DE10058924C2

DE10058924C2 - Schwingungsarmer mehrstufiger Kolbenkompressor

Info

Publication number: DE10058924C2
Application number: DE2000158924
Authority: DE
Inventors: Michael Hartl; Frank Meyer
Original assignee: Knorr Bremse Systeme fuer Schienenfahrzeuge GmbH
Current assignee: Knorr Bremse Systeme fuer Schienenfahrzeuge GmbH
Priority date: 2000-11-28
Filing date: 2000-11-28
Publication date: 2002-11-21
Anticipated expiration: 2020-11-29
Also published as: WO2002044564A1; AU2002235736A1; DE10058924A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen schwingungsarmen mehrstufigen Kolbenkompres sor, insbesondere für Schienenfahrzeuge, mit einer Niederdruckstufe und mindestens einer darauffolgenden Hochdruckstufe, der im wesentlichen aus einer eine Drehbewegung erzeu genden Antriebseinheit und einer nachgeschalteten Verdichtereinheit besteht. Die Verdichter einheit weist dabei mehrere an einem Gehäuse für eine Kurbelwelle angeordnete topfartige Zylinder für innenliegende Kolben auf, wobei die über die Antriebseinheit angetriebene Kur belwelle ihre Drehbewegung über auf Kröpfungen angeordnete Pleuel in eine lineare Bewe gung für jeden zugeordneten Kolben zum Komprimieren von angesaugter Luft umwandelt.

Im Bereich des Schienenfahrzeugbaus kommen üblicherweise ölgeschmierte Kolben- oder Schraubenkompressoren zum Einsatz. Die Ölschmierung der Verdichtereinheit derartiger Kompressoren hat zur Folge, daß die erzeugte Druckluft ölhaltig ist. Das Kondensat, welches bei der anschließenden Lufttrocknung anfällt, muss - wegen des Ölgehaltes - aus Umwelt schutzgründen in beheizbaren Behältern gesammelt und in regelmäßigen Zeitabständen abge lassen und entsorgt werden. Dies führt zu einem erhöhten Wartungsaufwand und zu Entsor gungskosten. Hinzu kommen häufig auftretende Probleme mit einer Emulsionsbildung im Öl kreislauf herkömmlicher ölgeschmierter Verdichtereinheiten im Winterbetrieb bei niedriger Einschaltdauer.

In jüngster Zeit kommen in verschiedenen Industriebereichen als Kompressoren vermehrt trockenlaufende Kolbenkompressoren zum Einsatz, die daher ebenfalls allgemein bekannt sind. Ein trockenlaufender Kolbenkompressor erarbeitet in seiner Verdichtereinheit ohne ein im Gehäuse befindliches Schmieröl. Stattdessen wird die Schmierung an der Kolbenlaufbahn durch eine besonders reibungsarme dynamische Dichtungsanordnung ersetzt. Alle drehenden Bauteile sind üblicherweise wälzgelagert. Die gekapselten Wälzlager werden dabei mit einer temperaturbeständigen, langlebigen Fettfüllung versehen. Im Ventilbereich werden gleitge führte Bauteile weitestgehend vermieden. Durch die Summe dieser Maßnahmen ist eine Öl schmierung in der Verdichtereinheit entbehrlich. Folglich kann beispielsweise auch die Gefahr einer Verölung der von der Verdichtereinheit erzeugten Druckluft ausgeschlossen werden, was insbesondere im Schienenfahrzeugbau vorteilhaft ist.

Die vorliegende, einen schwingungsarmen Kolbenkompressor betreffende Erfindung ist sowohl bei einem ölgeschmierten Kolbenkompressor als auch insbesondere bei einem trockenlaufenden Kolbenkompressor anwendbar.

Besonders bei den im Schienenfahrzeugbereich häufig eingesetzten zweistufigen Kolben kompressoren tritt ein sehr ungleichförmiges Drehmoment auf. Dieses verursacht Dreh schwingungen um die Kompressorlängsachse, die durch das für die eingesetzten Verdichter einheiten charakteristische schwankende Lastmoment entstehen. Wie durch eine Fourier- Analyse des typische Lastmoments deutlich wird, entspricht der überwiegende Anteil des Lastmoments der Drehfrequenz der Kurbelwelle. Diese 1. Ordnung des Lastmoments liegt häufig im Bereich von 20-30 Hz, einer Frequenz also, die für den Menschen deutlich als Vibrationsschwingung spürbar ist. Die Eigenfrequenz von Beinen mit durchgestreckten Knien kann beispielsweise bei ca. 20 Hz liegen. Höhere Ordnungen des Lastmoments sind mit einem weitaus geringeren Anteil präsent und auch weniger stark spürbar.

