vorzugsweise für einen ölfreien Kolbenverdichter

Die Erfindung betrifft eine Kurbel tri ebanordnung mit verdrehgesicherter Pleuellagerung, umfassend eine Kurbelwelle an der über mindestens ein Wälzlager ein Leichtmetallpleuel drehbar angebracht ist, wobei Mittel zur Verdrehsicherung einer unteren Pleuelbohrung des Leichtmetallpleuels gegenüber einem Lageraußenring des Wälzlagers vorgesehen sind.

Das Einsatzgebiet der Erfindung erstreckt sich auf Verdichtereinheiten zur Erzeugung von Druckluft, die vornehmlich bei Schienenfahrzeugen verwendet werden. Eine solche Verdichtereinheit kann als einstufiger oder mehrstufiger Kolbenverdichter ausgeführt sein. Ein einstufiger Kolbenverdichter besteht gewöhnlich im Wesentlichen aus einem

Verdichtergehäuse, an dem ein Zylinder angeordnet ist, welcher einen Kolben zum

Komprimieren angesaugter Druckluft enthält. Der Kolben vollführt seine bidirektionale Arbeitsbewegung stets über eine am Kolbenbolzen angelenkte Kurbel tri ebanordnung. Die Kurbel tri ebanordnung umfasst ein Pleuel, welches an dem dem Kolbenbolzen

gegenüberliegenden Ende mit einer Pleuelbohrung an dem Kurbelzapen einer Kurbelwelle drehbar gelagert ist. Der Kurbelzapfen befindet sich gewöhnlich im Scheitelpunkt einer Kröpfung der Kurbelwelle. Die Kurbelwelle ist drehbar innerhalb des Verdichtergehäuses wälzgelagert und wird über eine vorgeschaltete Antriebseinheit in Rotation versetzt.

Neben der vorstehend beschriebenen einstufigen Verdichtereinheit sind auch mehrstufige Verdichtereinheiten allgemein bekannt, welche gewöhnlich über mindestens eine

Niederdruckstufe und mindestens eine nachgeschaltete Hochdruckstufe verfügen, um die angesaugte Luft höher zu komprimieren. Hierfür sind mehrere Zylinder vorhanden, deren innenliegende Kolben mit einer entsprechenden Anzahl von Pleueln über eine Kurbelwelle bidirektional angetrieben werden.

Die Verdichtereinheiten der hier interessierenden Art lassen sich in ölgeschmierte

Verdichtereinheiten und trockenlaufende Verdichtereinheiten unterteilen. Ölgeschmierte Verdichtereinheiten verfügen über ein im Ventilgehäuse befindliches Ölbad, welches zum Schmieren der Lagerstellen während des Betriebes dient. Vermehrt werden jedoch

trockenlaufende Verdichtereinheiten eingesetzt, bei denen dauergeschmierte Wälzlager auch bei der Pleuellagerung zum Einsatz kommen. Trockenlaufende Verdichtereinheiten zeichnen sich insbesondere durch eine geringe Masse sowie eine höhere Montagefreundlichkeit aus. Zudem fällt kein aufwendig zu entsorgendes Getriebeöl an. Allerdings sind bei

trockenlaufenden Kolbenverdichtern besondere Anforderungen an die Pleuellagerung gestellt. So muss dieser bei sehr hohen Temperaturen über einen Zeitraum von mehreren Jahren hinweg wartungsfrei funktionieren, ohne dass Dichtungsverschleiß entsteht, also das

Schmierfett nicht aus den Wälzlagerstellen rinnt. Besondere Probleme entstehen im Zuge des zunehmenden Leichtbautrends. Um die Masse von Verdichtereinheiten weiter zu reduzieren, werden vermehrt Leichtmetallpleuel verwendet, die vorzugsweise aus einer

Aluminiumlegierung bestehen.

