Hubkolbenkompressor, Nachrüstsatz für einen Hubkolbenkompressor und Verwendung einer VerbindungsStange in einem Hubkolbenkompressor Die vorliegende Erfindung betrifft einen Hubkolbenkompressor, einen Nachrüstsatz für einen Hubkolbenkompressor und die Verwendung einer fest eingespannten Verbindungsstange in einem Hubkolbenkompressor gemäss den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche .

Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Arten von Hubkolbenkompressoren bekannt. Mit der WO 98/31936 ist beispielsweise ein Hubkolbenkompressor nach dem Scotch-Yoke-Prinzip / Kreuzkurbel- schleifenprinzip bekannt geworden. Dieser Kolbenkompressor weist in seinem Gehäuse eine Kurbelwelle auf, welche ein Joch auf und ab bewegt. Zwischen dem Joch und einem Verdichtungskolben ist eine Verbindungsstange angeordnet. Die Verbindungsstange ist ge ^¬ lenkig mit dem Joch und mit dem Kolben verbunden. Sie weist an ihren Enden Teile von Kugeloberflächen auf, welche eine abrol- lende Bewegung der Verbindungsstange auf dem Joch und auf dem Kolben ermöglichen. Ein Hubkolbenkompressor nach dem Scotch- Yoke-Prinzip ist ebenfalls aus der DE 2032434 bekannt geworden. Dabei ist der Schaft des Kolbens an einem Führungskolben mir ei ^¬ ner Hülse verspannt.

Diese Vorrichtung ist aufwendig in der Fertigung, und die Umset ^¬ zung bei kleinen Geometrien ist kompliziert.

Es ist Aufgabe der Erfindung, die Nachteile des Bekannten zu vermeiden und insbesondere eine einfache, wartungsarme und güns ^¬ tige Verbindungsstange zur Verbindung von einem Kolben eines Hubkolbenkompressors mit einem Kreuzkopf eines Hubkolbenkompres ^¬ sors bereitzustellen. Insbesondere soll eine Verbindungsstange zur Verwendung in einem Kolbenkompressor mit einem herkömmlichen Kurbeltrieb bereitgestellt werden.

Diese und weitere Aufgaben werden durch die in den unabhängigen Patentansprüchen definierten Vorrichtungen gelöst. Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.

Ein erfindungsgemässer Hubkolbenkompressor weist ein Kurbelgehäuse auf. Der Hubkolbenkompressor umfasst eine Kurbelwelle und daran angeordnet zumindest eine Pleuelstange. Die Pleuelstange ist mit einem Kreuzkopf in Wirkverbindung. Der Kreuzkopf ist als Führungskolben ausgebildet. Typischerweise ist die Pleuelstange mit dem Kreuzkopf gelenkig verbunden. Der Hubkolbenkompressor umfasst zumindest einen Zylinder und einen im Zylinder beweglich angeordneten Kolben. Der Kreuzkopf und der Kolben sind mittels einer Verbindungsstange miteinander in Wirkverbindung. Die Verbindungsstange ist am Kreuzkopf mit einer ersten festen Einspan- nung und am Kolben mit einer zweiten festen Einspannung verbunden .

Der Kreuzkopf ist ein Koppelglied zwischen der im Wesentlichen linear bewegten Verbindungsstange und der Pleuelstange, wobei der Kreuzkopf die schwenkende Bewegung der Pleuelstange elimi ^¬ niert. Oberhalb des Kreuzkopfes sind die Bewegungen im Wesentli- chen nur noch linear.

Hier und im Folgenden bedeutet oben in Richtung des Kompressionsraums des Kolbens und unten in Richtung der Kurbelwelle oder des Kurbelgehäuses.

Eine feste Einspannung bedeutet hier, dass eine Verbindung mit dem Freiheitsgrad f = 0 geschaffen wird. Eine feste Einspannung am Kreuzkopf und eine feste Einspannung am Kolben ermöglichen es, eine Verbindung zu schaffen, welche spielfrei ist. Eine derartige Verbindung ist ausserdem einfach herzustellen und die Anzahl unterschiedlicher Teile bleibt ge- ring.

