Die vorliegende Erfindung betrifft einen trockenlaufenden Kolbenverdichter mit einem Kurbelgehäuse, an dem zumindest ein topfartiger Zylinder mit einem zugeordneten innenliegenden Kolben angeordnet ist, der mittels eines Pleuels mit einer im Kurbelgehäuse drehbar gelagerten Kurbelwelle verbunden ist, wobei das kurbelwellenseitige Ende des Pleuels über ein nach Art eines Wälzlagers ausgeführtes Pleuellager an der Kurbelwelle gelagert ist.

Das Einsatzgebiet der vorliegenden Erfindung erstreckt sich vornehmlich auf den Nutz- und Schienenfahrzeugbereich. Hier kommen Kolbenverdichter zur Erzeugung von Druckluft zum Einsatz, welche insbesondere für den Betrieb der Druckluft-Bremsanlage benötigt werden. Im Nutzfahrzeugbereich wurden bisher überwiegend ölgeschmierte Kolbenverdichter eingesetzt; die vorliegende Erfindung bezieht sich jedoch auf trockenlaufende, das heißt ölfreie Kolbenverdichter, welche sich speziell für den Einsatz im Nutz- und Schienenfahrzeugbau eignen.

Bei den allgemein im Stand der Technik bekannten ölgeschmierten Kolbenverdichtern hat die Ölschmierung zur Folge, dass die Druckluft ölhaltig ist. Das Kondensat, welches bei der anschließenden Lufttrocknung anfällt, muss wegen des Ölgehalts aus Umweltschutzgründen in beheizbaren Behältern gesammelt und in regelmäßigen Zeitabständen zur Entsorgung abgelassen werden. Dies führt zu einem erhöhten Wartungs- und Entsorgungsaufwand. Hinzu kommen häufig auftretende Probleme einer Emulsionsbildung im Ölkreislauf herkömmlicher ölgeschmierter Kolbenverdichter, die gewöhnlich während des Winterbetriebs bei niedriger Belastung auftreten. Besondere Probleme entstehen bei dem Einsatz ölgeschmierter Kolbenverdichter in Nutzfahrzeugen. Seitlich am Verbrennungsmotor des Nutzfahrzeuges angeflanschte, direkt angetriebene Kolbenverdichter werden mit hoher Drehzahl und

Leistungsdichte betrieben, woraus ein besonders hoher Ölausstoß ins pneumatische System

resultiert, was zwangsläufig zur VerÖlung der nachgeschalteten Komponenten führt. Darüber hinaus werden diese Kolbenverdichter in der Regel einstufig bei hohen Verdichtungstemperaturen betrieben, wodurch das Öl an den Druckausgängen der Ventile thermisch derart hoch beansprucht wird, dass es zum Cracken kommen kann. Hierdurch entstehen Verkokungen, welche von der Druckluft ins pneumatische System getragen werden und Folgeschäden an den nachgeschalteten Komponenten verursachen.

In jüngster Zeit werden daher verstärkt Anstrengungen unternommen, anstelle von ölgeschmierten Kolbenverdichtern bei Nutzfahrzeugen trockenlaufende Kolbenverdichter zum Einsatz zu bringen. Bisher scheiterte dies daran, dass trockenlaufende Ölverdichter über vergleichsweise größere geometrische Abmessungen verfugen, um eine mit ölgeschmierten Kolbenverdichtern vergleichbare Förderleistung zu bringen. Da jedoch bei Nutzfahrzeugen nur ein sehr knapper Bauraum zur Unterbringung der Verdichtereinheit zur Verfügung steht, stießen derartige Bestrebungen bisher auf Hindernisse.

Aus der DE 101 09 514 Cl ist ein gattungsgemäßer trockenlaufenden Kolbenverdichter bekannt, der hier insbesondere zum Einsatz innerhalb von Schienenfahrzeugen konzipiert ist. Der trockenlaufende Kolbenverdichter besitzt ein Kurbelgehäuse für eine hierin drehbar gelagerte Kurbelwelle. Außen an dem Kurbelgehäuse sind mehrere topfartige Zylinder mit jeweils zugeordneten innenliegenden Kolben vorgesehen, wobei die Kurbelwelle über ein Pleuellager als erste Lagerstelle mit einem Ende des Pleuels in Verbindung steht, um die Drehbewegung der Kurbelwelle in eine lineare Bewegung für den am anderen Ende des Pleuels über ein Kolbenbolzenlager als zweite Lagerstelle gelagerten Kolben umzuwandeln. Der trockenlaufende Kolbenverdichter arbeitet ohne ein im Kurbelgehäuse befindliches Schmieröl. Stattdessen wird die Schmierung an der Kolbenlaufbahn durch eine besonders reibungsarme dynamische Dichtungsanordnung ersetzt. Alle drehenden Bauteile sind darüber hinaus wälzgelagert. Die gekapselten Wälzlager werden dabei mit einer temperaturbeständigen, langlebigen Fettfüllung versehen. Im Ventilbereich werden gleitgeführte Bauteile weitestgehend vermieden. Durch die Summe dieser Maßnahmen ist

