Titel

Kolben-Zylinder-Baugruppe für einen Radialkolbenverdichter sowie Radialkolbenverdichter

Die Erfindung betrifft eine Kolben-Zylinder-Baugruppe für einen Radialkolbenverdichter nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 sowie einen Radialkolbenverdichter mit einer Mehrzahl von in einer Umfangsrichtung gleichmäßig verteilt angeordneten Kolben- Zylinder-Baugruppen. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Kolben-Zylinder- Baugruppe für einen Radialkolbenverdichter, der zum Verdichten von Kältemittel verwendet wird, wobei als Kältemittel CO2 (Kältemittel R744) zum Einsatz kommt. Dieses Kältemittel wird im Hochdruckbereich auf Drücke von 140 bar oder höher verdichtet, so dass es zu hohen mechanischen Belastungen der Kolben-Zylinder- Baugruppe kommt.

Die Druckschrift EP 1 553 291 A2 befasst sich mit einer Hubkolbenmaschine, die sich als Kompressor einer CO2-Fahrzeugklimaanlage eignen soll. Die Hubkolbenmaschine weist radial gerichtete, gleichmäßig über den Umfang verteilt angeordnete Kolben- Zylindereinheiten und eine Exzenterwelle auf. Die Exzenterwelle erstreckt sich durch einen die Zylinder einschließenden Gehäusekörper und steuert mittels ihres Exzenters den Hub der Kolben, d.h. die radial nach außen gerichtete Verdichtungsbewegung des Kolbens in Richtung oberer Totpunkt der Kolbenbewegung. Die Rückstellbewegung der Kolben wird durch einen gemeinsamen, in eine Aussparung der Kolben eingreifenden Steuerring gesteuert (vgl. insbesondere Fig. 3 der EP 1 553 291 A2). Nachteilig ist, dass der Steuerring über eine innere Steuerfläche in steuerndem Gleitkontakt mit dem Kolben steht. Dieser Gleitkontakt kann zu Verschleiß und Bauteilversagen führen. Nachteilig ist außerdem, dass der Kolbenkörper an seinem dem Exzenter zugewandten Ende eine plane Kontaktfläche (die „innere Stirnfläche 15“) aufweist, mit der der Kolben in direktem Kontakt steht mit dem Außenring eines Wälzlagers, das auf dem Exzenter angeordnet ist. Der Kolbenkörper ist daher hohen Belastungen ausgesetzt. Auch kommt es zu einem ständigen Wechsel der Kontaktfläche zwischen Kolben und Lageraußenring. Aus der Druckschrift DE 102012 005 297 A1 ist eine Kolben-Zylinder-Baugruppe für einen Radialkolbenverdichter bekannt, der für das Verdichten des Kältemittels CO2 (Kältemittel R744) geeignet sein soll. Die Hubbewegung der in Umfangsrichtung gleichmäßig verteilt in Zylinderbohrungen angeordneten Kolben wird über einen Exzenter erzeugt, der an einer Antriebswelle angeordnet ist. Der Exzenter weist ein Wälzlager mit einem Lageraußenring auf. Auf der Außenmantelfläche des Lageraußenrings stützt sich ein als Pleuel ausgebildetes Übertragungselement über eine konkav geformte Stützfläche ab. An dem von der Stützfläche beabstandeten Ende des Pleuels ist ein Pleuelauge vorgesehen, über welches der Pleuel mittels eines Kolbenbolzens mit dem Kolben gelenkig verbunden ist. Der Kolben weist daher eine Aufnahmebohrung für den Kolbenbolzen auf.

Nachteilig an der aus der DE 10 2012 005 297 A1 bekannten Kolben-Zylinder- Baugruppe ist, dass sowohl die im Rahmen der HubbewegungA/erdichtungsbewegung des Kolbens in Richtung oberer Totpunkt (OT) auftretenden hohen Kräfte als auch die im Rahmen der Einsaugbewegung des Kolbens in Richtung unterer Totpunkt (UT) auftretenden Kräfte über den Kolbenbolzen auf den Pleuel bzw. auf den Kolben einwirken. Insbesondere bei den Radialkolbenverdichtern für das Kältemittel CO2, bei denen hohe Drücke und damit große Kräfte und Flächenpressungen auftreten, stellen der Kolbenbolzen und die Aufnahmebereiche für den Kolbenbolzen an dem Pleuel Bauteilbereiche dar, die einer kritischen Belastung unterworfen sind. Speziell bei klein dimensionierten Radialkolbenverdichtern z.B. für Klimaanlagen für Kraftfahrzeuge weisen die Kolben kleine Durchmesser auf und die Kolbenbolzen können ebenfalls nur geringe Durchmesser aufweisen. Aufgrund der hohen Belastungen, denen Kolben- Zylinder-Baugruppen von Radialkolbenverdichtern für das Kältemittel CO2 ausgesetzt sind, treten bei der aus DE 10 2012 005297 A1 bekannten Konstruktion insbesondere im Verbindungsbereich Kolbenbolzen/Pleuelauge sehr hohe Flächenpressungen auf. Daher besteht die Gefahr von Verschleiß und eines vorzeitigen Bauteilversagens des Kolbenbolzens und/oder des Pleuels im Bereich des Pleuelauges.

Auch der Kolben selbst ist aufgrund der auftretenden hohen Belastungen im Bereich der Aufnahmebohrung für den Kolbenbolzen hohen Flächenpressungen ausgesetzt. Daher kann auch bei dem Kolben Verschleiß und vorzeitiges Bauteilversagen auftreten. Ein weiterer Nachteil ist, dass die Aufnahmebohrung für den Kolbenbolzen den Kolben mechanisch schwächt.