Damit kann die Verbindungsstange so gestaltet werden, dass sie Fluchtungsfehler zwischen Kreuzkopf und Kolben bei minimalen Kolbenquerkräften zulässt.

Vorzugsweise befindet sich die kolbenseitige Einspannung inner ^¬ halb des Kolbens, vorzugsweise im Schwerpunkt des Kolbens und besonders bevorzugt im unteren, der Kurbelwelle zugewandten, Drittel des Kolbens.

Damit sind Seitenkräfte oberhalb und unterhalb der Einspannung aufnehmbar. Der Kraftverlauf an der Einspannung wird begünstigt.

Es ist insbesondere vorstellbar, zumindest eine feste Einspan- nung als Presssitz auszuführen. Alternativ sind beispielsweise geschraubte Verbindungen vorstellbar.

Bei einem Presssitz ist vorzugsweise die Einspannung derart ge ^¬ staltet, dass eine zylindrische Aufnahme der Passung ein Länge zu Durchmesser-Verhältnis von 1,5:1, vorzugsweise von 2:1 und besonders bevorzugt von mindestens 2,5:1 aufweist. Somit kann eine stabile Verbindung geschaffen werden.

Zumindest eine der Einspannungen kann aber auch mit einem Gewin- de ausgeführt sein. Dabei ist es vorstellbar, ein Aussengewinde jeweils an der Verbindungsstange vorzusehen. Dabei weist der Kolben respektive der Kreuzkopf ein Sackloch mit einem entspre ^¬ chenden Innengewinde auf. Es ist jedoch auch vorstellbar, das Sackloch an der Verbindungsstange vorzusehen und damit Aussenge ^¬ winde und Innengewinde zu vertauschen.

Die Verbindungsstange kann einen ersten Anschlussbereich für den Kreuzkopf und einen zweiten Anschlussbereich für den Kolben aufweisen .

Dieser Anschlussbereich ermöglicht eine Formgebung der Verbindungsstange, welche auf die jeweilige Komponente (Kol- ben/Kreuzkopf) abgestimmt ist.

Zwischen dem ersten Anschlussbereich und dem zweiten Anschlussbereich kann die Verbindungsstange einen Abschnitt aufweisen, welcher einen konstanten Querschnitt aufweist (nachfolgend mitt- lerer Abschnitt) .

Damit kann eine Verbindungsstange geschaffen werden, welche zwi ^¬ schen den Anschlussbereichen von den Eigenschaften der Anschlussbereiche unterschiedliche Eigenschaften aufweist. Dabei kann der Querschnitt derart gewählt werden, dass beispielsweise definierte Verformungen im mittleren Abschnitt auftreten können. Ebenso ist es möglich, die Anschlussbereiche damit im Schaden ^¬ fall oder bei übermässiger Belastung des kompletten Kompressors zu entlasten.

Zumindest einer der beiden Anschlussbereiche kann einen Bereich mit einem reduzierten Querschnitt zur Bildung eines Festkörpergelenkes aufweisen. Dabei kann der Anschlussbereich einerseits entsprechend den Vo ^¬ raussetzungen zum Anschluss an den Kolben oder an den Kreuzkopf als angeformter Bereich ausgeführt sein. Eine Querschnittsverminderung in diesem Bereich oder direkt anschliessend an diesen Bereich, beispielsweise zwischen diesem Bereich und dem mittleren Abschnitt erlaubt eine elastische Biegung oder ein elasti ^¬ sches Knicken und/oder eine Winkeländerung zwischen mittleren Abschnitt und einem jeweiligen Anschlussbereich.

Somit können beispielsweise Lageungenauigkeiten oder Winkeltole ^¬ ranzen ausgeglichen werden. Lageungenauigkeiten können unteranderem dadurch entstehen, dass der Kreuzkopf abgenutzt wird, wo ^¬ bei insbesondere die Führungsbereiche des Kreuzkopfs über die Laufzeit einen gewissen Verschleiss aufweisen können.

Es ist damit ebenfalls möglich, den Abschnitt zwischen den An ^¬ schlussbereichen, also den mittleren Abschnitt, in Bezug auf Verformung oder Festigkeit von den Anschlussbereichen zu entkop- peln. Dabei ist es möglich, diesen mittleren Abschnitt im Wesentlichen unabhängig von den Anschlussbereichen zu konstruieren .

