Vorrichtung zum Ankoppeln eines Kolbens an eine Ringscheibe

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ankoppeln eines Kolbens an eine Ringscheibe, insbesondere an eine Schwenk-/Schrägscheibe oder an einen Schwenkring der Arbeitseinheit einer Hubkolbenmaschine, vorzugsweise eines Kompressors der Klimaanlage eines Kraftfahrzeugs, mit einer dem Kolben zugeordneten Kolbenbrücke und zwischen der Ringscheibe und der Kolbenbrücke wirkenden Gleitschuhen, wobei die Kolbenbrücke die Ringscheibe zumindest teilweise um- bzw. übergreift und über die Gleitschuhe in Gleiteingriff mit der Ringscheibe steht.

Die gattungsbildende Vorrichtung wird üblicherweise in Hubkolbenmaschinen verwendet, die seit vielen Jahren in den unterschiedlichsten Ausführungen und zu unterschiedlichsten Verwendungszwecken bekannt sind. Bei einer solchen Hubkolbenmaschine kann es sich beispielsweise um einen Kompressor handeln, so beispielsweise um einen Kompressor für die Klimaanlage eines Kraftfahrzeugs. Solche Kompressoren werden meist auch als Klimakompressoren bezeichnet und umfassen ein Gehäuse, welches eine von außerhalb angetriebene Verdichter- bzw. Pumpeneinheit einschließt. Die beispielsweise als Axialkolbenmaschine ausgebildete Verdichtereinheit umfasst wiederum mehrere Kolben, die in einem Zylinderblock hin und her bewegbar sind. Bei Drehung einer meist als Ringscheibe ausgebildeten Schrägscheibe oder beim Schwenken einer entsprechenden Schwenkscheibe werden die Kolben hin und her bewegt. Das Gehäuse ist üblicherweise geschlossen.

Schwenkscheibenkompressoren oder Schwenkringkompressoren sind in den unterschiedlichsten Ausführungen hinlänglich bekannt. Lediglich beispielhaft wird dazu auf die DE 4 441 721 A1 sowie auf die DE 100 10 142 C 2 verwiesen.

Hinsichtlich weiterer konstruktiver Details sei auf die DE 197 49 727 C2 verwiesen.

Bei der aus der DE 197 49 727 C2 bekannten Hubkolbenmaschine ist eine kreisrunde, ringartige Schwenkscheibe, auch Schwenkring genannt, vorgesehen, die in ihrer Neigung zur Maschinenwelle verstellbar ist. Die Schwenkscheibe wird über die Maschinenwelle zur Drehung angetrieben. Dies erfolgt über einen auf der Maschinenwelle axial geführten Schiebekörper sowie über einen mit Abstand von der Maschinenwelle angeordneten Mitnehmerbolzen. Die Kolben weisen Gelenkanordnungen auf, mit denen die Schwenkscheibe in Gleiteingriff steht.

Im Konkreten umfasst die bekannte Hubkolbenmaschine eine Arbeitseinheit mit mehreren entsprechend angetriebenen Kolben, wobei die Kolben in Zylinderbohrungen geführt sind und über besondere Kopplungselemente der Schwenk-/Taumelbewegung der Ringscheibe folgen und so ihren Hub ausführen.