Aus der EP 1 314 898 AI geht eine gattungsgemäße Kurbeltriebanordnung mit einem

Leichtmetallpleuel hervor. Um zu verhindern, dass es wegen der unterschiedlichen

Wärmeausdehnungskoeffizienten des Leichtmetallpleuels gegenüber dem am Kurbelzapfen montierten Wälzlager bei hohen Temperaturen durch Spaltbildung zum ungewollten Lösen des Lageraußenrings gegenüber dem Leichtmetallpleuel kommt, wird hier vorgeschlagen, dazwischen einen Fixierring aus einem Material mit zumindest annähernd gleichen spezifischen Wärmeausdehnungskoeffizienten wie das Material des Wälzlagers zu

verwenden. Der Fixierring ist einerseits über eine Presspassung mit dem Wälzlager drehfest verbunden und andererseits formschlüssig mit dem Leitmetallpleuel drehfest verbunden. Die formschlüssige Verbindung zwischen dem Fixierring und dem Leichtmetallpleuel kann über mindestens einen radial wirkenden Stift erfolgen, der als separates Bauteil oder als

Bestandteil des Leichtmetallpleuels oder Bestandteil des Fixierrings ausgebildet sein kann. Ist der Stift beispielsweise Bestandteil des Leichtmetallpleuels, so kommt dieser in eine korrespondierende Ausnehmung seitens des Fixierrings in Eingriff.

Da eine solche Kurbel tri ebanordnung mit formschlüssig verdrehgesicherter Pleuellagerung während des Betriebes hohen Temperaturschwankungen ausgesetzt ist und hohe Laufzeiten mit hohen Einschaltdauern gefahren werden, muss die formschlüssige Verdrehsicherung hohen Wechselbelastungen standhalten. In der Praxis hat sich gezeigt, dass insbesondere dann hohe Belastungen auf die Verdrehsicherung wirken, wenn kurzzeitige Bügelsprünge stattfinden, das heißt Stromschienenunterbrechungen bei elektrisch angetriebenen

Schienenfahrzeugen. Die Bügelsprünge verursachen einen kurzzeitigen Drehzahlabfall des Antriebs der Kurbel tri ebanordnung des Kolbenverdichters, welcher alsbald schlagartig wieder ansteigt. Diese typische Wechselbelastung führt dazu, dass ständige Relativbewegungen im Spiel der Verdrehsicherung für die Pleuellagerung auftreten. Hierdurch kann das

montagetechnisch erforderliche Spiel der Bauteilpaarung Stift zu Ausnehmung ausschlagen. Ein ausgeschlagener Verdrehsicherungsstift kann wiederum zu Lagerschäden führen.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Kurbel tri ebanordnung mit verdrehgesicherter Pleuellagerung dahingehend weiter zu verbessern, dass die

Verdrehsicherung das Durchdrehen der Lageraußenringe der Wälzlager in der

korrespondierenden Pleuelbohrung des Leichtmetalpleuels selbst bei hohen

Temperaturunterschieden und Momentenstößen zuverlässig verhindert.

Die Aufgabe wird ausgehend von einer Kurbel tri ebanordnung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Die nachfolgenden abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder.

Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass die bei der Kurbel tri ebanordnung verwendeten Mittel zur Verdrehsicherung mindestens eine zwischen der Pleuelbohrung und dem Lageraußenring des Wälzlagers kraftschlüssig wirkende und in einer vorzugsweise wälzlagerseitig angeordneten Umfangsnut eingebrachte Kunststoffeinlage umfasst. Die Kunststoffeinlage kann auch pleuelseitig angebracht werden.

Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung liegt insbesondere darin, dass anstatt einer ausschlaggefährdeten formschlüssigen Verdrehsicherung eine auf den gesamten Umfang der Bauteilverbindung wirkende kraftschlüssige Verdrehsicherung zum Einsatz kommt. Die erfindungsgegenständliche Kunststoffeinlage weist materialbedingt einen wesentlich höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, als das Leichtmetallmaterial des Pleuels. Dadurch wird das temperaturanstiegsbedingte Ausdehnen des Leichtmetallmaterials im Rahmen der Bauteilverbindung ausgeglichen und ein Lösen verhindert. Beim Einpressen des Wälzlagers mit den erfindungsgegenständlichen Kunststoffeinlagen in die Pleuelbohrung weist die Kunststoffeinlage über die diese aufnehmende Umfangsnut hinaus einen Überstand auf, der bei einer ungeteilten Pleuelbohrung bei der Montage abgesehen! werden kann und bei einem geteilten Leichtmetallpleuel umfasst und verpresst wird. Hierdurch erhöht sich in

vorteilhafterweise die Vorspannung der miteinander zu verbindenden Bauteile.

