der ölkanal umfangsseitig dicht verschlossen wird. Beispielsweise werden die beiden Kurbelgehäuseteile durch Zugstangen miteinander verbunden und durch Zentrierdorne gegeneinander zentriert.

Besonders bevorzugt sind sämtliche Kurbelwellenlager am Kurbelgehäuse stirnseitig ausgebildet und durch die Trennebene geteilt.

Bestenfalls ist ein oberes Kurbelgehäuseteil mit dem wenigstens einen

Kühlmittelkanal sowie mit dem jeweils oberen Teil eines Kurbelwellenlagers versehen und weist wenigstens einen einen Kolben führenden Zylinder auf. Demgegenüber weist ein unteres Kurbelgehäuseteil den wenigstens einen ölkanal sowie den jeweils unteren Teil eines Kurbelwellenlagers auf.

Das Verfahren zur Herstellung eines Luftkompressors mit einem Kurbelgehäuse, in das als Kühlmittelkanal wenigstens ein Rohr eingegossen ist, ist durch wenigstens folgende Schritte gekennzeichnet: a) Formen wenigstens des aus einem von Aluminium abweichenden Material hergestellten Rohres gemäß wenigstens eines Abschnitts des Kühlmittelkanals des Kurbelgehäuses des Luftkompressors, b) Platzieren des wenigstens einen Rohres in einer Gussform für wenigstens ein Kurbelgehäuseteil des Kurbelgehäuses, c) Gießen des wenigstens einen Kurbelgehäuseteils des Kurbelgehäuses aus Aluminium unter wenigstens teilweisem Eingießen des wenigstens einen Rohres in das wenigstens eine Kurbelgehäuseteil des Kurbelgehäuses.

Diese Vorgehensweise bringt gegenüber direkt, d.h. durch Vorsehen entsprechender Kerne in das Kurbelgehäuse eingegossenen Kühlmittelkanälen wesentliche Vorteile. Denn bei solchen müsste bei der Kühlmittelkanalführung auf eine gusstechnisch mögliche Anordnung von Gusskernen Rücksicht genommen werden, so dass die Kühlmittelkanäle nicht nach dem Kriterium einer optimalen Kühlung des Kurbelgehäuses ausgelegt werden könnten. Demgegenüber erlaubt das erfindungsgemäße Verfahren, das Rohr gemäß eines optimalen Kühlmittelkanalverlaufs zu formen bzw. zu biegen.

Zeichnung Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt. In der Zeichnung zeigt:

Fig.1 eine perspektivische Darstellung eines Kurbelgehäuses eines Luftkompressors gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;

Fig.2 eine perspektivische Darstellung eines aus Stahlrohr gewundenen Kühlmittelkanals für ein Kurbelgehäuse eines Luftkompressors;

Fig.3 eine perspektivische Darstellung eines aus Stahlrohr gewundenen Kühlmittelkanals für ein Kurbelgehäuse eines Luftkompressors gemäß einer weiteren Ausführungsform;

Fig.4 eine perspektivische Darstellung eines teilaufgeschnittenen Kurbelgehäuses mit einem integrierten Kühlmittelkanal gemäß Fig. 2;

Fig.5 eine perspektivische Darstellung eines teilaufgeschnittenen Kurbelgehäuses von Fig. 1 mit einem integrierten Kühlmittelkanal gemäß Fig. 3;

Fig.6 eine Querschnittsdarstellung eines Luftkompressors mit einem Kurbelgehäuse gemäß Fig.1;