Darüber hinaus ist bei der aus dem Dokument DE 10 2012 005297 A1 bekannten Koben-Zylinder-Baugruppe nachteilig, dass der Pleuel einen großen Bauraum in Anspruch nimmt und relativ komplex geformt ist. Der Pleuel erstreckt sich in radialer Richtung über eine große Länge, und er weist an seinem dem Kolben zugewandten Ende Pleuelaugen und an seinem dem Exzenter zugewandten Ende Wirkflächen auf, die mit im Querschnitt L-förmigen Steuerungen Zusammenwirken. Über die Steuerringe wird die Rückstellbewegung auf den Kolben übertragen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Kolben-Zylinder-Baugruppe anzugeben, die robust ausgebildet und gleichzeitig kompakt ist, d.h. wenig Bauraum in Anspruch nimmt. Es soll keine mechanische Schwächung des Kolbens auftreten und auch bei hohen Verdichtungsdrücken sollen relativ geringe Flächenpressungen auftreten. Aufgabe der Erfindung ist es auch einen robusten Radialkolbenverdichter anzugeben, der für die bei der Verdichtung des Kältemittels CO2 auftretenden hohen Drücke und großen Kräfte geeignet ist.

Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Kolben-Zylinder-Baugruppe mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 und durch einen Radialkolbenverdichter mit den Merkmalen des Patentanspruchs 11. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den Zeichnungen.

Die erfindungsgemäße Kolben-Zylinder-Baugruppe für einen Radialkolbenverdichter umfasst einen Kolben, eine Zylinderbohrung, in der der Kolben entlang einer Mittellinie der Zylinderbohrung verschiebbar angeordnet ist, eine Antriebswelle mit einer Rotationsachse und mit einem zylinderförmigen Exzenter, dessen Mittelpunkt von der Rotationsachse der Antriebswelle beabstandet ist, wobei der Kolben durch den zylinderförmigen Exzenter bei einer Drehbewegung der Antriebswelle in der Zylinderbohrung in radialer Richtung von der Antriebswelle weg nach außen gerichtet bis zu einem oberen Totpunkt (OT) bewegbar ist, und ein Übertragungselement, welches die Bewegung des Exzenters auf den Kolben überträgt zur Erzeugung der von der Antriebswelle weg gerichteten Bewegung des Kolbens in der Zylinderbohrung nach außen, wobei das Übertragungselement eine erste Stützfläche aufweist, mit der sich das Übertragungselement auf einer Zylinderfläche des Exzenters abstützt.

Erfindungsgemäß weist der Kolben eine dem Übertragungselement zugewandte, konkav geformte erste Wirkfläche und das Übertragungselement eine der ersten Wirkfläche zugewandte, konvex geformte zweite Stützfläche auf, wobei die erste Wirkfläche und die zweite Stützfläche eine in Umfangsrichtung des Exzenters wirksame formschlüssige Verbindung ausbilden, und es ist ein zylinderförmiger Kolbenführungsring vorgesehen, durch welchen der Kolben in der Zylinderbohrung ausgehend von dem oberen Totpunkt (OT) in radialer Richtung zur Antriebswelle hin nach innen gerichtet bis zu einem unteren Totpunkt (UT) bewegbar ist, wobei der Kolben eine einer Innenmantelfläche des Kolbenführungsrings zugewandte, konvex geformte zweite Wirkfläche aufweist, die mit der Innenmantelfläche des Kolbenführungsrings eine in Richtung der Mittellinie der Zylinderbohrung wirksame formschlüssige Verbindung ausbildet.

Im Rahmen der Erfindung wird also die Hubbewegung des Kolbens von dem Exzenter über die erste Stützfläche auf das Übertragungselement übertragen, und das Übertragungselement überträgt die Hubbewegung über die konvex geformte zweite Stützfläche des Übertragungselements und die konkav geformte erste Wirkfläche des Kolbens auf den Kolben. Gleichzeitig ist an dem Kolben eine konvex geformte zweite Wirkfläche ausgebildet, die mit der Innenmantelfläche des Kolbenführungsrings in Wirkverbindung steht. Der Kolbenführungsring bewirkt die Rückstellbewegung des Kolbens aus dem oberen Totpunkt OT hin zum unteren Totpunkt UT.

Bei der erfindungsgemäßen Kolben-Zylinder-Baugruppe ist die Flächenpressung, die in der Berührfläche zwischen der konvexen zweiten Stützfläche des Übertragungselements und der konkaven ersten Wirkfläche des Kolbens auftritt, auch bei hohen Verdichtungsdrücken wesentlich geringer als die Flächenpressungen, die bei der aus dem Dokument DE 10 2012 005 297 A1 bekannten Konstruktion im Bereich des Kolbenbolzens, des Pleuelauges und der Aufnahmebohrung für den Kolbenbolzen in dem Kolbenkörper auftreten. Die Berührfläche zwischen der konvexen zweiten Stützfläche des Übertragungselements und der konkaven ersten Wirkfläche des Kolbens ist aufgrund der Form der beiden Flächen so groß, dass auch bei den hohen Verdichtungsdrücken, die bei Radialkolbenverdichtern für das Kältemittel CO2 auftreten, die Flächenpressungen keine kritischen Werte erreichen. Ein vorzeitiger Verschleiß der Bauteile wird damit vermieden und die Bauteile erreichen die geforderte Lebensdauer.