Die Anschlussbereiche werden vorzugsweise unter Verwendung von computergestützten Methoden, wie der Finite Elemente Methode, berechnet, wobei sämtliche Geometrien und Belastungen berücksichtigt werden können.

Bei der Ausbildung der Verbindungsstange ohne Querschnittsredu ^¬ zierung in den Anschlussbereichen resultiert bei einer Belastung der Verbindungsstange in eingebautem Zustand in Längsrichtung der Knickfall nach Euler 4, bei einer Querschnittsverminderung in einem Anschlussbereich ein Knickfall nach Euler 3 und bei einer Querschnittsverminderung in beiden Anschlussbereichen ein Knickfall nach Euler 2.

Der Kreuzkopf ist vorzugsweise als Führungskolben ausgebildet, das heisst, dass er sich, angetrieben durch einen Pleuel, innerhalb einer zylindrischen Bohrung auf und ab bewegt, oder auf und ab bewegbar ist. Der Führungskolben weist vorzugsweise ein Verhältnis von Durchmesser zu Länge auf, das 1 zu 1 ist. Vorzugs ^¬ weise weist der Kreuzkopf eine Länge auf, welche grösser ist als der Durchmesser.

Dies erlaubt ebenfalls eine günstige Kraftverteilung, Seiten ^¬ kräfte werden vermindert.

Die Verbindungsstange weist vorzugsweise einen Durchmesser und eine Länge auf, die derart dimensioniert sind, dass eine Quer ^¬ kraft, welche aus einer maximalen Abweichung der ersten Einspan- nung gegenüber der zweiten Einspannung in Bezug quer zu einer zentralen Achse des Zylinders resultiert eine vorbestimmte

Grenzquerkraft nicht übersteigt. Die Auslenkung ist maximal 3% eines Kolbendurchmessers und/oder vorzugsweise maximal 0,5 mm.

Die resultierende Grenzquerkraft ist maximal 1/200 einer Kolben ^¬ kraft und übersteigt vorzugsweise 20 Newton nicht. Die Kolben ^¬ kraft ist die Kraft die im erfindungsgemässen Betrieb auf den Kolbenboden wirkt.

Dabei können beispielsweise der Kreuzkopf und der Kolben und entsprechend auch die jeweiligen Einspannungen eine ebenfalls zentrale Achse aufweisen, welche kollinear oder im Wesentlichen kollinear mit der Achse des Zylinders ist.

Dabei ist es möglich, dass beispielsweise durch Fertigungsfehler oder Montageungenauigkeiten oder durch Verschleiss und Abnutzung entstehende Abweichungen der Kollinearität oder Fluchtungsfehler entstehen. Diese Abweichungen können beispielsweise zwischen Kolbenachse und erster Einspannung, erster oder zweiter Einspannung und/oder zwischen zweiter Einspannung und Kreuzkopf auftreten. Eine Kombination oder Überlagerung derartiger Verschiebungen/Abweichungen ist ebenfalls möglich. Eine Kombination aller Abweichungen soll maximal 3% des Kolbendurchmessers sein. Dabei entsteht eine Querkraft, welche den vorgenannten Grenzwert nicht übersteigen soll.

Durchmesser und Länge der Kolbenstange werden somit derart ge ^¬ wählt, dass minimale Randbedingungen eingehalten werden. Eine abschliessende Berechnung der Kräfte ist leicht möglich. Damit lässt sich eine Aussage zur zu erwartenden Lebensdauer machen. Ebenfalls kann bestimmt werden, wann beispielsweise eine Revisi ^¬ on oder ein Austausch von Verschleissteilen nötig wird.

Der Zylinder des Hubkolbenkompressors kann einen Führungsab ^¬ schnitt und einen Kompressionsabschnitt aufweisen. Dies ermög- licht die Fertigung des Zylinders mit beispielsweise unter ^¬ schiedlichen Oberflächengüten und/oder unterschiedlichen Eigenschaften für den jeweiligen Abschnitt.