Fig.7 eine perspektivische Explosionsdarstellung des Kurbelgehäuses von Fig.1 von unten.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Fig.1 ist von einem Luftkompressor gemäß eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung lediglich ein zweiteiliges Kurbelgehäuse 1 dargestellt. Das Kurbelgehäuse 1 ist entlang einer Trennebene 2 geteilt, welche eine Mittelachse 3 einer in Fig.6 dargestellten, durch das Kurbelgehäuse 1 in Gleitlagerschalen 4 gelagerten Kurbelwelle 5 enthält sowie senkrecht zur Kolbenbewegung angeordnet ist. Das Kurbelgehäuse 1 weist ein Unterteil 6 sowie ein Oberteil 8 auf, in welchem beispielsweise zwei Arbeitszylinder 10, 12 zur Führung von zwei Kolben 9, 11 ausgebildet sind, die in bekannter Weise über Pleuelstangen 13, 15 mit der Kurbelwelle 5 zusammenwirken. In Fig.6 ist ebenfalls ein Zylinderdeckel 17 gezeigt, der auf eine plane, obere Kontaktfläche 14 des

Oberteils 8 aufgesetzt wird und wenigstens Ein- und Auslassventile trägt. Weiterhin ist in dem Zylinderdeckel 17 wenigstens ein Kühlmittelkanal ausgebildet.

Besonders bevorzugt sind sämtliche Kurbelwellenlager 19, 21 an dem Kurbelgehäuse 1 ausgebildet. Im vorliegenden Fall sind zwei Kurbelwellenlager 19,

21 jeweils als stirnseitige halbkreisförmige öffnungen im Oberteil 8 und im Unterteil 6 ausgebildet und durch die Trennebene 2 geteilt.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist in dem Kurbelgehäuse 1 wenigstens ein Kühlmittelkanal 16 zur Führung von Kühlmittel ausgebildet, beispielsweise Luft oder ein flüssiges Kühlmittel. Der Kühlmittelkanal 16 ist vorzugsweise Bestandteil eines gemeinsamen Kühlmittelkreislaufs, welcher auch den Kühlmittelkanal des Zylinderdeckels 17 umfasst.

Gemäß der Ausführungsform von Fig.1 ist der Kühlmittelkanal 16 in der Kontaktfläche 14 des Oberteils 8 zum Zylinderdeckel 17 ausgebildet und zu dieser hin umfangsseitig offen, so dass er bei aufgesetztem Zylinderdeckel 17 umfangsseitig dicht verschlossen wird. Weiterhin ist in dem Unterteil 6 ein ölkanal 18 ausgebildet, vorzugsweise in einer Kontaktfläche 7 zum Oberteil 8.

Das Oberteil 8 und das Unterteil 6 des Kurbelgehäuses 1 sind aus Aluminium gegossen, vorzugsweise nach einem Druckguss-, Kokillenguss- oder Sandgussverfahren. Dabei wird nach der Ausführungsform von Fig.1 der Kühlmittelkanal 16 urgeformt, d.h. im Laufe des Gussprozesses zusammen mit dem Oberteil 8 gegossen, beispielsweise, indem ein entsprechender, nach dem Gießvorgang entnommener Gusskern vorgesehen wird.

Gemäß weiteren Ausführungsformen nach Fig.2 bis Fig.5 wird der Kühlmittelkanal 16 des Kurbelgehäuses 1 vorzugsweise durch ein Rohr 24 gebildet, das aus einem von Aluminium abweichenden Material hergestellt ist und welches in das

Kurbelgehäuse 1 beispielsweise im wesentlichen vollständig eingegossen ist. Das

Rohr 24 besteht vorzugsweise aus wenigstens einem Stahlrohr, das gemäß dem gewünschten Verlauf des im Oberteil 8 des Kurbelgehäuses 1 angeordneten Kühlmittelkanals 16 gebogen ist.

Ein Beispiel für ein solches Rohr 24 ist in Fig.2 gezeigt, wobei das Rohr 24 vorzugsweise einstückig ausgebildet ist und zwei entsprechend dem Umfang der beiden Arbeitszylinder 10, 12 ausgeformte Bereiche 26 aufweist. Zur

Verbesserung der Kühlwirkung können mehrere Rohrwindungen 28 über- oder nebeneinander angeordnet sein. Gemäß der Ausführungsform von Fig.2 hat das Rohr 24 zwei Windungen 28, wobei die beiden Endstücke 30, 32 des Rohres 24 in unmittelbarer Nachbarschaft nebeneinander angeordnet sind und einen Zulauf 30 bzw. Rücklauf 32 bilden. Bei dieser Ausführungsform ist in dem Bereich 34 zwischen den beiden Arbeitszylindern 10, 12 keine Kühlung durch einen Kühlmittelkanal vorgesehen.