Die in der bekannten Hubkolbenmaschine verwendete gattungsbildende Vorrichtung umfasst üblicherweise Gleitschuhe, die insbesondere im Einsatz von C0 ₂ -Kompressoren, aufgrund der dort auftretenden hohen Drücke und Druckunterschiede, problematisch sind. So neigen die meisten Gleitschuhe zum Festsaugen auf der Ringscheibe oder auf deren Gleitfläche. Außerdem ist der Gleitschuh nur unzureichend mit Schmiermittel versorgt, so dass ein erhöhter Verschleiß stattfindet. Außerdem führt ein Mangel an Schmiermittel zu erhöhten Betriebsgeräuschen.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Ankoppeln eines Kolbens an eine Ringscheibe, insbesondere an eine Schwenk-/Schrägscheibe oder an einen Schwenkring einer Arbeitseinheit einer Hubkolbenmaschine, vorzugsweise eines Kompressors der Klimaanlage eines Kraftfahrzeugs, nämlich eine Vorrichtung der gattunsbil- denden Art, derart auszugestalten und weiterzubilden, dass die im Stand der Technik auftretenden Probleme der Schmierung weitestgehend eliminiert sind. Des Weiteren soll ein Gleitschuh für eine entsprechende Vorrichtung angegeben werden. Schließlich soll eine Hubkolbenmaschine mit einer entsprechenden Vorrichtung angegeben werden, bei der die vorgenannten Probleme ebenfalls beseitig sind.

Die voranstehende Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Danach ist die gattungsbildende Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass die Gleitschuhe auf der der Ringscheibe zugewandten Seite um ihre eigentliche Gleitfläche herum, zur Ringscheibe hin, einen äußeren, die Gleitfläche umlaufenden Spalt bilden, der zur Aufnahme bzw. Speicherung von Schmiermittel dient.

Des Weiteren ist die voranstehende Aufgabe durch die Merkmale der nebengeordneten Patentansprüche 26 und 27 gelöst, und zwar unter Nutzung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Erfindungsgemäß ist erkannt worden, dass es für die Gleiteigenschaft des Gleitschuhs von Vorteil ist, wenn dort eine besondere Maßnahme zur Aufnahme bzw. Speicherung von Schmiermittel vorgesehen ist.

Im Konkreten ist auf der der Ringscheibe zugewandte Seite des Gleitschuhs, um die eigentliche Gleitfläche herum, ein äußerer Spalt vorgesehen, der die Gleitfläche umgibt bzw. umläuft. Dieser Spalt ist gegenüber der Oberfläche der Ringscheibe hinreichend flach ausgeführt, so dass aufgrund des entstehenden Kapillareffekts ein Schmiermitteldepot gebildet ist, in dem sich das Schmiermittel bedingt durch Kapillarkräfte sammeln kann.

An dieser Stelle sei angemerkt, dass unter dem Begriff „Gleitfläche" nicht unbedingt eine auf der Oberfläche der Ringscheibe zur Anlage kommende, in sich geschlossene Fläche zu verstehen ist. Vielmehr definiert sich die Gleitfläche durch Bereiche des Gleitschuhs, wobei Zwischenräume mit Schmiermittel gefüllt sein können.

In vorteilhafter Weise ist der Gleitschuh zumindest geringfügig federnd ausgeführt. Aufgrund der federnden Eigenschaft des Gleitschuhs lässt sich dieser bei Belastung stärker aus bzw. an die Oberfläche der Ringscheibe drücken, so dass sich dadurch die Kontaktfläche vergrößert. Beim Zurückfedern kann Schmiermittel zunächst in den umlaufenden Spalt einströmen, wobei sich das im Spalt gebildete Volumen zumindest geringfügig vergrößert.

Der Gleitschuh kann aus Metall, vorzugsweise aus Stahl und/oder aus Aluminium, gefertigt sein. Ebenso ist es denkbar, dass der Gleitschuh oberflächenbeschichtet ist, und zwar vorzugsweise mittels Kunststoff.

In ganz besonders vorteilhafter Weise ist der Gleitschuh aus Kunststoff, möglicherweise mit Additiven oder mit Einschlüssen im Sinne eines Verbundwerkstoffs, gefertigt, und zwar in idealer Weise mittels Spritzgusstechnik. Ein aus Kunststoff gefertigter Gleitschuh hat den großen Vorteil, dass er - per se - eine geringere Masse als ein Gleitschuh aus Metall, insbesondere aus Stahl, hat. Somit reduziert ein Gleitschuh aus Kunststoff bereits für sich gesehen die im Betrieb entstehenden Geräusche aufgrund der geringen Masse.