Vorteilhafterweise wird die Kunststoffeinlage im Falle eines geteilten Pleuels an der Stelle der Pleuelteilung senkrecht zur Teilung abgeflacht, um die Montage zu erleichtern und eine Materialabscherrung an den Teilungskanten zu vermeiden.

Gemäß einer die Erfindung verbessernden Maßnahme wird vorgeschlagen, einen

Zwischenring auf Metall zwischen dem Lageraußenring und der Pleuelbohrung anzuordnen, an dessen Außenumfang die mindestens eine wälzgelagerte Umfangsnut zur Aufnahme der zugeordneten Kunststoffeinlage ausgebildet ist. Durch Verwendung des Zwischenrings braucht die Oberfläche des Lageraußenrings des Wälzlagers nicht bearbeitet zu werden und es können insoweit standardisierte Wälzlager in Verbindung mit dem Zwischenring aus Metall - vorzugsweise Stahl - verwendet werden, um hiermit die Umfangsnut zur Aufnahme der Kunststoffeinlage bereitzustellen. Bei Verwendung eines Zwischenrings sollte die Tiefe der Umfangsnut maximal 0,5 x der Dicke des Zwischenrings sein, um der Kunststoffeinlage einerseits genügend formschlüssigen Halt zu geben und andererseits eine hinreichende Stabilität des Zwischenrings als Bestandteil der Mittel zur Verdrehsicherung unter allen Betriebsbedingungen zu gewährleisten.

In Folge dessen ergibt sich als weitere Ausführungsform der Erfindung, dass die mindestens eine wälzgelagerte Umfangsnut zur Aufnahme der zugeordneten Kunststoffeinlage auch direkt am Außenumfang des Lageraußenrings ausgebildet sein kann. In diesem Falle kann auf die Verwendung eines Zwischenrings verzichtet werden, es sind jedoch speziell bearbeitete Wälzlageraußenringe erforderlich.

Gemäß einer die Erfindung im Hinblick auf die Verdrehsicherung weiter verbessernden Maßnahme wird vorgeschlagen, dass als zusätzliches formschlüssiges

Verdrehsicherungsmittel ein zwischen dem Lageraußenring des Wälzlagers und der

Pleuelbohrung radial verlaufend angeordnete Sicherungsstift oder dergleichen vorgesehen ist. Der Sicherungsstift ist vorzugsweise im Pleuel spielfrei, beispielsweise mittels Gewinde oder Presssitz befestigt und greift in eine spielbehafteten Passung formschlüssig seitens des hiermit zu verbindenden Bauteils ein. Dies kann entweder direkt der Lageraußenring des Wälzlagers sein oder der Zwischenring, falls ein solcher in Verbindung mit dem Wälzlager verwendet wird und insoweit auf den Lageraußenring zusätzlich aufgepresst ist. Natürlich ist es auch möglich, den Sicherungsstift seitens des Wälzlagers anzuordnen und in eine

korrespondierende Ausnehmung seitens des Leichtmetallpleuels zum Eingriff zu bringen. Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind mehrere Umfangsnuten mit je zugeordneten Kunststoffeinlagen axial beabstandet zueinander angeordnet. Hierdurch lässt sich - je nach Anzahl der benachbarten Umfangsnuten mit Kunststoff einlagen - die Wirkung der kraftschlüssigen Verdrehsicherung in einfacher Weiser vervielfachen. Die Anzahl der Umfangsnuten ist dabei begrenzt von der Breite des Wälzlagers.