eine Ölschmierung im Kolbenverdichter entbehrlich. Folglich kann beispielsweise auch die Gefahr eine VerÖlung der vom Kolbenverdichter erzeugten Druckluft ausgeschlossen werden.

Jedoch ist in den betreffenden Fahrzeugen der Einsatz eines ölfreien Kolbenverdichters bisher nicht möglich gewesen, da dieser direkt am Verbrennungsmotor (Dieselmotor) seitlich anzuflanschen ist, wobei zwischen Fahrzeugträger und Verbrennungsmotor nur ein eng begrenzter Einbauraum zur Verfügung steht. Durch den Einsatz eines wälzgelagerten Pleuels, so wie es die ölfreie Bauweise eines Kolbenverdichters notwendig macht, verbreitert sich der Kolbenverdichter mindestens um die doppelte Einbaubreite des Wälzlagers, so dass ein trockenlaufender Kolbenverdichter als Ersatz für einen herkömmlichen ölgeschmierten Kolbenverdichter mit gleicher Förderleistung bisher nicht in Frage kam.

Das bei einem ölfreien Kolbenverdichter als Wälzlager ausgebildete Pleuellager wurde stets nach den Vorschriften des Standes der Technik dimensioniert. Eine solche Vorschrift enthält die Druckschrift „FAG Wälzlager, WL 41 520/3 DB -Katalog Ausgabe 1999". Die klassische Lagerdimensionierung für den vorliegenden Fall einer Pleuellagerung erfolgt durch die Ermittlung der maximalen Kolbenkraft, welche sich aus Kolbenfläche multipliziert mit dem maximalen auf die Kolbenfiäche wirkenden Druck ergibt. Zur Lebensdauerauslegung von Wälzlagerungen wird der Zusammenhang

L = (C / P) ^P

verwendet, wobei C = dynamische Tragzahl, P = Lagerbelastung, p = Lebensdauerexponent ist. Die Lagerauswahl erfolgt letztendlich auf der Grundlage der sich aus dieser Formel ergebenden Tragzahl durch entsprechende mathematische Umformschritte. Tragzahlen von Wälzlagern sind genormt und basieren auf DIN ISO 281 sowie DIN ISO 76. Die dynamische Tragzahl C ist definiert als die Belastung unveränderlicher Größe und Richtung, bei der eine genügend große Menge gleicher Lager eine nominelle Lebensdauer von 1 Million Umdrehungen erreicht.

Eine besondere Problematik hinsichtlich der Auswahl des Pleuellagers ergibt sich - wie vorstehend erläutert - aus den Bauraumbegrenzungen bei Nutzfahrzeugen, so dass nur sehr kleinbauende Wälzlager als Pleuellager in Frage kommen würden. Insbesondere würden also Wälzlager nach Art eines Nadellagers oder kleinrollige Zylinderrollenlager in Betracht kommen. Jedoch können diese Lagertypen wegen der verstärkten Fettalterung aufgrund der erhöhten Walkarbeit nicht nur die für Kolbenverdichter in Nutzfahrzeugen geforderten Betriebszeiten nicht erbringen; unter reellen Betriebsbedingungen würden diese Lagertypen auch schnell zu Lagerausfällen und Verdichterschäden fuhren. Andere Lagertypen mit geringerer Schmierstoffbelastung sind jedoch nach dem Stand der Technik entsprechend der vorstehend beschriebenen Vorschrift so groß zu dimensionieren, dass die Größe des

Kurbeltriebs und insbesondere die Breite desselben jeden Einsatz in einem Nutzfahrzeug an einem technisch sinnvollen Einbauort ausschließen würden.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen trockenlaufenden Kolbenverdichter zu schaffen, welcher im Vergleich zu einem ölgeschmierten

Kolbenverdichter gleicher Förderleistung nur dessen Bauraum beansprucht, und zwar bei mindestens derselben Lebensdauer.