Der Kompressionsabschnitt kann mehrteilig aufgebaut sein, wobei der Kompressionsabschnitt vorzugsweise einen Zylinderkopf, ein Mittelteil und einen Zylinderfuss umfasst.

Dies ermöglicht einerseits eine Fertigung des Kompressionsab ^¬ schnittes mit beispielsweise unterschiedlichen Eigenschaften für den jeweiligen Bereich. Ebenfalls ist es möglich, nur einzelne Teile auszutauschen, wenn entsprechender Verschleiss auftritt. Die verhältnismässig hohen Toleranzen, welche mit einer Verbin ^¬ dungsstange wie vorliegend möglich sind, erlauben es, den Kom ^¬ pressionsabschnitt mehrteilig zu fertigen. Mit jedem zusätzli- chen Element, welches gefertigt werden muss, steigen die Gesamt ^¬ toleranzen. Die vorliegend beschriebene Verbindungstange ermög ^¬ licht es, in höherem Masse derartige Toleranzfehler zu kompensieren . Der Mittelteil des Kompressionsabschnittes kann eine Laufbuchse aufweisen . Gewünschte Gleiteigenschaften im Kompressionsabschnitt sind da ^¬ mit zusätzlich einstellbar. Zwischen Kolben und Zylinder kann ebenfalls eine Gleitschicht zur Reduktion der Reibung vorgesehen sein. Eine Gleitschicht kann ebenfalls zur Reduktion der Reibung zwischen Kreuzkopf und Zylinder vorgesehen sein. Alternativ zu einer Gleitschicht am Kreuzkopf kann ein Führungsring vorgesehen sein. Die jeweilige Gleitschicht kann dabei am Kolben oder am Kreuzkopf oder am jeweiligen Bereich des Zylinders aufgebracht sein. Dies ermöglicht die Reduzierung von Reibungskräften. Dies ist besonders vorteilhaft bei Kolbenkompressoren, welche als ölfreie, trockenlaufende Kompressoren ausgebildet sind.

Ausserdem wird durch entsprechende Gleitschichten der Ver- schleiss am Kolben und/oder am Zylinder und/oder am Kreuzkopf verringert .

Der Hubkolbenkompressor kann luftgekühlt oder wassergekühlt sein. Unterschiedliche Einsatzbereiche sind somit möglich.

Vorzugsweise ist der Hubkolbenkompressor trockenlaufend. Trocken laufend heisst hier, dass zumindest weder der Kolben noch der

Führungskolben geschmiert ist. Das heisst, der Kompressor ist in diesen Bereichen ölfrei. Vorzugsweise ist der Kompressor komplett trockenlaufend, das heisst, komplett ölfrei. Dies bedeu ^¬ tet, dass der Kompressor ebenfalls im Bereich der Kurbelwelle und der Pleuellager nicht geschmiert ist. Die Dimensionierung der Verbindungsstange ermöglicht es, die Durchmesser von Kolben und Zylinder in einem sehr engen Bereich aufeinander abzustim- men, ohne dass eine zusätzliche Schmierung notwendig ist, um den Verschleiss und/oder Seitenkräfte/Querkräfte gering zu halten.

Eine Ölschmierung ist alternativ ebenfalls vorstellbar. Dies je- doch lediglich dann, wenn beispielsweise keine besonderen Anforderungen an die Sauberkeit des zu verdichtenden Mediums gestellt werden .

Ein trockenlaufender Kompressor ermöglicht einen Verdichtungs- prozess, ohne dass das Prozessgas nach dem Verdichten noch ge ^¬ sondert gefiltert oder gereinigt werden muss oder, im Vergleich zu geschmiert laufenden Kompressoren, der Anteil an Schmutzpart ^¬ ikeln im Prozessgas deutlich verringert ist. Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft einen Nachrüstsatz für einen Hubkolbenkompressor, vorzugsweise für einen Hubkolbenkompressor wie vorliegend beschrieben. Der Nachrüstsatz umfasst eine Pleuelstange, einen Kreuzkopf, einen Kolben, sowie eine Verbindungsstange. Der Kreuzkopf und der Kolben sind mittels der Verbindungsstange miteinander in Wirkverbindung bringbar sind. Der Kreuzkopf und der Kolben sind mit der Verbindungsstange mit einer festen Einspannung verbunden oder verbindbar. Vorzugsweise weist der Kreuzkopf und der Kolben je eine Aufnahme zur festen Einspannung der Verbindungsstange auf.