Bei der erfindungsgemäßen Konstruktion kann das Übertragungselement sehr kompakt ausgebildet werden, so dass es nur einen kleinen Bauraum einnimmt, weil das Übertragungselement nicht mit dem Kolben verbunden wird und an dem Übertragungselement keine Wirkflächen ausgebildet werden müssen, die mit einem Steuerung Zusammenwirken, über den die Rückstellbewegung auf die Kolben übertragen wird. Denn um die Rückstellbewegung auf den Kolben zu übertragen wirkt erfindungsgemäß der Kolbenführungsring mit seiner Innenmantelfläche über die an dem Kolbenkörper ausgebildete zweite Wirkfläche direkt auf den Kolben ein. Das Übertragungselement kann daher sehr kompakt ausgebildet sein und sowohl hinsichtlich seiner Formgebung als auch hinsichtlich seiner Werkstoffauswahl speziell für seine Aufgabe angepasst werden, die Hubbewegung für den Verdichtungshub auf den Kolben zu übertragen und dabei gleichzeitig möglichst wenig Bauraum zu beanspruchen. Bei dem Verdichtungshub treten während eines Arbeitszyklus des Kolbens die größten mechanischen Belastungen auf. Von daher ist es vorteilhaft, dass die erfindungsgemäße Konstruktion es ermöglicht, das Übertragungselement so auszubilden, dass es optimal an die Aufgabe der Übertragung der Verdichtungshubbewegung angepasst ist.

Die erste Stützfläche des Übertragungselements kann als ebene Fläche, z.B. als ebene kreisscheibenförmige Fläche ausgebildet sein. In diesem Fall wirkt die ebene Fläche mit der zylinderförmigen Mantelfläche des Exzenters bzw. einem zylinderförmigen Außenring eines auf der Mantelfläche des Exzenters angeordneten Wälzlagers zusammen.

Nach einer Ausführungsform der Erfindung ist die erste Stützfläche des Übertragungselements eine ebene Fläche oder ein konkav geformter Zylindermantelabschnitt mit einem ersten Stützflächenradius, wobei der erste Stützflächenradius dem Radius der Zylindermantelfläche des Exzenters entspricht. Ist die erste Stützfläche als ebene Fläche ausgebildet, so besteht zwischen der ersten Wirkfläche und der Zylindermantelfläche des Exzenters eine Linienberührung. Ist die erste Stützfläche des Übertragungselements als konkav geformter Zylindermantelabschnitt ausgebildet, so wird im Vergleich zu einer Ausführungsform mit einer ebenen ersten Stützfläche eine größere Berührfläche zwischen Exzenter und Übertragungselement erreicht, was bei einer gegebenen mechanischen Belastung zu geringeren Flächenpressungen führt.

Nach einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die zweite Stützfläche des Übertragungselements ein Zylindermantelabschnitt mit einem zweiten Stützflächenradius und die erste Wirkfläche des Kolbens ein Zylindermantelabschnitt mit einem ersten Wirkflächenradius ist, oder wobei die zweite Stützfläche des Übertragungselements ein Kugelflächenabschnitt mit einem zweiten Stützflächenradius und die erste Wirkfläche des Kolbens eine Kugelpfanne mit einem ersten Wirkflächenradius ist, wobei der zweite Stützflächenradius und der erste Wirkflächenradius gleich groß sind.

Wenn die zweite Stützfläche des Übertragungselements und die erste Wirkfläche des Kolbens als Zylindermantelabschnitte mit gleichem Radius ausgebildet sind, dann ist der Kolben gegen ein Verdrehen um seine Längsachse gesichert. Eine solche Verdrehsicherung des Kolbens kann sinnvoll und vorteilhaft sein, wenn eine konstante Winkellage des Kolbens relativ zu der Zylinderbohrung und dem Gehäuse, in dem die Zylinderbohrung angeordnet ist, von Interesse ist. Zum Beispiel kann der Kolben ein Kolbenventil aufweisen, welches mit einem in dem Gehäuse angeordneten Zuströmkanal für das zu verdichtende Fluid Zusammenwirken muss.

Um ein Auswandern des als Zylindermantelabschnitt ausgebildeten Übertragungselements in axialer Richtung zu verhindern, muss eine Axialsicherung vorhanden sein. Eine solche Axialsicherung kann z.B. durch in radialer Richtung vorstehende Anlaufflächen und/oder durch in Nuten des Kolbenkörpers oder des Gehäuses eingesetzte Anlaufringe, Sprengringe oder ähnliche Elemente gebildet sein.

Wenn die zweite Stützfläche des Übertragungselements als Kugelflächenabschnitt und die erste Wirkfläche des Kolbens als Kugelpfanne mit gleichem Radius ausgebildet sind, dann kann sich der Kolben um seine Längsachse verdrehen. Er muss jedoch nicht gegen ein Auswandern in axialer Richtung gesichert werden, weil die kugelkalottenförmige Berührungsfläche zwischen Übertragungselement und Kolben das Übertragungselement in Axialrichtung an Ort und Stelle hält. Das Übertragungselement ist durch den Kugelflächenabschnitt und die Kugelpfanne zur Achse des Kolbens automatisch axial gesichert/zentriert. Eine zusätzliche Axialsicherung des Übertragungselements ist dann nicht erforderlich.