Die spritzgusstechnische Fertigung eines Gleitschuhs aus Kunststoff hat den weiteren Vorteil, dass zu seiner Herstellung keine spanende Bearbeitung erforderlich ist. Ganz im Gegenteil lässt sich der Gleitschuh mittels Spritzgusstechnik auf Endmaß herstellen. Dabei ist es möglich, die Toleranzspanne für das Spiel zwischen Gleitschuh, Schwenkring und Kolben anzuheben, nämlich durch Verwendung eines termoplastischen Materials.

In konstruktiver Hinsicht ist es von Vorteil, wenn der die Gleitfläche umlaufende Spalt als Ringspalt ausgeführt ist. Somit wäre eine rotationssymmetrische Ausgestaltung einerseits des Ringspalts und andererseits der Gleitfläche geschaffen.

Der die Gleitfläche umlaufende Spalt - Ringspalt - kann durch einen vom Gleitschuh bzw. von der Gleitfläche abragenden Absatz bzw. durch eine entsprechende Erhöhung gebildet sein, wobei dieser Absatz bzw. die Erhöhung ebenfalls kreisringförmig ausgebildet sein kann. Somit ist der Ringspalt einerseits durch die äußere Kontur des Gleitschuhs und andererseits durch den Absatz vorgegeben.

Insbesondere in Bezug auf die Gleiteigenschaft und die Versorgung der Gleitfläche mit Schmiermittel ist es von Vorteil, wenn die Gleitfläche einen zumindest geringfügig nach innen gerichteten Rücksprung, eine Ausnehmung oder dergleichen hat, wobei die Gleitfläche dazu konkav ausgebildet sein kann. Von besonderem Vorteil ist insoweit eine nach innen gerichtete Wölbung, die ein inneres Depot für Schmiermittel bildet.

Bei einer gezielten Konkavität der Gleitfläche kann der Schuh unter Last durchfedern. Dabei entsteht eine größere wirksame Kontaktfläche mit der Ringscheibe. Beim Zurückfedern bildet sich - quasi in der Gleitfläche - ein Volumen aus, in das hinreichend viel Schmiermittel nachströmen kann. Eine Art innere Kapillarwirkung begünstigt somit den Transport von Schmiermittel in den Bereich der Gleitfläche, so dass ein einwandfreier Lauf und somit eine Geräuschreduktion nebst Verschleißreduktion realisiert ist.

An dieser Stelle sei ganz besonders betont, dass die innere Konkavität nach dem Zurückfedern einen hydrodynamischen Schmierfilmaufbau generiert, und zwar aufgrund der schrägen Fläche, die die Konkavität definiert.

Die Konkavität, das heißt die nach innen gerichtete Abschrägung, kann im Bereich zwischen 0,01 mm bis 0,05 mm liegen. Somit ist gewährleistet, dass unter Nutzung des äußeren Kapillareffekts im Bereich des Ringspalts im Randbereich hinreichend viel Schmiermittel gesammelt bzw. gespeichert ist. Insbesondere bei einer Entlastung des Gleitschuhs wirkt ein innerer Kapillareffekt mit einer Konkavität im Bereich von vorzugsweise 0,01 mm bis 0,05 mm, so dass in der Saugphase der Gleitschuh zurückfedert und sich das innere Volumen in der Gleitfläche vergrößert. Aus dem äußeren Ringspalt wird Schmiermittel angesaugt und gelangt unmittelbar in den Bereich der Gleitfläche.

Ebenso ist es denkbar, dass statt einer Konkavität eine zumindest geringfügig konvexe Ausbildung der Gleitfläche vorgesehen ist, das heißt eine nach außen gerichtete Wölbung. Auch dabei gelang hinreichend viel Gleitmittel vom Ringspalt in den Bereich der Gleitfläche, wobei das Gleitmittel bei Belastung verdrängt wird.