Dies ermöglicht das Aufrüsten von bestehenden Hubkolbenkompres ^¬ soren. Ebenfalls ist es möglich, verschlissene Teile von konven ^¬ tionellen Hubkolbenkompressoren bei Service oder Wartung durch Teile aus dem Nachrüstsatz zu ersetzen und den Hubkolbenkompres- sor somit ganzheitlich aufzuwerten. Es kann vorgesehen sein, zum Nachrüstsatz zusätzlich einen vollständigen Zylinder zu liefern. Der Zylinder kann dabei wie vorliegend beschrieben aus mehreren Einzelteilen bestehen. Der Verzicht auf zusätzliche Einzelteile zum Verbinden der ein ^¬ zelnen Elemente ermöglicht beispielsweise gegenüber dem Stand der Technik eine Verringerung des Durchmessers des Kolbens, wel ^¬ cher das Prozessgas oder das zu verdichtende Medium verdichtet. Mit einer fest eingespannten Verbindungsstange ist die Anzahl der Befestigungsteile reduziert. Eine feste Verbindung kann auch bei sehr geringen Querschnitten am Kolben geschaffen werden.

Ein Hubkolbenkompressor und/oder eine Anordnung aus Kolben, Kreuzkopf und Verbindungsstange wie vorliegend beschrieben ist insbesondere vorteilhaft beim Verdichten von Prozessgas wie

Luft, Stickstoff, Sauerstoff, Kohlendioxid, Kohlenmonoxid, Erd ^¬ gas, Wasserstoff, Kältemittelgase, SF6-Gemische, Helium und an ^¬ deren Edelgasen insbesondere bei Hochdruckanwendungen. Derartige Hubkolbenkompressoren können mehrstufig aufgebaut sein.

Anhand eines Ausführungsbeispiels wird die Erfindung in nachfol ^¬ genden Figuren im Detail erklärt.

Figur 1 zeigt einen erfindungsgemässen Hubkolbenkompressor mit vier Zylindern.

Figur 2 zeigt eine geschnittene Detailansicht aus der Figur 1.

Figur 3a zeigt ein Detail einer Verbindungsstange Figur 3b zeigt ein Detail einer Verbindungsstange

Figur 4 zeigt schematisch eine Verbindungsstange Figur 1 zeigt einen Hubkolbenkompressor 100. Der Hubkolbenkompressor 100 weist vorliegend vier Zylinder 20 auf, in welchen sich jeweils ein Kolben befindet. Der Hubkolbenkompressor 100 ist als mehrstufiger Kolbenkompressor ausgeführt.

Figur 2 zeigt ein Detail des Hubkolbenkompressors 100 aus Figur 1. Gezeigt ist eine Schnittansicht durch die Hochdruckstufe des Hubkolbenkompressors 100 aus Figur 1.