Nach einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die zweite Wirkfläche des Kolbens ein Zylindermantelabschnitt mit einem zweiten Wirkflächenradius ist, wobei der zweite Stützflächenradius des Übertragungselements und der zweite Wirkflächenradius des Kolbens denselben Mittelpunkt aufweisen, wobei der Mittelpunkt auf der Zylinderfläche des Exzenters der Punkt ist, in dem die Mittellinie der Zylinderbohrung die Zylinderfläche des Exzenters durchstößt, und wobei die Summe aus dem Radius des Exzenters und dem zweiten Wirkflächenradius des Kolbens dem Radius der Innenmantelfläche des Kolbenführungsrings entspricht. Dadurch wird erreicht, dass der als Kreisring ausgebildete Kolbenführungsring mit seiner Innenmantelfläche niemals, d.h. in keiner Winkelstellung des Exzenters, den Kontakt zur zweiten Wirkfläche des Kolbens verliert. Der Kolbenführungsring steht auf diese Weise immer in Kontakt (ohne Kontaktverlust) zum jeweiligen Kolben. Damit werden zusätzliche Kontaktwechsel und gleitende Verschiebebewegungen zwischen Kolbenführungsring und Kolben vermieden, was dynamische Vorteile und verschleißtechnische Vorteile hat. Auch akustische Vorteile werden dadurch erreicht, weil keine Klappergeräusche entstehen.

Nach einer Ausführungsform der Erfindung ist eine Kontaktzone zwischen der zweiten Stützfläche des Übertragungselements und der ersten Wirkfläche des Kolbens und/oder zwischen der Zylinderfläche des Exzenters und der ersten Stützfläche des Übertragungselements in Richtung quer zu den Krümmungsradien dieser Flächen leicht konvex ausgebildet. Diese konvexe Form der Kontaktzone wird auch als „ballige Form“ bezeichnet. Ein Vorteil einer konvexen oder balligen Form der genannten Kontaktzonen besteht darin, dass eventuell vorhandene Winkelschiefstellungen zwischen der Exzenterachse und einer Kolbenachsennormalen ausgeglichen werden. Dadurch können die Kräfte von dem Exzenter auf das Übertragungselement bzw. von dem Übertragungselement auf den Kolben auch dann problemlos übertragen werden, wenn die Exzenterachse nicht exakt rechtwinkelig zu der Längsachse des Kolbens verläuft. Durch die konvexe oder ballige Form der Kontaktzonen ist die erfindungsgemäße Kolben-Zylinder-Baugruppe unempfindlich gegen fertigungsbedingte oder sich im Laufe des Betriebs einstellende Abweichungen des Winkels zwischen der Exzenterdrehachse der Kolbenlängsachse von dem Wert von 90°.

Der Exzenter kann eine mit der Antriebswelle verbundene zylindrische Scheibe sein. Alternativ kann der Exzenter integral und einstückig mit der Antriebswelle ausgebildet sein.

Das Übertragungselement kann sich mit seiner ersten Stützfläche grundsätzlich unmittelbar auf der zylindrischen Mantelfläche des Exzenters abstützen. In diesem Fall ist die Zylinderfläche des Exzenters die zylindrische Mantelfläche des Exzenters selbst.

Nach einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Zylinderfläche des Exzenters eine zylindrische Außenmantelfläche eines Außenrings eines Wälzlagers ist, wobei das Wälzlager an dem Exzenter angeordnet ist. Die Wälzkörper des Wälzlagers können dabei unmittelbar in Kontakt stehen mit der Mantelfläche des Exzenters, oder zwischen den Wälzkörpern und der Mantelfläche des Exzenters kann ein Lagerinnenring angeordnet sein. Die Außenmantelfläche des Lageraußenrings bildet dann die Zylinderfläche des Exzenters, die mit der ersten Stützfläche des Übertragungselements zusammenwirkt. Durch das Wälzlager wird die Reibung zwischen dem Exzenter und dem Übertragungselement im Vergleich zu einer Konstruktion, bei der sich das Übertragungselement mit seiner ersten Stützfläche unmittelbar auf der Mantelfläche des Exzenters abstützt, erheblich verringert.

Nach einer Ausführungsform der Erfindung sind zwei Kolbenführungsringe vorgesehen, die in Axialrichtung des Exzenters voneinander beabstandet angeordnet sind, wobei an dem Kolben zwei zweite Wirkflächen ausgebildet sind, wobei jeweils eine zweite Wirkfläche einer Innenmantelfläche eines Kolbenführungsrings zugeordnet ist. Dadurch kann ein Verkippen des Kolbens um eine senkrecht zu seiner Längsachse verlaufende Achse infolge einer einseitigen Einleitung einer Rückstellkraft in den Kolben vermieden werden. Die Rückstellkraft wird somit symmetrisch auf beiden Seiten der Kolbenmittellinie in den Kolben eingeleitet. Der Kolben kann dadurch nicht verkippen und wird besser geführt.

Nach einer Ausführungsform der Erfindung ist zumindest ein Teil der an dem Kolben ausgebildeten zweiten Wirkfläche bzw. sind Teile der an dem Kolben ausgebildeten zweiten Wirkflächen gegenüber der mit dem Übertragungselement zusammenwirkenden ersten Wirkfläche des Kolbens in Richtung senkrecht zur Mittellinie des Kolbens nach außen versetzt und in Richtung der Mittellinie des Kolbens radial nach außen beabstandet angeordnet. Auf diese Weise nimmt die Kolben- Zylinder-Baugruppe sowohl in axialer Richtung des Exzenters als auch in radialer Richtung des Exzenters wenig Bauraum in Anspruch und baut sehr kompakt.

Nach einer Ausführungsform der Erfindung ist das Übertragungselement aus einem Metall oder einer Metalllegierung mit einer geringen Gleitreibungszahl, insbesondere aus Kupfer, Bronze oder einer Messing-Legierung, gefertigt. Durch die geringen Flächenpressungen, denen das Übertragungselement bei der erfindungsgemäßen Konstruktion ausgesetzt ist, kann der Werkstoff für das Übertragungselement so gewählt werden, dass die Gleitreibung zwischen dem Übertragungselement und der Zylinderfläche des Exzenters bzw. der ersten Wirkfläche des Kolbens minimiert ist. Neben dem Vorteil der geringeren Gleitreibung werden mit der Werkstoffauswahl auch günstige Eigenschaften bezüglich Notlauf und Mangelschmierung erreicht.