Demgegenüber ist das Rohr 24 gemäß der Ausführungsform von Fig.3 so gebogen, dass auch der Bereich 34 zwischen den Arbeitszylindern 10, 12 durch das Rohr 24 mit Kühlmittel versorgt wird. Hierzu wird das Rohr 24 ebenfalls in mehreren Windungen 28 in Form einer Acht gebogen, wobei wiederum die beiden Enden 30, 32 in die gleiche Stirnfläche 36 des Oberteils 8 des Kurbelgehäuses 1 münden bzw. aus dieser austreten, wie Fig.4 und Fig.5 zeigen. Bei der Ausführungsform von Fig.4 ist das Rohr 24 gemäß Fig.2 und bei der Ausführungsform von Fig.5 das Rohr 24 gemäß Fig.3 in das Oberteil 8 des Kurbelgehäuses 1 eingegossen.

Insbesondere mündet weder der Zulauf 30 noch der Rücklauf 32 des Rohres 24 in der oberen Kontaktfläche 14 des Oberteils 8 des Kurbelgehäuses 1 mit dem Zylinderdeckel 17, sondern an einer von dieser Fläche 14 abweichenden Fläche, vorzugsweise im oberen Bereich einer der Stirnflächen 36 des Oberteils 8 (Fig.4) oder der Rücklauf 32 dort und der Zulauf 30 an einer Seitenfläche 38 des Oberteils 8 (Fig.5) oder umgekehrt. Selbstverständlich können auch beide Enden 30, 32 in eine der Seitenflächen 38 des Oberteils 8 münden.

Wie auch aus den teilweise aufgeschnittenen Darstellungen von Fig.4 und Fig.5 hervorgeht, ist das Rohr 24 vollständig in das Oberteil 8 des Kurbelgehäuses 1 integriert, wobei lediglich seine Enden als Zulauf 30 bzw. Rücklauf 32 beispielsweise ein Stück weit aus dem Oberteil 8 herausragen, um eine Anschlussmöglichkeit an den Kühlmittelkreislauf zu liefern, welcher vorzugsweise auch den oder die Kühlmittelkanäle des Zylinderdeckels 17 umfasst.

Zur Herstellung des Kurbelgehäuses 1 wird daher zunächst dass den späteren Kühlmittelkanal 16 bildende Rohr 24 gemäß des gewünschten Kühlmittelkanalverlaufs geformt, vorzugsweise durch Kalt- oder Warmumformung eines Stahlrohrs 24. In einem weiteren Schritt wird dann das Rohr 24 in einer Gussform für das Oberteil 8 des Kurbelgehäuses 1 derart platziert, dass es in dem zu gießenden Kurbelgehäuse 1 eine Lage einnimmt, welche der Lage des zu bildenden Kühlmittelkanals 16 in Bezug zu dem Kurbelgehäuse 1 entspricht. Zuletzt wird das Oberteil 8 des Kurbelgehäuses 1 nach einem der oben genannten Verfahren gegossen, wobei das Rohr 24 in das Kurbelgehäuse 1 , hier in dessen Oberteil 8 eingegossen und dadurch dort formschlüssig gehalten wird.

Schließlich wird der Zylinderdeckel 17 montiert und die Kühlmittelkanäle 16 des Kurbelgehäuses 1 und des Zylinderdeckels 17 aneinander angeschlossen, entweder in Reihen- oder in Parallelschaltung.