In einem Kurbelgehäuse 10 ist eine Kurbelwelle 11 angeordnet, auf welcher eine Pleuelstange 12 schwenkbar gelagert ist. Die Pleuelstange 12 ist mit einem Kreuzkopf 13 verbunden. Die Ver ^¬ bindung zwischen Pleuelstange 12 und Kreuzkopf 13 ist als eine gelenkige Bolzenverbindung ausgeführt. Entsprechende Lager an der Verbindung sind vorgesehen (hier nicht näher bezeichnet) . Der Kreuzkopf 13 ist als Kolben mit rundem Querschnitt ausgebil ^¬ det. Oben am Kreuzkopf 13 befindet sich eine Öffnung, in der ei ^¬ ne Verbindungsstange 24 mit einer Einspannung A eingespannt ist. Die Verbindungsstange 24 ist ebenfalls an einem Kolben 23 mit der Einspannung B fest eingespannt. Der Kolben 23 weist ebenfalls eine entsprechende Öffnung auf. Beidseitig der Verbin ^¬ dungsstange 24 sind Anschlussbereiche 241 und 242 vorgesehen. Die Anschlussbereiche 241 und 242 laufen in einen Fuss über, das heisst, sie weisen im Bereich des Anschlusses an den Kolben res ^¬ pektive an den Kreuzkopf einen verdickten und hier dicker werdenden Querschnitt auf. Vorliegend sind die Einspannungen A und B als Presssitze ausgebildet. Zwischen den Einspannungen A und B, das heisst ebenfalls zwischen den Anschlussbereichen 241 und 242, weist die Verbindungsstange einen mittleren Abschnitt 243 auf. Dieser mittlere Abschnitt 243 ist im Vergleich zu den Ab ^¬ schnitten 241 und 242 im Durchmesser verringert. Der Zylinder 20 ist unterteilt in einen Führungsabschnitt 21 und in einen Kompressionsabschnitt 22. Der Führungsabschnitt 21 ist einstückig ausgebildet. Darin befindet sich der Kreuzkopf 13. Der Kompressionsabschnitt 22 ist vorliegend dreiteilig ausgebil- det. Er weist einen Zylinderkopf 221, einen Mittelteil 222 und einen Zylinderfuss 223 auf. Innerhalb des Mittelteiles 222 ist eine Laufbuchse 2221 angeordnet, welche sich bis in den Zylin ^¬ derfuss 223 erstreckt. Die Laufbuchse 2221 ist vorliegend aus einem hochlegierten Nickelstahl gefertigt. Alternativ kann Hart- metall oder hochfester Kunststoff verwendet werden. Vorzugsweise haben die Materialien einen Wärmeausdehnungskoeffizient von Null oder annährend Null und sind verschleissfest . Für den Kolben 23 werden vorzugsweise dieselben Materialien verwendet. Zylinderkopf 221, Mittelteil 222 und Zylinderfuss 223 sind durch Schrau- ben gegeneinander verspannt. Der Mittelteil 222 weist Kühlrippen auf, welche dazu dienen, Wärme der Umgebung abzugeben.

Der Kolben 23 läuft innerhalb der Laufbuchse 2221 auf und ab und zur Verminderung der Reibung weist er eine Gleitschicht auf. Die Gleitschicht ist aus hochfestem, verstärktem Kunststoff, vorlie ^¬ gend PEEK, gefertigt. Alternativ könnte PTFE mit Kohlefasern verwendet werden. Die Verbindungsstange 24 ist vorliegend derart ausgebildet, dass bei der Belastung des Kolbens aus der Richtung des Kompressionsraums eine Knickung gemäss Euler 4 eintritt. Sie besteht aus einem hochfesten Vergütungsstahl, Titan oder Titanlegierungen wären aber vorstellbar. Der Kreuzkopf 13, das Pleuel 12 und der Führungsabschnitt 21 sind vorliegend aus Aluminium gefertigt. Titan und seine Legierungen sowie Stahl sind aber vorstellbar .

In Figur 3a ist ein Ende der Verbindungsstange 24 aus Figur 2 gezeigt. Sie umfasst einen Bereich zur Einspannung A, einen Anschlussbereich 241 und einen mittleren Abschnitt 243. Im mittle- ren Abschnitt 243 ist der Durchmesser der Verbindungsstange 24 im Wesentlichen konstant. Dieser verdickt sich im Anschlussbe ^¬ reich 241 zu einem Fuss an welchem im Anschluss ein Zapfen zur Einspannung A vorgesehen ist. Der Querschnitt des Anschlussbe- reiches 241 vergrössert sich konstant in Richtung zur Einspannung A hin.

Im Gegensatz dazu und lediglich zum Vergleich ist in der Figur 3b die Verbindungsstange aus Figur 3a gezeigt, wobei die Verbin- dungsstange einen Anschlussbereich 241 mit einer Querschnitts ^¬ verengung 2411 ausweist. Diese Verengung ist umlaufend ausgebil ^¬ det und bildet ein Festkörpergelenk. Vorliegend befindet sich die Verengung 2411 zwischen dem mittleren Abschnitt 243 und dem Anschlussbereich 241, und bildet den Schluss des Anschlussberei- ches 241 hin zum mittleren Abschnitt 243. Die gleichen Ausführungen gelten ebenfalls für die Einspannung B und den zugehörigen Anschlussbereich 242.