Die Aufgabe wird ausgehend von einem trockenlaufenden Kolbenverdichter 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 das bauraumkritische Pleuellager seitens der Kurbelwelle eine Belastungskennzahl Bpi _eue i in einem Bereich von 2 bis 6 aufweist, die sich aus folgender Formel ergibt:

Bpieuel = C _dy n.[N] / (A _Ko lben [mm ² ] ^• p Verdichter [N/mm ² ])

_ _$

Das bedeutet nach mathematischer Umformung, dass die Auswahl des Pleuellagers anhand der dynamischen Lagertragzahl Cdy _n . durch folgende Formel erfolgt:

Cdyn. = AKolben ^• (2 ... 6) ^• pVerdichter

Eine Auslegung des Pleuellagers nach dieser Vorschrift gewährleistet eine ausreichende Lebensdauer und ermöglicht eine Verkleinerung der geometrischen Abmessungen des trockenlaufenden Kolbenverdichters. Die erfinderische Leistung besteht darin, dass bei praktischen Versuchen überraschenderweise festgestellt wurde, dass bei einem trockenlaufenden Kolbenverdichter die sogenannte dynamisch äquivalente

Lagerbelastungsermittlung (besagter FAG- Katalog „Wälzlager", S. 32) auch für pulsierende Drehzahlen der Lagerauslegung zugrunde gelegt werden kann. Darüber hinaus wurde mit stark unterdimensionierten Lagern experimentiert, was der Fachmann aufgrund der gängigen Vorschriften zur Lagerauslegung nicht tun würde. Ausgangspunkt für die einen neuen Weg gehenden Überlegungen waren Erkenntnisse aus der Schwingungsoptimierung bezüglich des Einsatzes schwerer Kolben, die auf die Lagerauslegung übertragen wurden. Kern des neuen Gedankengangs ist die Tatsache, dass die Bewegungsenergie schwerer Kolben, so wie diese auch bei trockenlaufenden Kolbenverdichtern verwendet werden, aufgrund der Führungslänge des schweren Kolbenbolzens und des Einsatzes eines Wälzlagers am Kolben in die Verdichtungsenergie umgesetzt wird, was nicht nur zu einer Verbesserung des

Schwingungsverhaltens sondern - hier ursächlich - zu einer Entlastung der Wälzlager am Pleuel führen muss.

Die Zusammenfassung dieser Überlegungen, welche durch die praktischen Versuche bestätigt werden konnten, führte zu der Erkenntnis, dass die Lagerauslegung und Dimensionierung bei dem speziellen Einsatzfall eines trockenlaufenden Kolbenverdichters in einen bisher nicht verwendeten Bereich gelegt werden kann, der sich mit

2 < Cdyn / (Aκolben ' PVerdichter) ≤ 6

beschreiben lässt, wobei Aκ _o i _ben die Kolbenfläche in mm ² , pverdichter den Nennarbeitsdruck des Verdichters in N/mm ² und C _άyn die dynamische Lagertragzahl in N angibt.

Nach den Dimensionierungsvorschriften des Standes der Technik würde sich im Gegensatz zu der erfindungsgemäßen Lösung eine Belastungskennzahl Bpi _eUe i von weit mehr als 6 ergeben.

Gemäß einer weiteren, die Erfindung verbessernden Maßnahme sollte das Verhältnis zwischen der oszillierenden Masse m _osz des aus Kolben, Kolbenring, Kolbenbolzenlager und dem oszillierenden Teil des Pleuels bestehenden Kurbeltriebes und der Wirkfläche des Kolbens Aκ _o iben im Bereich von 10 bis 20 liegen. Hierbei ist Aκoiben in cm ² und iriosz in g anzugeben. Im Bereich dieses Verhältnisses zwischen Kolbenfläche und oszillierender Masse stellt sich eine besonders minimale Lagerbelastung ein, was zusätzlich zur Lebensdauerverlängerung beiträgt. Das besagte Verhältnis bringt den erfindungsgemäßen Nutzen insbesondere im Bereich des Einsatzes besonders schwerer Kolben. Hierauf wäre in diesem Falle dann zusätzlich zu achten.