Nach einer Ausführungsform der Erfindung weist die erste Stützfläche des Übertragungselements und/oder die erste Wirkfläche des Kolbens eine ein Schmiermittelreservoir bildende Aussparung auf. Dadurch wird eine jederzeit ausreichende Schmierstoffversorgung der Kontaktflächen sichergestellt.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch

Fig. 1 eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kolben-Zylinder- Baugruppe im radialen Halbschnitt;

Fig. 2 eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kolben-Zylinder- Baugruppe im radialen Halbschnitt; Fig. 3 eine vergrößerte Darstellung des Bereiches D aus Fig. 2;

Fig.4 eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kolben-Zylinder- Baugruppe im radialen Halbschnitt;

Fig.5 eine vierte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kolben-Zylinder-Baugruppe in einer Explosionsdarstellung;

Fig. 6 den Kolben und das Übertragungselement als Einzelteile in einer perspektivischen Ansicht;

Fig. 7 einen Radialkolbenverdichter mit erfindungsgemäßen Kolben-Zylinder- Baugruppen.

Fig. 8 eine vergleichende Gegenüberstellung der zweiten und der vierten Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 1 zeigt eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kolben-Zylinder- Baugruppe im radialen Halbschnitt. Die Kolben-Zylinder-Baugruppe umfasst eine in Fig. 1 nicht näher dargestellte Antriebswelle 4. In Fig. 1 ist lediglich die Rotationsachse 5 der Antriebswelle 4 kenntlich gemacht. In Umfangsrichtung um die Antriebswelle 4 verteilt sind Kolben 1 angeordnet. Die Mittellinien 3 der in Fig.1 aus Gründen einer besseren Übersichtlichkeit nicht dargestellten Zylinderbohrungen 2 schneiden sich in der Rotationsachse 5 der Antriebswelle 4. Der zylindrische Exzenter 6 ist als integraler Bestandteil der Antriebswelle 4 oder als drehfest mit der Antriebswelle 4 verbundenes Bauteil ausgebildet. Der Mittelpunkt 7 des Exzenters 6 ist zur Erzeugung der Exzentrizität um einen Abstand versetzt zu der Rotationsachse 5 der Antriebswelle 4 angeordnet. Der Exzenter 6 weist als Mantelfläche eine Zylinderfläche 10 mit einem Radius 17 auf.

Die erfindungsgemäße Kolben-Zylinder-Baugruppe umfasst weiter einen zylindrischen Kolbenführungsring 13, der eine Innenmantelfläche 14 aufweist.

Zwischen dem Exzenter 6 und dem Kolben 1 einer Kolben-Zylinder-baugruppe ist ein Übertragungselement 8 angeordnet. Mit dem Übertragungselement 8 wird der Hub des Exzenters 6 auf den Kolben 1 übertragen, damit dieser die Verdichtungsbewegung in Richtung oberer Totpunkt OT ausführt. Die Übertragungselemente 8 stützen sich in dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel über eine erste Stützfläche 9 unmittelbar auf der Zylinderfläche 10 des Exzenters 6 ab. In dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die erste Stützfläche 9 als konkav gewölbte Zylindermantelabschnittsfläche mit einem ersten Stützflächenradius 16 ausgebildet. Der erste Stützflächenradius 16 entspricht dabei dem Radius 17 der Zylinderfläche 10. Die erste Stützfläche 9 und die Zylinderfläche 10 sind somit komplementär zueinander ausgebildet. Grundsätzlich könnte die erste Stützfläche 9 auch eine von der Kreisringform abweichende konkave Form haben.

Das Übertragungselement 8 weist eine konvex geformte zweite Stützfläche 12 auf. In dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die zweite Stützfläche 12 als Zylindermantelabschnittsfläche mit einem zweiten Stützflächenradius 19 ausgebildet. Grundsätzlich könnte die zweite Stützfläche 12 anstelle einer Zylindermantelabschnittsform auch eine von der Zylinderform abweichende konvexe Form aufweisen. Auf der zweiten Stützfläche 12 des Übertragungselements 8 stützt sich der Kolben 1 über eine an dem Kolben 1 ausgebildete erste Wirkfläche 11 ab. Die erste Wirkfläche 11 des Kolbens 1 ist konkav geformt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die erste Wirkfläche 11 des Kolbens 1 als konkave Zylindermantelabschnittsfläche mit einem ersten Wirkflächenradius 22 ausgebildet, der dem zweiten Stützflächenradius 19 entspricht. Die erste Wirkfläche 11 des Kolbens 1 und die zweite Stützfläche 12 des Übertragungselements 8 sind somit zueinander komplementär ausgebildet. Grundsätzlich könnte die erste Wirkfläche 11 des Kolbens 1 auch eine von der Zylinderform abweichende konkave Form aufweisen.