Vorzugsweise besteht die Kunststoffeinlage aus Polyamid (PA) und ist durch Spritzgießen in die zugeordnete Umfangsnut eingebracht. Falls für die Verdrehsicherung ein Zwischenring zum Einsatz kommt, so wird zusätzlich vorgeschlagen, die darin vorhandene

Durchgangsbohrung zur Hindurchführung des Sicherungsstiftes im Rahmen einer zusätzlichen formschlüssigen Verdrehsicherung so zu platzieren, dass eine Überschneidung mit der mindestens einer Umfangsnut entsteht. Durch diese einfache Maßnahme kann die Durchgangsbohrung als Anspritzstelle für die Kunststoffeinlage genutzt werden. Somit wird gewährleistet, dass die Kunststoffeinlage keine störenden Anspritzstellen am Umfang erfordert, welche die Montage erschweren würden oder Bearbeitungsmehraufwand verursachen würden.

In alternativer Weise kann die Kunststoffeinlage auch aus einem Kautschukmaterial hergestellt werden, welches durch Einvulkanisieren in die zugeordnete Umfangsnut eingebracht wird. Hierbei ist eine Anspritzstelle nicht erforderlich; aufgrund der

Materialeingenschaften ist allerdings mit einer gegenüber der Verwendung von Polyamid geringeren kraftschlüssigen Verbindung zu rechnen.

Weiterhin wird vorgeschlagen, dass die Kunststoffeinlage gegenüber der Außenoberfläche des Lageraußenrings bzw. des Zwischenrings ein radiales Übermaß zwischen 0,2 bis 0,5mm aufweist. Versuche haben ergeben, dass eine Unterschreitung dieses Übermaßes die kraftschlüssige Verdrehsicherungsfunktion beeinträchtigen würde; eine Überschreitung des Übermaßes würde dagegen Montageprobleme bereiten, da beim hierbei auftretenden Verpressen der Kunststoffeinlage das Material nicht aus der Umfangsnut herausquellen darf.

Um dies zusätzlich zu verhindern wird vorgeschlagen, dass an den Kanten der

Kunststoffeinlage zur Außenoberfläche des Lageraußenrings bzw. Zwischenrings hin ein radiales Untermaß zwischen 0,2 und 0,5 mm ausgebildet ist. Hierdurch werden im besagten Kantenbereich der Kunststoffeinlage, angrenzend zur Außenoberfläche des

Lageraußenrings/Zwischenrings also umlaufend nutförmige Ausnehmungen geschaffen, in die das Kunststoffmaterial beim montagebedingten Verpressen der Kunststoffeinlage hinein verdrängt werden kann, um das vorstehend erwähnte Überquellen aus der Umfangsnut zu verhindern.

Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigt:

Figur 1 einen Längsschnitt durch einen ölfreien Kolbenverdichter mit einer

wälzgel agerten Kurb eltri eb anordnung,

Figur 2 eine Draufsicht auf einen Zwischenring als Bestandteil der Mittel zur

Verdrehsicherung,

Figur 3 einen Querschnitt im Bereich des kurbelwellenseitigen Wälzlagers mit Mitteln zur Verdrehsicherung in einer ersten Ausführungsform,

Figur 4 einen Querschnitt im Bereich des kurbelwellenseitigen Wälzlagers mit Mitteln zur Verdrehsicherung in einer zweiten Ausführungsform, und Figur 5 einen Querschnitt im Bereich des kurbelwellenseitigen Wälzlagers mit Mitteln zur Verdrehsicherung in einer dritten Ausführungsform.

Die in der Figur 1 dargestellte Kurb eltrieb anordnung ist Bestandteil einer einstufigen Verdichtereinheit, an deren Verdichtergehäuse 1 ein luftgekühlter Zylinder 2 durch eine Schraubverbindung lösbar befestigt ist. Der Zylinder 2 umschließt einen innenliegenden Kolbenraum 4, in dem ein Kolben 7 zum Komprimieren von Luft hin- und her bewegbar angeordnet ist. An der Innenwandung einer in den Zylinder 2 eingepressten Laufbuchse 5 kommt ein dynamischer Dichtring 6 zur Anlage, der in einer außenradial in einem Kolben 7 angeordneten Umfangsnut gehalten ist. Der Kolben 7 vollzieht durch seine Arbeitsbewegung ein wechselndes Ansaugen und Komprimieren von Luft.