Das nach Art eines Wälzlagers auszubildende Pleuellager sollte vorzugsweise in Form mindestens eines Kugellagers ausgeführt werden. Es ist jedoch auch denkbar, dass das Pleuellager als zweireihiges Kugellager ausgeführt wird, was zwar eine entsprechende Verbreiterung des für das Pleuellager erforderlichen Bauraums verursacht; das im Hinblick auf einen minimalen Bauraum kritische Maß des Lagerdurchmessers kann aber hierdurch besonders gering gehalten werden. Denn ein zweireihiges Kugellager weist gegenüber einem vergleichbaren einreihigen Kugellager einen geringeren Außendurchmesser auf.

Natürlich ist es auch möglich, das Kugellager als gepaartes Kugellager auszuführen, wobei sich die dynamische Lagertragzahl Cdy _n des Pleuellagers aus der Summe der Einzeltragzahlen beider Kugellager ergibt.

Das Pleuellager sollte mit einer Fettfüllung zur Dauerschmierung ausgestattet sein. Diese Maßnahme trägt ebenfalls zur Maximierung der Lebensdauer bei.

Der erfindungsgemäße trockenlaufende Kolbenverdichter kann als ein- oder mehrzylindriger Verdichter ausgeführt sein. Ebenfalls ist im Falle mehrzylindriger Verdichter eine mehrstufige Verdichtung mit mindestens einer Niederdruckstufe und mindestens einer Hochdruckstufe möglich.

Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels mit Berechnungsbeispiel anhand einer Figur im Vergleich zum Stand der Technik näher dargestellt. Es zeigt:

Figur 1 eine Anordnung eines trockenlaufenden Kolbenverdichters in einem

Nutzfahrzeug bei herkömmlicher Auslegung des Pleuellagers, und

Figur 2 eine Anordnung eines trockenlaufenden Kolbenverdichters in einem Nutzfahrzeug bei erfindungsgemäßer Auslegung des Pleuellagers.

Gemäß Figur 1 ist ein Kolbenverdichter 1 innerhalb eines - hier nicht weiter dargestellten - Nutz- bzw. Schienenfahrzeuges zwischen einem Motor 2 zum Antrieb des Fahrzeugs und einem Tragrahmen 3 angeordnet. Der Motor 2 zum Antrieb des Fahrzeuges dient gleichzeitig auch zum Antrieb des Kolbenverdichters 1.

Der Kolbenverdichter 1 besitzt ein Kurbelgehäuse 4, an welchem ein topfartiger Zylinder 5 über eine - hier nicht weiter erkennbare - Schraubverbindung angebracht ist. Der topfartige Zylinder 5 ist mit einem Zylinderkopf 6 versehen, durch welchen - in an sich bekannter Weise - das Ansaugen von Luft aus der Atmosphäre und die Abgäbe der im Zylinder 5 erzeugten Druckluft über eine hierin integrierte Ventüanordnung erfolgt.

Zur Drucklufterzeugung ist ein im Zylinder 5 hin und her bewegbarer Kolben 7 vorgesehen. Der Kolben 7 ist schwenkbar an einem Pleuel 8 gelagert und steht am gegenüberliegenden Ende über ein Pleuellager 9 mit der Kurbelwelle 10 in Verbindung.

Bei diesem, dem Stand der Technik entsprechenden Ausführungsbeispiel erfolgte die Auswahl des als Wälzlager ausgeführten Pleuellagers 9 mittels herkömmlicher Berechnungsvorschriften. Dies führt erkennbarer Weise dazu, dass besonders großbauende Pleuellager 9 ausgewählt werden, um eine genügende Lebensdauer zu erhalten.

Der Begrenzungskreis K verdeutlicht, dass bei dieser herkömmlichen Auswahl der

Pleuellager 9 der Bauraum zwischen dem Motor 2 des Nutzfahrzeuges und des Tragrahmens 3 nicht ausreichen würde, um hier diesen trockenlaufenden Kolbenverdichter unterzubringen. Die herrschenden Platzverhältnisse sind von Nutzfahrzeugherstellern allerdings als bauliche Randbedingungen vorgegeben und normalerweise für den Einbau vergleichsweise kleinerbauender öl geschmierter Kolbenverdichter vorgesehen, welche jedoch die eingangs dargestellten Probleme verursachen.

In der Figur 2 sind im Vergleich hierzu die Platzverhältnisse bei einem erfindungsgemäß ausgebildeten trockenlaufenden Kolbenverdichter veranschaulicht. Das Kurbelgehäuse 4 dieses Kolbenverdichters 1' kann geringere äußere Abmessungen aufweisen, so dass dieses in den begrenzten Bauraum zwischen Motor 2 und Tragrahmen 3 des Nutzfahrzeuges passt. Ursache hierfür sind die vergleichsweise kleineren Pleuellager 9, deren Durchmesser bauraumbestimmend ist.