Ungeachtet einer konkaven oder konvexen Ausgestaltung der Gleitfläche ist es von weiterem Vorteil, wenn in der Gleitfläche Schmiernuten ausgebildet sind, die sich vom äußeren Ringspalt nach innen erstrecken und in der Gleitfläche zumindest bereichsweise offen sind. Die Vorkehrungen der Schmiernuten vermeidet außerdem ein Festsaugen der Gleitfläche auf der Oberfläche des Gleitrings. Außerdem wird durch die Schmiernuten hinreichend viel Schmiermittel in den inneren Bereich der Gleitfläche transportiert. Die Schmiernuten können bereichsweise offen oder geschlossen sein. Eine insgesamt offene Ausgestaltung der Schmiernuten ist insbesondere im Hinblick auf eine einfache Konstruktion/Fertigung von Vorteil, so dass sich die Schmiernuten insgesamt in der Gleitfläche öffnen bzw. von vornherein offen ausgebildet sind.

Die Schmiernuten können sich vom Ringspalt aus radial nach innen erstrecken, wobei es denkbar ist, dass sie mit Abstand zur Mitte enden, damit sie sich nicht gegenseitig beeinflussen. Ebenso ist es denkbar, dass die Schmiernuten eine H-förmige Anordnung in der Gleitfläche haben. Beliebige sonstige Ausgestaltungen sind möglich, wobei sicherzustellen ist, dass durch die Schmiemuten hinreichend viel Schmiermittel in den Bereich der Gleitfläche des Gleitschuhs gelangt.

Die Schmiernuten können einen in etwa rechteckigen Querschnitt mit einem im Wesentlichen flächigen Nutengrund aufweisen. Ebenso ist es denkbar, dass die Schmiernuten einen etwa

V-förmigen Querschnitt mit spitz zulaufendem Nutengrund haben. Ein teilkreis- oder teilel- lypsenartiger Querschnitt mit einem gewölbten oder bogenförmigen Nutengrund ist ebenso denkbar.

Des Weiteren ist es von Vorteil, wenn im Gleitschuh eine durchgehende Bohrung ausgebildet ist, die eine Strömungsverbindung zwischen der Gleitfläche und der der Kolbenbrücke bzw. der Pfanne zugewandten Oberfläche des Gleitschuhs herstellt. Eine solche durchgehende Bohrung, möglichst zentral angeordnet, vermeidet wirksam ein Festsaugen des Gleitschuhs auf der Oberfläche der Ringscheibe, und zwar insbesondere beim Zurückfedern des Gleitschuhs. Somit kommuniziert die durchgehende Bohrung mit beiden Seiten des Gleitschuhs, wodurch auch insoweit ein Transport von Schmiermittel möglich ist.

Auf der der Kolbenbrücke zugewandten Seite ist der Gleitschuh in weiterer vorteilhafter Weise mit einer Kugelsegmentfläche zum Eingriff in eine der Kolbenbrücke zugeordneten Pfanne mit entsprechend angepasster Geometrie ausgestattet. Auch dort kommt Schmiermittel zum Einsatz, wobei es von weiterreichendem Vorteil ist, wenn der Radius der Kugelsegmentfläche von dem Radius der Innenwandung der Pfanne zumindest geringfügig abweicht. Im Konkreten kann der Radius der Kugelsegmentfläche zumindest geringfügig kleiner oder geringfügig größer als der Radius der Pfanne sein, wodurch sich unterschiedliche Anlagen und Kräfteverhältnisse zwischen dem Gleitschuh und der Kolbenbrücke bzw. der Pfanne ergeben. Ein Festsaugen zwischen den beiden Bauteilen ist aufgrund der unterschiedlichen Radien wirksam vermieden.

Mit dem nebengeordneten Patentanspruch 26 ist ein Gleitschuh entsprechend den voranstehenden Ausführungen beansprucht, der zum Einsatz in einer Vorrichtung zum Ankoppeln eines Kolbens an eine Ringscheibe, insbesondere an eine Schwenk-/Schrägscheibe oder an einen Schwenkring der Arbeitseinheit einer Hubkolbenmaschine, dient.