Zu diesem Zweck ist am Kolben 7 ein Leichtmetallpleuel 8 schwenkbar gelagert. Die Lagerung erfolgt über einen Kolbenbolzen 9, welcher radial durch den Kolben 7 verläuft und ein Nadellager 10 trägt. Das Nadellager 10 bildet die Lagerstelle gegenüber dem

Leichtmetallpleuel 8. Zur Aufnahme des Nadellagers 10 ist eine korrespondierende

Ausnehmung 11 am kolbenseitigen Endbereich des Leichtmetallpleuels 8 vorgesehen.

Im gegenüberliegenden Endbereich des Leichtmetallpleuels 8 ist eine Ausnehmung 12 angeordnet, die zur Aufnahme eines Wälzlagers 13 dient. Das Wälzlager 13 ist hier nach Art eines Zylinderrollenlagers ausgeführt, welches eine Drehlagerung des Leitmetallpleuels 8 gegenüber einer Kurbelwelle 14 ermöglicht. Die Kurbelwelle 14 wiederum ist drehbar innerhalb des Verdichtergehäuses 1 gelagert und wird von einer - hier nicht gezeigten - Antriebseinheit in Drehbewegung versetzt. Die Kurb eltrieb anordnung wandelt diese Drehbewegung in eine bidirektionale Bewegung des Kolbens zum Komprimieren von Luft um. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Verdichtereinheit trockenlaufend ausgeführt. Eine Nachschmierung des kurbelwellenseitigen Wälzlagers 13 sowie des kolbenseitigen Nagellagers 10 kann über eine am Leichtmetallpleuel 8 angeordnete Schmiernippelanordnung 15 mit weiterführenden pleuelinternen Kanälen erfolgen. Um bei Temperaturänderungen ein Lösen des Wälzlagers 13 innerhalb der unteren Pleuelbohrung 12 des Leichtmetallpleuels 8 aufgrund unterschiedlicher materialbedingter Wärmeausdehnungskoeffizienten der benachbarten Bauteile zu vermeiden, ist zwischen dem Wälzlager 13 und dem

Leichtmetallpleuel 8 ein Zwischenring 16 angeordnet.

Der Zwischenring 16 steht einerseits über eine Presspassung mit dem Lageraußenring 18 des Wälzlagers 13 drehfest in Verbindung; andererseits ist der Zwischenring 16 über weitere Bestandteile der Mittel zur Verdrehsicherung kraftschlüssig mit der Pleuelbohrung 12 des Leichtmetallpleuels 8 drehfest verbunden. Da der Zwischenring 16 aus einem Material mit gleichem spezifischen Wärmeausdehnungskoeffizienten wie das Material des Wälzlagers 13 besteht - nämlich Stahl - ist ein Lösen der Presspassung seitens dieser Verbindungspartner nicht zu befürchten. Ein aufgrund des unterschiedlichen materialbedingten

Ausdehnungsverhaltens zwischen dem Leichtmetallpleuel 8 und dem Zwischenring 16 entstehendes Spaltspiel wird erfindungsgemäß über kraftschlüssig wirkende Mittel zur Verdrehsicherung kompensiert, so dass auch seitens dieser Verbindungspartner eine drehfeste Verbindung selbst bei hohen Temperaturschwankungen sichergestellt ist.

Bei diesem Ausführungsbeispiel bestehen das Wälzlager 13 sowie der Zwischenring 16 aus Stahl, wogegen dass Leichtmetallpleuel 8 aus einer Aluminiumlegierung hergestellt ist. Das Leichtmetallpleuel 8 ist im Bereich der Pleuelbohrung 12 für das Wälzlager 13 geteilt aufgebaut, wobei zwei Schrauben 17 (exemplarisch) zur lösbaren Verbindung vorgesehen sind, um eine Montage oder Demontage des Leichtmetallpleuels 8 bezüglich des Wälzlagers 13 zu ermöglichen. Wie aus Figur 2 ersichtlich ist, umfassen die kraftschlüssig wirkenden Mittel zur Verdrehsicherung zwei benachbart zueinander an der Außenoberfläche des Zwischenrings 16 eingebrachte Umfangsnuten 19a und 19b, welche jeweils eine Kunststoffeinlage 20a bzw. 20b aus Polyamid aufnehmen. Der Zwischenring 16 weist eine Durchgangsbohrung 21 zur Hindurchführung weiterer - an nachstehender Stelle näher beschriebene - Sicherungsmittel auf, welche eine Überschneidung mit den Umfangsnuten 19a und 19b aufweist. Hierdurch kann die Durchgangsbohrung 21 als Anspritzstelle für die Kunststoffeinlagen 20a und 20b genutzt werden, um dieselbe spritzgießtechnisch zu erzeugen, ohne das hinderlicher

Materialüberschuss entsteht.