Wie Untersuchungen ergaben, werden die aus der Drehungleichförmigkeit des Kolben kompressors resultierenden Schwingungen durch die Antriebseinheit - meist ein Elektro motor - zusätzlich verstärkt, da die Reaktion des Elektromotors auf die Lastspitze phasenver setzt zu einem Zeitpunkt erfolgt in dem der Momentenbedarf des Kolbenverdichters niedriger ist. Die daraus resultierende Drehzahlschwankung über eine Umdrehung kann bei einem her kömmlichen Kolbenkompressor bis zu +/-14% betragen. Daher weist der Elektromotor des mehrstufigen Kolbenkompressors eine gegenüber der Leistungsaufnahme der Verdichterein heit erheblich höhere Stromaufnahme und eine drastische Reduzierung des Leistungsfaktors auf, so daß der Elektromotor zum Antrieb von herkömmlichen Verdichterkonstruktionen überdimensioniert werden muß.

Durch den im Fahrzeugbereich zunehmenden Leichtbautrend kommen vermehrt Strang pressprofile aus Aluminium bzw. Trägerstrukturen aus Dünnblech für Rahmenkonstruktionen und Fahrzeugaufbauten zur Anwendung. Derartige Konstruktionen weisen häufig eine Anzahl von Eigenfrequenzen auf, die nahe der Drehzahl des daran befestigten Kolbenkompressors des Druckluftbeschaffungssystems liegen. Daher ist es problematisch Spezifikationen über zulässige Körperschallpegel hinreichend einzuhalten.

In der Praxis ist bereits versucht worden, auftretende Schwingungsprobleme durch Massenausgleich zu lösen. Diese zusätzlichen Bauteile kompensieren zwar die durch den oszillierenden Kurbeltrieb hervorgerufenen Massenkräfte und Momente, führen jedoch zu einem erhöhten Bauteileaufwand, der auch die Masse des gesamten Kolbenkompressors weiter erhöht und insoweit wiederum dem Leichtbautrend entgegensteht.

Aus der EP 1 028 254 A2 geht ein gattungsgemäßer zweistufiger Kolbenkompressor hervor, der einen Motor als Antriebseinheit sowie eine nachgeschaltete Verdichtereinheit umfasst. Die Verdichtereinheit ist mit einer Niederdruckstufe und einer darauf folgenden Hochdruckstufe ausgerüstet. Beide, den jeweiligen Kolben zugeordnete Zylinder sind benachbart und parallel zueinander angeordnet. Die innenliegenden Kolben werden von einer vom Motor angetriebenen Kurbelwelle in eine lineare Hin- und Herbewegung versetzt, wobei die jeweils zugeordneten Kröpfungen der Kurbelwelle 180 Grad zueinander versetzt sind. Auch bei dieser Anordnung ist es erforderlich, einen erheblichen dynamischen Massenausgleich der Kolben herbeizuführen. Dies geschieht hier durch jeweils endseitig an der Kurbelwelle angebrachte Ausgleichsmassen.

Bei einem Kurbeltrieb gemäß DE 43 33 336 C2 sind auf einer einzigen Kröpfung drei Pleuel mit jeweils zugeordneten Kolben platziert. Die Kolben sind hier sternförmig angeordnet, so dass ein dynamischer Massenausgleich hier schon durch die gleichmäßige Umfangsverteilung der Kolben an einer Kurbelwelle mit nur einer Kröpfung erzielt wird. Allerdings kann auch bei diesem Stand der Technik auf zusätzliche Ausgleichsmassen nicht gänzlich verzichtet werden. Diese sind zu einer Seite der Kurbelwelle, benachbart zur Kröpfung in Form eines Auswuchtkörpers sowie einer weiteren Zusatzmasse vorgesehen.

Ferner geht aus der DE 26 19 561 ein ölfreier Kolbenkompressor hervor, welcher zwar zwei einander gegenüberliegende Kolben zum Komprimieren von Luft offenbart; allerdings erfolgt der Antrieb dieser Kolben nicht über eine Kurbelwelle, sondern über eine direkt auf der Motorwelle der Antriebseinheit angebrachte Exzenteranordnung. Infolge dieser Exzenteranordnung, die hier gleichzeitig auch eine erhebliche Schwungmasse bildet, erfolgt ein dynamischer Massenausgleich.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen mehrstufigen Kolbenkompressor der vorstehend beschriebenen Art dahingehend weiterzuverbessern, daß ohne Verwendung zusätzlicher erheblicher Ausgleichsmassen eine möglichst gleichförmige Drehbewegung erzielt wird, um die Schwingungsemission zu minimieren.