Die nachfolgenden Rechenbeispiele verdeutlichen die mit der Erfindung erzielten Vorteile anhand eines Vergleichs zwischen der Auswahl eines Pleuellagers nach der herkömmlichen Vorschrift im Vergleich zu der neuen Vorschrift:

Als gegeben gelten folgende Größen Kolbendurchmesser: dκ _o iben = 95mm

Systemdruck: p = 12,5 bar = 1,25 N/mm ²

Mittl. Drehzahl: n = 2400 l/min

Hilfsmittel: FAG Wälzlager, WL 41 520/3 DB -Katalog Ausgabe

1999

1. Berechnung der Lagerbelastung P Kolbenfläche: A _Ko i _b en = (π/4) • d _Ko i _ben ² = 7088mm ²

Lagerbelastung: P = A _Ko iben * P = 8860N

Die Lagerbelastung P beträgt 8860 N.

2. Auswahl des Lagers nach Stand der Technik (Rillenkugellager DIN 625) gemäß o.g. F AG-Katalog,

Seite 164-165 Rillenkugellager Typ 6311

Außendurchmesser 120 mm

Cdyn = 76500 N/mm ² Dieses Lager würde also einen recht großen Außendurchmesser von 120 mm aufweisen.

3. Nachweisrechnung für Lagerlebensdauer

It. vorgenanntem Katalog: Lebensdauerexponent p = 3 für Kugellager L ₁₀ = (Cdyn / P) ^p = (76500 / 8860) ³ = 644 Mio. Umdrehungen

L ₁ Oh = (1000000/60 ^• n) ^• L ₁₀ = (1000000 / (60 ^• 2400)) ^• 644 = 4470 h

In Ergebnis dessen würde das Lager eine genügende rechnerische Laufzeit von 4470 h erreichen. Aus folgenden Gründen ist dies jedoch ein Trugschluss:

4. Vergleichsrechnung über Ermittlung Belastungskennzahl

Bpieuei = 76500N / (95 ^{2 •} π /4) (mm ² ) ^• 1 ,25 (N/mm ² ) = 8,6

Entsprechend der Belastungskennzahl von Bpi _eue i^ 8,6 wäre das Lager jedoch zu groß und könnte kleiner sein, da für den trockenlaufenden Kolbenverdichter eine Belastungskennzahl von Bp _k uei = 2 ... 6 ausreichend ist.

5. Auswahl eines kleineren Lagers (Rillenkugellager DIN 625) Wird eine kleinere dyn. Lagertragzahl von C _dyn = 33200 N (2 x 16600N) angenommen, ergibt sich gemäß F AG-Katalog, Seite 160-161: Rillenkugellager Typ 6008 mit Außendurchmesser 68mm. Dieses Lagerpaar würde also einen vergleichsweise kleinen Außendurchmesser von 68 mm aufweisen.

6. Ermittlung Belastungskennzahl für das kleinere Lager

Bpi _eue i = 33200N / (95 ^{2 •} π IA) (mm ² ) ^• 1 ,25 (N/mm ² ) = 3,75

Entsprechend der Belastungskennzahl von Bp _leue i ⁼ 3,75 wäre das Lager in dem zulässigen Bereich der Belastungskennzahl für den trockenlaufenden Kolbenverdichter von

Bρi _e u _el ⁼ 2 ... 6.

7. Vergleich mit Nachweisrechnung der Lagerlebensdauer für das kleinere Lager Voraussetzung: Für Wälzlager gilt ein Lebensdauerexponent von 3 Lio = (C _dyn /P) ^p = (33200/8860) ³ = 52,6 Mio. Umdrehungen

L _1Oh = (1000000/60 ^• n) x LlO - (1000000/(60 ^• 2400)) ^• 52,6 = 365 h Im Ergebnis der klassischen Lebensdauerberechnung würde das Lager eine rechnerische Laufzeit von nur 365 h erreichen, was jedoch bei dem trockenlaufenden Kolbenverdichter nicht zutrifft. Tatsächlich zeigt die Praxis, dass das viel kleinere Lager hier eine Laufzeit von über 5000 h erreicht.

Bezugszeichenliste

1 Kolbenverdichter

2 Motor 3 Tragrahmen

4 Kurbelgehäuse

5 Zylinder

6 Zylinderkopf

7 Kolben 8 Pleuel

9 Pleuellager

10 Kurbelwelle

K Begrenzungskreis