Gemäß eines alternativen Herstellverfahrens des Kühlmittelkanals 16 könnte dieser konventionell durch Vorsehen eines Kerns während des Gießprozesses hergestellt werden. Um eine hohe Beständigkeit des aus Aluminium gegossenen

Kühlmittelkanals 16 zu gewährleisten, könnte dessen innere Umfangsfläche anschließend mit einer gegenüber aggressivem und unter hohen Temperaturen stehendem Kühlmittel durch eine demgegenüber beständige Beschichtung versehen werden, beispielsweise mit einer Nickel, Karbon, Silicon und/oder Stahl enthaltenden Beschichtung. Denkbar ist auch eine Oberflächenbehandlung der radial inneren Oberfläche des gegossenen Kühlmittelkanals 16, um dort z.B.

Aluminiumnitrid auszubilden.

Wie bereits erwähnt, ist in der Kontaktfläche 7 eines der Kurbelgehäuseteile im Bereich der Trennebene 2, vorzugsweise in der Kontaktfläche 7 des Unterteils 6 zum Oberteil 8 ein umfangsseitig offener ölkanal 18 ausgebildet, welcher ein Kurbelwellenlager 19 mit dem anderen Kurbelwellenlager 21 zur ölversorgung verbindet. Bei der Montage des Oberteils 8 auf dem Unterteil 6 wird dann der umfangsseitig offene ölkanal 18 dicht verschlossen. Bevorzugt mündet dieser

ölkanal 18 am Unterteil 6 stirnseitig, d.h. an einer eine öffnung für die Kurbelwelle 5 enthaltenden Stirnfläche 40 des Unterteils 6 und bildet dort Anschlüsse 42, 43 (Vorlauf, Rücklauf) für eine ölversorgung des ölkanal 18 aus. Zur Herstellung des ölkanals 18 wird während des Gießprozesses vorzugsweise ein Kern verwendet, welcher nach dem Gießvorgang aus dem Unterteil 6 wieder entfernt wird.

Oberteil 8 und Unterteil 6 werden beispielsweise durch Gewindezugstangen 44 miteinander verbunden, welche Durchgangsbohrungen 22 im Unterteil 6 durchragen und in Gewindebohrungen im Oberteil 8 einschraubbar sind, wie aus Fig.7 hervorgeht. Eine Zentrierung des Unterteils 6 gegenüber dem Oberteil 8 erfolgt beispielsweise durch nicht gezeigte Zentrierdorne. Eine Abdichtung zwischen dem Oberteil 8 und dem Unterteil 6 kann durch eine in der Trennebene 2 angewandte Flüssigdichtung, beispielsweise in Form von Silikon oder Cyanocrilat enthaltenden Dichtstoffen erfolgen. Nach dem Zusammenbau von Oberteil 8 und Unterteil 6 ist in der Regel noch eine spanende Bearbeitung der Kurbelwellenlager 19, 21 notwendig, in die dann die vorgefertigten Gleitlagerschalen 4 eingesetzt werden.

Demnach ist das Oberteil 8 mit dem wenigstens einen Kühlmittelkanal 16 sowie mit dem jeweils einem oberen Teil eines Kurbelwellenlagers 19, 21 versehen und weist wenigstens einen einen Kolben 9, 11 führenden Arbeitszylinder 10, 12 auf. Demgegenüber weist das Unterteil 6 den wenigstens einen ölkanal 18 zur ölversorgung der Kurbelwellenlager 19, 21 sowie den jeweils unteren Teil der Kurbelwellenlager 19, 21 auf.

BezugszeichenHste

1 Kurbelgehäuse

2 Trennebene

3 Mittelachse Kurbelwelle

4 Gleitlagerschale

5 Kurbelwelle

6 Unterteil

7 Kontaktfläche Unterteil

8 Oberteil

9 Kolben

10 Arbeitszylinder

11 Kolben

12 Arbeitszylinder

13 Pleuelstange

14 Kontaktfläche

16 Kühlmittelkanal

17 Zylinderdeckel

18 ölkanal

19 Kurbelwellenlager

22 Durchgangsbohrungen

24 Rohr

26 ausgeformte Bereiche

28 Rohrwindungen

30 Endstück

Endstück Bereich Stirnfläche Oberteil Seitenfläche Oberteil Stirnfläche Unterteil Anschluss ölkanal Anschluss ölkanal Gewindezugstangen