Die Aufgabe wird ausgehend von einem Kolbenkompressor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 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 auf jeder Kröpfung der Kurbelwelle zwei Pleuel angeordnet sind, die gegenüberliegenden Kolben zugeordnet sind, wobei benachbarte Kröpfungen im wesentlichen 180° zueinander versetzt angeordnet sind.

Durch diese spezielle konstruktive Lösung wird eine starke Verringerung der Drehungsgleichförmigkeit der Verdichtereinheit erzielt, so daß die Stromaufnahme eines als Antriebseinheit eingesetzten Elektromotors erheblich abfällt. Damit erhöhen sich in vorteilhafter Weise der Leistungsfaktor des Kolbenkompressors. Wie Versuche ergaben werden Bedingungen erreicht, die einen annähernd konstanten Momentenbedarf (Nennlastbedingungen) entsprechen. Daher braucht die Antriebseinheit in Form eines Elektromotors nicht mehr überdimensioniert werden. Damit kann entsprechend des Leistungsbedarfs der Verdichtereinheit konstruktiv ausgelegt werden. Bei einem Hydraulikmotor als Antriebseinheit braucht kein oder nur ein sehr kleines Schwungrad vorgesehen werden. Besonders der Anteil 1. Ordnung im Lastmoment wird extrem reduziert, was insbesondere spürbare Schwingungen vermeidet. Damit eröffnet sich der weitere Vorteil, daß der erfindungsgemäße Kolbenkompressor mit einer relativ steifen Lagerung auskommt, weil Schwingungen ja nur in höheren Ordnungen signifikant auftreten.

Besonders vorteilhaft ist eine konstruktive Gestaltung, bei der die Kurbelwelle genau drei Kröpfungen aufweist, um insgesamt sechs Kolben zum Komprimieren von Luft anzutreiben, wobei vier Kolben der Niederdruckstufe und zwei Kolben der Hochdruckstufe zugeordnet sind. Aber auch bei einer anderen geradzahligen Anzahl von Kolben in der Hoch- und Niederdruckstufe ergeben sich die erfindungsgemäßen Vorteile.

Vorzugsweise sind die beiden zur Hochdruckstufe gehörenden Kolben einer der außen liegenden Kröpfungen zugeordnet, um eine belastungsoptimale Anordnung zu treffen.

Gemäß einer weiteren die Erfindung verbessernden Maßnahme kann durch Zusatzmassen an den Pleuel und/oder Kolben der zur Hochdruckstufe benachbarten Niederdruckstufe ein be sonders effektiver dynamischer Ausgleich oszillierender Massen der zur Hochdruckstufe ge hörigen Kolben sowie der zur nicht benachbarten Niederdruckstufe gehörigen Kolben reali siert werden. Dasselbe Ziel kann bei Bedarf auch durch einen zusätzlichen nicht luftkompri mierenden Blindkolben erreicht werden. Ein dynamischer Ausgleich rotierender Massen des Kurbeltriebes der Hochdruckstufe kann vorzugsweise durch Zusatzmassen auf der Kurbel welle erfolgen. Die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Konstruktion verwen deten Zusatzmassen können wegen der ohnehin optimalen Drehgleichförmigkeit des Kolben kompressors relativ klein ausgeführt werden, so daß die Gesamtmasse des Kolbenkompres sors hierdurch nicht übermäßig ansteigt.

Vorzugsweise sind die Kolben der Verdichtereinheit vertikal stehend oder horizontal liegend oder in einem spitzen Winkel zur Horizontalen V-förmig angeordnet, um günstige Kräftever hältnisse im Zusammenwirken mit der Kurbelwelle zu schaffen.

Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen sind in den abhängigen Ansprüchen ange geben oder werden nachfolgend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Aus führungsbeispiels der Erfindung anhand der Zeichnung näher dargestellt. Die einzige Figur der Zeichnung zeigt einen Längsschnitt durch eine Verdichtereinheit eines erfindungs gemäßen schwingungsarmen mehrstufigen Kolbenkompressors.