An dem Kolben 1 ist eine konvex geformte zweite Wirkfläche 15 ausgebildet. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die zweite Wirkfläche 15 des Kolbens 1 eine Zylindermantelabschnittsfläche mit einem zweiten Wirkflächenradius 20. Über die zweite Wirkfläche 15 steht der Kolben in formschlüssigem Eingriff mit der Innenmantelfläche 14 des Kolbenführungsrings 13. Der Formschluss ist wirksam in Richtung der Mittellinie 3 der Zylinderbohrung 2. Durch den Kolbenführungsring 13 wird die Rückstellbewegung auf die zweite Wirkfläche 15 des Kolbens 1 übertragen, d.h. die Bewegung, mit der der Kolben 1 aus dem oberen Totpunkt OT in den unteren Totpunkt UT der Kolbenbewegung bewegt wird.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel weisen der zweite Stützflächenradius 19 des Übertragungselements 8 und der zweite Wirkflächenradius 22 des Kolbens 1 denselben Mittelpunkt 21 auf. Der Mittelpunkt 21 entspricht dabei demjenigen Punkt, in dem die Mittellinie 3 der Zylinderbohrung 2 die Zylinderfläche 10 des Exzenters 6 durchstößt. Durch diese konstruktive Maßnahme wird erreicht, dass die Summe aus dem Radius 17 der Zylinderfläche 10 und dem zweiten Wirkflächenradius 22 des Kolbens 1 dem Radius 23 der Innenmantelfläche 14 des Kolbenführungsrings 13 entspricht. Dadurch wird erreicht, dass der Kolbenführungsring 13 mit seiner Innenmantelfläche 14 niemals, d.h. in keiner Winkelstellung des Exzenters 6 bzw. der Antriebswelle 4, den Kontakt zur zweiten Wirkfläche 15 des Kolbens 1 verliert. Der Kolbenführungsring 13 steht auf diese Weise immer in Kontakt (ohne Kontaktverlust) zum jeweiligen Kolben 1 . Damit werden zusätzliche Kontaktwechsel und gleitende Verschiebebewegungen zwischen Kolbenführungsring 13 und Kolben 1 vermieden, was dynamische Vorteile hinsichtlich der Kinematik des Bewegungsablaufs und verschleißtechnische Vorteile hat. Auch akustische Vorteile werden dadurch erreicht, weil keine Klappergeräusche oder sonstigen störenden Geräusche entstehen.

Der Kolbenführungsring 13 führt die Kolben 1 an dem Exzenter 6 (bzw. am Lageraußenring 25, vgl. nachstehende Ausführungsbeispiele zwei, drei und vier) und verhindert ein „Abheben“ der Kolben 1 von der Zylinderfläche 10 (bzw. der Außenmantelfläche 24 des Außenrings 25 des Wälzlagers 26) bei einer Abwärtsbewegung/Rückstellbewegung der Kolben 1. Der Kolbenführungsring 13 gleitet auf der an dem Kolben 1 ausgebildeten zweiten Wirkfläche 15. Der Kolbenführungsring 13 hält die Kolben 1 und die Übertragungselemente 8 im Gleitkontakt zum Exzenter 6 (bzw. zu einem Lageraußenring 25 eines an dem Exzenter angeordneten Wälzlagers 26 gemäß den nachstehend beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung).

Fig. 2 zeigt eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kolben-Zylinder- Baugruppe im radialen Halbschnitt. Diese zweite Ausführungsform unterscheidet sich von der in Fig. 1 dargestellten ersten Ausführungsform darin, dass an dem Exzenter 6 ein Wälzlager 26 mit einem Außenring 25 und Wälzkörpern 28 angeordnet ist. Die Übertragungselemente 8 stützen sich nicht, wie bei der ersten Ausführungsform, unmittelbar auf der Mantelfläche des Exzenters 6 ab, sondern sie stützen sich auf der Außenmantelfläche 24 des Lageraußenrings 25 ab. Die Zylindermantelfläche 10 des Exzenters wird bei der zweiten Ausführungsform der Erfindung also durch die Außenmantelfläche 24 des Lageraußenrings 25 des Wälzlagers 26 gebildet. Ansonsten gilt die Beschreibung des ersten Ausführungsbeispiels auch für das zweite Ausführungsbeispiel.

Das Wälzlager 26 ist an dem Exzenter 6 angeordnet. Genauer gesagt wälzen die Wälzkörper 28 des Wälzlagers 26 in dem dargestellten Ausführungsbeispiel unmittelbar auf der Mantelfläche des Exzenters 6 ab. Grundsätzlich wäre es auch möglich, dass ein Lagerinnenring vorgesehen ist, auf dem die Wälzkörper 28 abrollen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Wälzkörper 28 durch einen Käfig 29 gehalten bzw. werden von diesem geführt. Das Wälzlager 26 kann z.B. als Nadellager oder als Zylinderrollenlager ausgebildet sein.

Durch die Verwendung des Wälzlagers 26 werden mehrere Vorteile erzielt. Einerseits wird die Reibung im Vergleich zu der ersten Ausführungsform der Erfindung deutlich reduziert. Andererseits kann die Außenmantelfläche 24 des Lageraußenrings 25 einfacher gehärtet werden als die Mantelfläche des Exzenters 6. Dies gilt insbesondere dann, wenn der Exzenter 6 integral einstückig mit der Antriebswelle 4 (in Fig. 2 nicht dargestellt) ausgebildet ist. Es kann vorteilhaft sein, die Fläche zu härten, auf der sich die Übertragungselemente 8 mit ihrer ersten Stützfläche 9 abstützen. Insbesondere bei Radialkolbenverdichtern für das Kältemittel CO2 kann das Härten der Oberfläche, mit der die Übertragungselemente 8 über ihre erste Stützfläche in Kontakt stehen, zur Vermeidung von vorschnellem Verschleiß aufgrund der hohen auftretenden Kräfte und Flächenpressungen erforderlich sein. Es ist dann einfacher, einen separaten Außenring des Wälzlagers 26 als einzelnes Bauteil zu härten als die Mantelfläche eines integral und einstückig mit der Antriebswelle 4 ausgebildeten Exzenters 6.