Die Kunststoffeinlage 20a und 20b besitzt gegenüber der Außenoberfläche des

Lageraußenrings 16 ein radiales Übermaß von maximal 0,5 mm, um die kraftschlüssige Verdrehsicherung bei dem hier vorliegendem Ausführungsbeispiel sicherzustellen.

Gemäß Figur 3 ist die Breite des Zwischenrings 16 größer als die Breite des hiermit verpressten Wälzlagers 13. Der beidseitige Überstand dient der Anordnung von Dichtungen 22a und 22b, welche als Labyrinthdichtungen ausgeführt sind. Die Dichtungen 22a und 22b des Wälzlagers 13 verhindern, dass dessen Fettfüllung nach außen dringen kann und umgekehrt, dass Schmutz in das Lagerinnere dringen kann. Das Wälzlager 13 kann gemeinsam mit dem hierauf aufgepressten Zwischenring 16 und den beidseitigen Dichtungen 22a und 22b in Form einer vormontierten Baueinheit ausgebildet werden.

Gemäß des in Figur 4 dargestellten anderen Ausführungsbeispiels sind die wälzlagerseitigen Umfangsnuten 19a' und 19b' zur Aufnahme der zugeordneten Kunststoff einlagen 20a' und 20b' direkt am Außenumfang des Lageraußenrings 18' des Wälzlagers 13' ausgebildet. Der Lageraußenring 18' ist dabei so geformt, dass die beidseitigen Dichtungen 22a' und 22b' in das Wälzlager 13' mit integriert sind. Im Ausführungsbeispiel nach Figur 5 ist zwischen dem Lageraußenring 18" und dem

Leichtmetallpleuel 8" ein dazwischen radial verlaufend angeordneter Sicherungsstift 23 als zusätzliches formschlüssiges Mittel zur Verdrehsicherung vorgesehen. Der Sicherungsstift 23 ist einerseits über ein Gewinde in den Lageraußenring 18" des Wälzlagers 13" eingeschraubt und greift zum anderen Ende in eine korrespondierende Sicherungshülse 24 ein, welche in das Leichtmetallpleuel 8" eingepresst ist, um die formschlüssigen Mittel zur Verdrehsicherung belastungsbeständiger zu gestalten.

Die Erfindung ist nicht beschränkt auf die vorstehend beschriebenen bevorzugten

Ausführungsbeispiele. Es sind auch Änderungen denkbar, welche vom Schutzumfang der nachfolgenden Ansprüche mit umfasst sind. So ist es beispielsweise auch möglich, nur eine einzige Umfangsnut mit hieran angeordneter Kunststoffeinlage zu verwenden und etwaige zusätzliche formschlüssige Mittel zur Verdrehsicherung, welche die erfindungsgemäß kraftschlüssig wirkenden Mittel zur Verdrehsicherung ergänzen, auch auf eine andere Weise auszuführen, die einen Formschluss zwischen dem Lageraußenring des Wälzlagers 13 und der Pleuelbohrung 12 des Leichtmetallpleuels 8 gewährleistet.

Bezugszeichenliste

Verdichtergehäuse

Zylinder

Schraubverbindung

Kolbenraum

Laufbuchse

Dichtring

Kolben

Leichtmetallpleuel

Kolbenbolzen

Nadellager

Ausnehmung

Pleuelbohrung

Wälzlager

Kurbelwelle

Schmiernippelanordnung

Zwischenring

Schraube

Lageraußenring

Umfangsnut

Kunststoffeinlage

Durchgangsb ohrung

Dichtung

Sicherungsstift

Sicherungshülse