Die Verdichtereinheit 1 wird stirnseitig von einer hieran angeflanschten und eine Drehbe wegung erzeugenden (nicht weiter dargestellten) Antriebseinheit 2 angetrieben. Zum lös baren Anschluß der Antriebseinheit 2 ist eine Kupplung 3 vorgesehen. Die Verdichtereinheit 1 ist in diesem Ausführungsbeispiel trockenlaufend ausgeführt und verfügt über eine gegen überliegende Zylinderanordnung in der sogenannten 180° V-Bauweise.

Die Antriebseinheit 2 versetzt eine im Gehäuse 4 gelagerte Kurbelwelle 5 in eine Drehbe wegung, welche in eine Hub- und Senkbewegung für sechs Kolben 6a bis 6f umgesetzt wird, die innerhalb der am Gehäuse 3 befestigten topfartigen Zylinder 7a bis 7f zur Drucklufter zeugung untergebracht sind. Durch die Kolbenbewegung wird aus der Atmosphäre Luft über eine eingangsseitige hier nicht dargestellte Filteranordnung angesaugt und zweistufig ver dichtet. Die Druckluft steht danach dem Druckluftsystem eines Schienenfahrzeuges - insbe sondere für den Betrieb der Bremsanlage - zur Verfügung.

Die Verdichtereinheit 1 des Ausführungsbeispiels ist als zweistufiger Kolbenverdichter mit Niederdruckstufe und Hochdruckstufe ausgeführt. Der Niederdruckstufe sind die vier Zylinder 7a bis 7d zugeordnet; zur Hochdruckstufe gehören die Zylinder 7e und 7f. Der lineare Antrieb der Kolben 6a bis 6f erfolgt über eine Kurbeltriebanordnung mittels zuge ordneter Pleuel 8a bis 8f, die je auf der den zugeordneten Kolben 6a bis 6f gegenüber liegenden Seite mit der Kurbelwelle 5 über Wälzlager verbunden sind. Die kolbenseitige Befestigung der Pleuel 8a bis 8f erfolgt über je eine Kolbenbolzenanordnung mit Nadellager, die eine schwenkbare Verbindung mit dem zugeordneten Kolben 6a bis 6f herstellt.

Um eine schwingungsarme Anordnung zu erhalten, sind auf jeder Kröpfung 9a bis 9c der Kurbelwelle 5 genau zwei Pleuel 8a, 8b bzw. 8c, 8d bzw. 8e, 8f angeordnet, die gegenüber liegenden Kolben 6a, 6b bzw. 6c, 6d bzw. 6e, 6f zugeordnet sind. Hierbei sind die einander benachbarten Kröpfungen 9a, 9b sowie 9b, 9c im wesentlichen 180° zueinander versetzt angeordnet.

Ein zusätzlicher dynamischer Ausgleich oszillierender Massen der zur Hochdruckstufe gehörigen Kolben 6e und 6f sowie der zur nicht benachbarten Niederdruckstufe gehörigen Kolben 6a und 6b erfolgt durch Zusatzmassen an den Pleuel 8c, 8d der benachbarten Nieder druckstufe, die insoweit mit einem größeren Materialquerschnitt und mit einer entsprechend günstigen Masseverteilung ausgebildet sind. Ein dynamischer Ausgleich rotierender Massen des Kurbeltriebes der Hochdruckstufe erfolgt durch Zusatzmassen 10a, 10b auf der Kurbelwelle 5.

Die Erfindung ist nicht beschränkt auf das vorstehend nur exemplarisch angegebene Aus führungsbeispiel. Es sind vielmehr auch Abwandlungen hiervon denkbar, die trotz abweich ender konstruktiver Ausgestaltung in den durch die Ansprüche definierten Schutzbereich ein greifen können. So ist die vorliegende Erfindung insbesondere nicht auf die vorstehend beschriebene 6-Zylinder-Anordnung beschränkt. Auch andere geradzahlige Konfigurationen sind denkbar.