Mit dem weiteren nebengeordneten Patentanspruch 27 ist eine Hubkolbenmaschine beansprucht, die eine erfindungsgemäße Vorrichtung und somit auch einen erfindungsgemäßen Gleitschuh umfasst.

In der Zeichnung zeigen

Fig. 1 in einer schematischen Seitenansicht, geschnitten, ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig: 2 in einer schematischen Seitenansicht, geschnitten, ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 3 in einer schematischen Ansicht, von unten, ein Ausführungsbeispiel eines Gleitschuhs und

Fig. 4 in einer schematischen Ansicht, von unten, ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Gleitschuhs.

Die Fig. 1 und 2 zeigen zwei unterschiedliche Ausführungsbeispiele einer Vorrichtung zum Ankoppeln eines in den Figuren nicht gezeigten Kolbens an eine Ringscheibe 1, die in den Figuren 1 und 2 lediglich angedeutet ist. Im Konkreten handelt es sich bei der Ringscheibe 1 um eine Schwenk-/Schrägscheibe oder um einen Schwenkring der Arbeitseinheit einer Hubkolbenmaschine, wie sie beispielsweise aus der DE 197 49 727 C2 bekannt ist. Hinsichtlich diesbezüglicher Details sei daher ausdrücklich auf die DE 19749 727 C2 verwiesen.

Die Vorrichtung umfasst eine dem Kolben zugeordnete Kolbenbrücke 2, und zwischen der Ringscheibe 1 und der Kolbenbrücken 2 wirkende Gleitschuhe 3, wobei der Einfachheit halber lediglich ein Teil der Kolbenbrücke 2 und ein einziger Gleitschuh 3 gezeigt sind. So sei ergänzend angemerkt, dass die Kolbenbrücke 2 die Ringscheibe 1 teilweise übergreift und dass der nicht gezeigte Kolben über die Gleitschuhe 3 im Gleiteingriff mit der Ringscheibe 1 steht.

Erfindungsgemäß bilden die Gleitschuhe 3 auf der der Ringscheiben 1 zugewandten Seite, um deren eigentliche Gleitfläche 4 herum, zur Ringscheibe 1 hin, einen äußeren, die Gleitfläche 4 umlaufenden Spalt 5, der zur Aufnahme bzw. Speicherung von Schmiermittel dient.

Der Gleitschuh 3 ist bei den hier gewählten Ausführungsbeispielen aus Kunststoff hergestellt und hat federnde Eigenschaften. Im Konkreten ist der Gleitschuh 4 spritzgusstechnisch hergestellt.

Die Fig. 1 und 2 zeigen des Weiteren, dass der die Gleitfläche 4 umlaufende Spalt 5 als Ringspalt ausgeführt ist. Die Fig. 3 und 4 zeigen dies besonders deutlich.

Bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel hat der die Gleitfläche umlaufende Spalt 5 einen vom Gleitschuh 3 bzw. von der Gleitfläche 4 abragenden Absatz 6, wobei der Absatz 6 ebenfalls kreisringförmige Ausgestaltung hat. Somit ist der Ringspalt 5 durch die äußere Kontur des Gleitschuhs 3 und durch den kreisringförmigen Absatz 6 definiert bzw. begrenzt.

Das in Fig. 1 gezeigte Ausführungsbeispiel lässt des Weiteren erkennen, dass die Gleitfläche 4 eine konkave Ausbildung, das heißt eine nach innen gerichtet Wölbung, hat. Diese Wölbung dient ebenfalls als Schmiermittelreservoir, wobei sich der so gebildete innere Raum 7 beim Entlasten des Gleitschuhs 3, das heißt beim Rückfedern des Gleitschuhs 3, mit Schmiermittel voll saugt, welches aus dem Bereich des Ringspalt 5 in den inneren Raum 7 eingesogen wird. Die Konkavität liegt beispielsweise im Bereich zwischen 0,01mm bis 0,05 mm.