Figur 4 zeigt schematisch eine Verbindungstange 24, eingespannt in einem Kolben 23 und einem Kreuzkopf 13. Zwischen den zentralen Achsen von Kreuzkopf 13 und Kolben 23 ist ein Versatz f eingezeichnet, der beispielsweise durch Fertigungstoleranzen ent ^¬ stehen kann. Der Versatz f kann sich aber auch über die Zeit einstellen. Beispielsweise kann sich eine Führungspartie beim Kreuzkopf abnutzen. Diese Gefahr besteht beispielsweise bei ei ^¬ nem trockenlaufenden, ölfreien Kolbenkompressor erhöht.

Eine exemplarische Berechnung der Verbindungsstange für ver ^¬ schiedene Durchmesser und Kolbendrücke (Kolbenkräfte) ist in nachstehender Tabelle gezeigt. Dabei wurde ein Material mit ei ^¬ ner Biegewechselfestigkeit von o = 420 N/mm ^A 2, einer Streckgrenze Re von 900N/mm ^A 2, ein E-Modul von 210kN/mm ^A 2 und eine maximal mögliche Verschiebung f von 0.5mm angenommen. Für spezifische Materialkonstanten kann ein spezifischer Grenzschlankheitsgrad berechnet werden. Der Grenzschlankheitsgrad für das vorliegende Material beträgt 66. Unterhalb dieses Schlankheitsgrades muss die Knickung nach Tetmajer, d.h. plastisch und oberhalb dieses Grenzschlankheitsgrades nach Euler, d.h. elastisch berechnet werden .

Die Berechnungen erfolgten für die Euler-Fälle 3 und 4 unter Vorgabe einer konstanten maximal zulässigen Querkraft, d.h. eine Querkraft, die einen Absolut-Wert nicht überschreitet. In einem zweiten Schritt wurde die maximal zulässige Querkraft prozentual von der Kolbenkraft abhängig berechnet und dieser Wert als

Grundlage genommen. Dabei wurden die Berechnungen für Kolbenkräfte F = 4kn, 8kN und 12kN vorgenommen. Die Querkraft Q wurde einerseits für alle Kol ^¬ benkräfte auf 20N beschränkt, andererseits wurde sie proportio ^¬ nal (F/200) in die Berechnungen aufgenommen. Dabei sollte eine Sicherheit von 4 von o_Knick zu o_Druck nicht unterschritten werden.

Die Berechnungen konnten alle nach Tetmajer durchgeführt werden. Folgende Durchmesser D, Längen L und Schlankheitsgrade λ konnten iterativ ermittelt werden.

In folgender Tabelle wurden die Spannungen berechnet, wobei bei ^¬ de Anschlussbereiche der Verbindungsstange 24 gemäss der Figur 3a ausgeführt sind.

Euler 4 Euler 4

Querkraft prozentual Querkraft absolut begrenzt begrenzt

F 4000 8000 12000 [N] 4000 8000 12000

Q 20 40 60 [N] 20 20 20 L 160 192 215 [mm] 160 269 367

D 6 8.2 9.9 [mm] 6 8.9 11.2 λ 53 47 43 [ - ] 53 60 66 σ Knick 559 601 622 [N/mm ^A 2] 559 514 481 σ Druck 141 151 156 [N/mm ^A 2] 141 129 122

S 4 4 4 [ - ] 4 4 4

In folgender Tabelle wurden die Spannungen unter der Annahme berechnet, dass die Verbindungsstange 24 auf einer Seite einen An ^¬ schlussbereich gemäss Figur 3a und auf der anderen Seite einen Anschlussbereich gemäss der Figur 3b (Festkörpergelenk) aufweist.

Unter Berücksichtigung der vorhandenen Spannung o_Druck und der kritischen Knickspannung o_Knick resultiert bei den gewählten Werten von L und D eine Sicherheit S von mindestens 4. Die Be ^¬ rechnungen können natürlich auch ausgehend von einem bestimmten, geforderten oder gewünschtem Sicherheitswert berechnet werden.