Bezugszeichenliste

1

Verdichtereinheit

2

Antriebseinheit

3

Kupplung

4

Gehäuse

5

Kurbelwelle

6

Kolben

7

Zylinder

8

Pleuel

9

Kröpfung

10

Zusatzmasse

Claims

1. Schwingungsarmer mehrstufiger Kolbenkompressor, insbesondere für Schienenfahrzeuge, mit einer Niederdruckstufe und mindestens einer darauf folgenden Hochdruckstufe, der im Wesentlichen aus einer Drehbewegung erzeugenden Antriebseinheit (2) und einer nachgeschalteten Verdichtereinheit (1) besteht, welche mehrere an einem Gehäuse (3) für eine Kurbelwelle (5) angeordnete topfartige Zylinder (7a-7f) für innenliegende Kolben (6a-6f) aufweist, wobei die über die Antriebseinheit (2) angetriebene Kurbelwelle (5) eine Drehbewegung über auf Kröpfungen (9a-9c) angeordnete Pleuel (8a- 8f) in eine lineare Bewegung für einen zugeordneten Kolben (6a-6f) zum Komprimieren von angesaugter Luft umwandelt, wobei ferner benachbarte Kröpfungen (9a, 9b); (9b, 9c) im Wesentlichen 180 Grad zueinander versetzt angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass auf jeder entweder der Hochdruckstufe oder der Niederdruckstufe zugehörigen Kröpfung (9a-9c) der Kurbelwelle (5) zwei Pleuel (8a, 8b); (8c, 8d); (8e, 8f) angeordnet sind, die gegenüberliegenden Kolben (6a, 6b); (6c, 6d); (6e, 6f) zugeordnet sind, um eine hohe Drehgleichförmigkeit zu erzielen.

2. Schwingungsarmer mehrstufiger Kolbenkompressor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurbelwelle (5) genau drei Kröpfungen (9a bis 9c) auf weist, um insgesamt sechs Kolben (6a bis 6f) zum Komprimieren von Luft anzutreiben, wobei vier Kolben (6a bis 6d) der Niederdruckstufe und zwei Kolben (6e und 6f) der Hoch druckstufe zugeordnet sind.

3. Schwingungsarmer mehrstufiger Kolbenkompressor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden zur Hochdruckstufe gehörenden Kolben (6e und 61) einer der außenliegenden Kröpfungen (9c) zugeordnet sind.

4. Schwingungsarmer mehrstufiger Kolbenkompressor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein dynamischer Ausgleich oszillierender Massen der zur Hochdruckstufe gehörigen Kolben (6e und 6f) sowie der zur nicht benachbarten Niederdruck stufe gehörigen Kolben (6a und 6b) durch Zusatzmassen an den Pleuel (8c, 8d) und/oder Kolben (6c, 6d) der benachbarten Niederdruckstufe erfolgt.

5. Schwingungsarmer mehrstufiger Kolbenkompressor nach einem der vor stehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein dynamischer Ausgleich oszillierender Massen der zur Hochdruckstufe gehörigen Kolben (6e, 6f) sowie der zur nicht benachbarten Niederdruck stufe gehörigen Kolben (6a, 6b) durch einen nicht luftkomprimierenden Blindkolben erfolgt.

6. Schwingungsarmer mehrstufiger Kolbenkompressor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein dynamischer Ausgleich rotierender Massen des Kurbel triebes der Hochdruckstufe durch Zusatzmassen (10a, 10b) auf der Kurbelwelle (5) erfolgt.

7. Schwingungsarmer mehrstufiger Kolbenkompressor nach einem der vor stehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebseinheit (2) nach Art eines Elektromotors oder eines Hydromotors oder einer Verbrennungskraftmaschine ausgeführt ist.

8. Schwingungsarmer mehrstufiger Kolbenkompressor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Antriebseinheit (2) ein Riemengetriebe nachgeschaltet ist, das abtriebsseitig mit der Verdichtereinheit (1) verbunden ist.

9. Schwingungsarmer mehrstufiger Kolbenkompressor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Kraftfluß zwischen der Antriebseinheit (2) und der Verdichtereinheit (1) eine Kardanwelle als Kraftübertragungselement angeordnet ist.

10. Schwingungsarmer mehrstufiger Kolbenkompressor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolben (6a bis 6f) der Verdichtereinheit (1) vertikal stehend oder horizontal liegend oder in einem spitzen Winkel zur Horizontalen angeordnet sind.

11. Schwingungsarmer mehrstufiger Kolbenkompressor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdichtereinheit (1) trockenlaufend oder ölgeschmiert ausgeführt ist.

12. Schwingungsarmer mehrstufiger Kolbenkompressor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß im Falle einer trockenlaufenden Verdichtereinheit (1) die zu komprimierende Luft von der Niederdruckstufe über das Gehäuse (4) der Verdichtereinheit (1) ansaugbar ist, wobei ein mit einem Rückschlagventil ausgerüsteter Luftfilter am Gehäuse (4) angebracht ist.