Bei dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Gleitfläche 4 konvex ausgebildet, um- fasst somit eine nach außen gerichtete Wölbung. Ungeachtet dessen ist die Gleitfläche 4 auch bei dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel von einem Ringspalt 5 umgeben, aus dem heraus Schmiermittel in den Bereich unter die Gleitfläche 4 bzw. seitlich der Gleitfläche 4 strömen kann, nämlich insbesondere dann, wenn der Gleitschuh 3 entlastet wird und sich der Spalt seitlich bzw. unter der Gleitfläche 4 beim Zurückfeder des Gleitschuhs 3 vergrößert.

Die Fig. 3 und 4 zeigen Ausführungsbeispiele eines Gleitschuhs 3, nämlich in einer Ansicht von untern, das heißt von der Ringscheibe 1 her gesehen. Vom Ringspalt 5 aus erstrecken sich Schmiernuten 8 in den Bereich der Gleitfläche 4 hinein, so dass eine hinreichend gute Versorgung mit Schmiermittel gewährleistet ist. Außerdem sorgen die Schmiernuten 8 dafür, dass ein Festsaugen des Gleitschuhs 3 wirksam vermieden ist.

Während sich bei dem in Fig. 3 gezeigten Ausführungsbeispiel die Schmiernuten 8 radial zum Zentrum hin erstrecken, sind die in Fig. 4 gezeigten Schmiernuten 8 H-förmig angeordnet. Beliebige sonstige Anordnungen sind denkbar, wobei stets eine Strömungsverbindung zum Ringspalt 5 vorgesehen ist. Die Schmiernuten 8 können einen unterschiedlichen Querschnitt aufweisen, beispielsweise rechteckige Querschnitte, abgerundete Wandungen, V-förmige Querschnitte, etc..

Noch einmal sei Bezug genommen auf die Fig. 1 und 2, diesmal auf die der Ringscheibe 1 gegenüberliegende Seite des Gleitschuhs 3, nämlich in Bezug auf das Zusammenspiel zwischen Gleitschuh 3 und Kolbenbrücke 2.

So umfasst der Gleitschuh 3 auf der der Kolbenbrücke 2 zugewandten Seite eine Kugelsegmentfläche 9 zum Eingriff in eine der Kolbenbrücke 2 zugeordnete Pfanne 10 mit entsprechend angepasster Geometrie.

Bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Radius der Kugelsegmentfläche 9 geringfügig kleiner als der Radius der Pfanne 10, so dass ein kleiner Spalt 11 im unbelasteten Zustand besteht.

Bei dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel hat die Kugelsegmentfläche 9 einen geringfügig größeren Radius als die Pfanne 10, so dass ein Freiraum zwischen der Kolbenbrücke 2 und dem Gleitschuh 3 besteht, und zwar ebenfalls im unbelasteten Zustand. Ein Rückfedern der Gleitschuhs 3 bei Entlastung des Gleitschuhs 3 vermeidet ein gegenseitiges Ansaugen der Bauteile, so dass auch in soweit die Gleiteigenschaft ganz erheblich begünstigt ist.

In Bezug auf Merkmale, die sich den Figuren nicht entnehmen lassen, sei zur Vermeidung von Wiederholungen auf den allgemeinen Teil der Beschreibung verwiesen. Schließlich sei angemerkt, dass die voranstehend erörterten Ausführungsbeispiele der Erörterung der beanspruchten Lehre dienen, diese jedoch nicht auf die Ausführungsbeispiele einschränken.

Bezugszeichenliste

Ringscheibe Kolbenbrücke Gleitschuh Gleitfläche (des Gleitschuhs) Spalt, Ringspalt Absatz innerer Raum Schmiernut Kugelsegmentfläche Pfanne Spalt (zwischen Kolbenbrücke und Gleitschuh) konvexe Ausbildung der Gleitfläche 4