Fig. 3 zeigt eine vergrößerte Darstellung des Bereiches D des zweiten Ausführungsbeispiels aus Fig. 2. Eingezeichnet sind der Radius 23 der Innenmantelfläche 14 des Kolbenführungsrings 13 und der Radius 17 der Zylinderfläche 10, wobei die Zylinderfläche 10 durch die Außenmantelfläche 24 des Außenrings 25 des Wälzlagers 26 gebildet ist. Eingezeichnet sind ferner der erste Stützflächenradius 16 und der zweite Wirkflächenradius 20.

Fig. 4 zeigt eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kolben-Zylinder- Baugruppe im radialen Halbschnitt. Diese dritte Ausführungsform entspricht im Wesentlichen der zweiten Ausführungsform der Erfindung, wobei der einzige Unterschied in der Ausbildung des Übertragungselements 8 besteht. Bei der dritten Ausführungsform der Erfindung gemäß Fig. 4 ist die erste Stützfläche 9 als ebene kreis- oder kreisscheibenförmige Fläche ausgebildet, nicht als konkav gewölbte Fläche wie bei dem zweiten Ausführungsbeispiel. An den einzelnen Kontaktstellen zwischen den ebenen Stützflächen 9 und der Außenmantelfläche 24 des Lageraußenrings 25 ist zu erkennen, dass das Übertragungselement 8 infolge der Bewegung des Exzenters 6 relativ zu dem Kolben 1 verkippt. Das Übertragungselement 8 gleitet mit seiner konvex geformten zweiten Stützfläche 12 gegenüber der konkav geformten ersten Wirkfläche 11 des Kolbens 1. Auch mit seiner ebenen ersten Stützfläche 9 gleitet das Übertragungselement 8 relativ zu der Außenmantelfläche 24 des Außenrings 25 des Wälzlagers 26.

Fig. 5 zeigt eine vierte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kolben-Zylinder- Baugruppe in einer Explosionsdarstellung. Genau wie bei der zweiten und dritten Ausführungsform stützen sich die Übertragungselemente 8 auf dem Außenring 25 des Wälzlagers 26 ab. Der Exzenter 6 ist in Fig. 5 nicht dargestellt. Auch die zweite Wirkfläche 15 des Kolbens 1 ist genauso ausgebildet und wirkt genauso mit der Innenmantelfläche 14 des Kolbenführungsrings 13 zusammen wie bei der ersten bis dritten Ausführungsform. Der Unterschied der vierten Ausführungsform gemäß Fig. 4 liegt in der Ausbildung des Übertragungselements 8, das eine konvexe kugelkalottenförmige zweite Stützfläche 12 und eine ebene erste Stützfläche 9 aufweist, sowie in der Ausbildung des Kolbens 1 , der eine konkave kugelpfannenförmige erste Wirkfläche 11 (in Fig. 4 verdeckt) aufweist, die mit der zweiten Stützfläche 12 zusammenwirkt.

Die grundsätzliche Funktionsweise entspricht der der ersten bis dritten

Ausführungsform der Erfindung. Die Kugelkalottenform der zweiten Stützfläche 12 des Übertragungselements 8 und die Kugelpfannenform der ersten Wirkfläche 11 des

Kolbens 1 bietet zusätzliche Vorteile:

• Das Übertragungselement 8 ist in der Kugelpfanne des Kolbens 1 axial gesichert aufgenommen. Auf eine zusätzliche Axialsicherung, um ein axiales Herauswandern des Übertragungselements 8 zu verhindern (und die bei dem Übertragungselement 8 mit dem zylinderförmigen Mantelabschnitt der zweiten Stützfläche 12 erforderlich ist), kann bei der als Kugelkalotte ausgebildeten zweiten Stützfläche 12 und als Kugelpfanne ausgebildeten ersten Wirkfläche 11 verzichtet werden.

• Eine Schiefstellung der Antriebswelle 4 in (Fig. 4 nicht dargestellt) zu den Mittellinien 3 der Zylinderbohrungen 2 (in Fig. 4 nicht dargestellt) kann durch die Kugelpfanne-Kugelsegment-Paarung gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel ausgeglichen werden.

• Wenn - wie in Fig. 5 dargestellt - nur ein einziger Kolbenführungsring 13 vorgesehen ist, dann kann die Führungslänge zwischen Kolben 1 und Zylinderbohrung 2 auf der gegenüberliegenden Seite des Kolbenführungsringes 13 bis zum Kolbenfuß ausgeführt werden. Bei gleicher Kolbenlänge wird dadurch eine bessere Führung des Kolbens 1 erreicht.

In Fig. 6 sind der Kolben 1 und das Übertragungselement 8 gemäß der vierten Ausführungsform der Erfindung als Einzelbauteile dargestellt. Die konkave, kugelkalottenförmige erste Wirkfläche 11 des Kolbens 1 bildet eine Kugelpfanne (oder kugelförmige Mulde) aus, in der die konvexe, kugelkalottenförmige zweite Stützfläche 12 des Übertragungselements 8 im zusammengebauten Zustand der Kolben-Zylinder- Baugruppe aufgenommen ist.

Die dem Exzenter ß (in Fig. 6 nicht dargestellt) zugewandte Unterseite des Übertragungselements 8 ist plan ausgeführt, d.h. die erste Stützfläche 9 ist eine ebene Fläche. Durch die eben ausgebildete erste Stützfläche 9 wird erreicht, dass sich das Übertragungselement 8 relativ zu dem Kolben 1 frei in Umfangsrichtung verdrehen kann. Durch die Linienberührung zur Außenmantelfläche 24 des Lageraußenrings 25 (in Fig. 6 nicht dargestellt) sind die Flächenpressungen am Übertragungselement 8 zwar höher als bei einem Übertragungselement 8, das gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung ausgebildet ist. Wenn das Übertragungselement 8 aber z.B. aus Wälzlagerstahl ausgebildet und gehärtet ist (z.B. 100Cr6 gehärtet), kann es die erhöhten Flächenpressungen ertragen.

Die erste Stützfläche 9 des Übertragungselements 8 und die erste Wirkfläche 11 des Kolbens 1 weisen im dargestellten Ausführungsbeispiel eine ein Schmiermittelreservoir bildende Aussparung 30 auf. In den Aussparungen 30 sammelt sich Schmiermittel (z.B. Schmieröl) an. Diese Schmiermittelreservoirs stellen sicher, dass stets Schmiermittel in ausreichender Menge in den Kontaktflächen vorhanden ist.

Fig. 7 zeigt schematisch einen Radialkolbenverdichter mit erfindungsgemäßen Kolben- Zylinder-Baugruppen. Die Kolben-Zylinder-Baugruppen sind in dem dargestellten Ausführungsbeispiel beispielhaft gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung ausgebildet, d.h. die Übertragungselemente 8 weisen zylinderabschnittsförmige konkave erste Stützflächen 9 auf und die zweiten Stützflächen 12 der Übertragungselemente 8 sind zylinderabschnittsförmig ausgebildet und wirken mit zylinderabschnittsförmigen ersten Wirkflächen 11 der Kolben 1 zusammen. Es versteht sich, dass die Kolben-Zylinder-Baugruppen auch gemäß der ersten, dritten oder vierten Ausführungsform der Erfindung ausgebildet sein könnten.

Die Zylinderbohrungen 2 sind in einem Zylinderblock 27 angeordnet. Die einzelnen Kolben 1 werden über eine einzige Antriebswelle 4 mit einem Exzenter 6 angetrieben. Um eine bessere Übersichtlichkeit zu erreichen wurden sämtliche Details, die ein vollständiger Radialkolbenverdichter aufweist, in Fig. 7 nicht dargestellt. So fehlen z.B. sämtliche Ventilanordnungen und Zustrom- und Abströmkanäle für das Kältemittel. Aufgrund der erfindungsgemäßen Kolben-Zylinder-Baugruppen baut der Radialkolbenverdichter gemäß Fig. 7 in radialer Richtung und auch in axialer Richtung klein, d.h. er beansprucht in beiden genannten Richtungen einen geringen Bauraum.

In Fig. 8 sind die Unterschiede zwischen der zweiten und der vierten Ausführungsform der Erfindung nochmals in einer vergleichenden Gegenüberstellung dargestellt. Die Darstellung zu A) auf der linken Seite zeigt die zweite Ausführungsform der Erfindung. Das Übertragungselement 8 weist eine als konkave Zylindermantelabschnittsfläche ausgebildete erste Stützfläche 9 und eine als konvexe Zylindermantelabschnittsfläche ausgebildete zweite Stützfläche 12 auf. Die erste Wirkfläche 11 des Kolbens 1 ist dementsprechend als konkave Zylindermantelabschnittsfläche ausgebildet. Auf der rechten Seite unter B) ist die vierte Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Das Übertragungselement 8 weist eine ebene erste Stützfläche 9 und eine als Kugelflächenabschnitt oder Kugelflächensegment ausgebildete zweite Stützfläche 12 auf. Die erste Wirkfläche 11 des Kolbens 1 ist dementsprechend als Kugelpfanne ausgebildet.

Soweit in den vorliegenden Patentansprüchen oder in der vorliegenden Beschreibung in Bezug auf Flächen oder Radien davon die Rede ist, dass eine Fläche einer anderen entspricht, dass eine Fläche komplementär zu einer anderen Fläche ausgebildet ist, oder dass ein Radius einem anderen Radius entspricht, so ist damit nicht zwangsläufig gemeint, dass die Flächen oder Radien exakt gleich ausgebildet sein müssen. Um eine gute Kontaktfläche zu erhalten und zu vermeiden, dass sogenannte „Kantenträger“ auftreten (also Anordnungen, bei denen nur Teilbereiche der Kontaktflächen die Belastungen tragen), sollte z.B. der zweite Stützflächenradius 19 immer etwas kleiner sein als der erste Wirkflächenradius 22 am Kolben 1 . Aus dem gleichen Grund sollte z.B. der erste Stützflächenradius 9 an dem Übertragungselement 8 immer etwas größer sein als der Radius 17 der Zylinderfläche 10 bzw. der Radius der Außenmantelfläche 24 des Außenrings 25 des Wälzlagers 26.

Bezugszeichenliste

1 Kolben

2 Zylinderbohrung

3 Mittellinie der Zylinderbohrung

4 Antriebswelle

5 Rotationsachse der Antriebswelle

6 Exzenter

7 Mittelpunkt des Exzenters

8 Übertragungselement

9 erste Stützfläche des Übertragungselements

10 Zylinderfläche

11 erste Wirkfläche des Kolbens

12 zweite Stützfläche des Übertragungselements

13 Kolbenführungsring

14 Innenmantelfläche des Kolbenführungsrings

15 zweite Wirkfläche des Kolbens

16 erster Stützflächenradius

17 Radius der Zylinderfläche

19 zweiter Stützflächenradius

20 zweiter Wirkflächenradius

21 Mittelpunkt

22 erster Wirkflächenradius

23 Radius der Innenmantelfläche des Kolbenführungsrings

24 Außenmantelfläche

25 Außenring

26 Wälzlager

27 Zylinderblock

28 Wälzkörper

29 Käfig

30 Aussparung