DE102016013739A1

DE102016013739A1 - Doppelkolbenkompressor einer Druckluft-Versorgungseinrichtung

Info

Publication number: DE102016013739A1
Application number: DE102016013739.8A
Authority: DE
Inventors: Klaus Bredbeck; Dieter Frank; Thorsten Weber
Original assignee: Wabco GmbH
Current assignee: ZF CV Systems Hannover GmbH
Priority date: 2015-12-08
Filing date: 2016-11-17
Publication date: 2017-06-08
Also published as: US20180266406A1; EP3387256B1; US10859075B2; WO2017097415A8; KR20180039653A; EP3387256A1; CN108026911B; WO2017097415A1; JP2018536791A; KR102016677B1; CN108026911A; JP6905511B2

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Doppelkolbenkompressor einer Druckluft-Versorgungseinrichtung, mit einer ersten Druckstufe (2) und einer zweiten Druckstufe (3), die jeweils einen Zylinder (4, 7) mit einem darin axialbeweglich geführten Kolben (5, 8) umfassen. Die Zylinder sind bezüglich einer Drehachse (13) einer Antriebswelle (12) radial gegenüberliegend angeordnet. Die Kolben (5, 8) sind über eine Kolbenstange (10) starr miteinander verbunden und stehen über eine Kulissenführung (14.1) mit der Antriebswelle (12) in Triebverbindung. Die Kulissenführung umfasst eine in der Kolbenstange (10) angeordnete, mit einer Kulissenbahn (16.1) versehene, senkrecht zur Drehachse (13) der Antriebswelle (12) ausgerichtete Ausnehmung (15.1) sowie eine mit der Ausnehmung in Eingriff stehende, achsparallel, exzentrisch und drehbar an der Antriebswelle (12) befestigte Antriebsrolle (17). Um ohne zusätzlichen Bauaufwand einen stetigen Hubverlauf der Kolben (5, 8) zu gewährleisten, ist die Ausnehmung (15.1) der Kulissenführung (14.1) durch eine geschlossene Kulissenbahn (16.1) begrenzt, die mittig zu einer Mittelachse (11) der Kolbenstange (10) ausgerichtet ist, und auf der die Antriebsrolle (17) durch eine resultierende Druckkraft auf die beiden Kolben (5, 8) permanent angedrückt abwälzt. Der Seitenabstand der Kulissenbahn (16.1) entspricht maximal der Summe aus der doppelten Exzentrizität (e) und dem doppelten Wälzradius (RR) der Antriebsrolle (17). Der Hubabstand der Kulissenbahn (16.1) überschreitet den doppelten Wälzradius (RR) der Antriebsrolle (17) und unterschreitet die Summe aus der doppelten Exzentrizität (e) und dem doppelten Wälzradius (RR).

Description

Die Erfindung betrifft einen Doppelkolbenkompressor einer Druckluft-Versorgungseinrichtung, mit einer ersten Druckstufe und einer zweiten Druckstufe, die jeweils einen Zylinder mit einem darin axialbeweglich geführten Kolben aufweisen, wobei die beiden Zylinder bezüglich einer Drehachse einer Antriebswelle radial gegenüberliegend angeordnet sind, wobei die beiden Kolben über eine Kolbenstange starr miteinander verbunden sind und über eine Kulissenführung mit der Antriebswelle in Triebverbindung stehen, wobei die Kulissenführung eine in der Kolbenstange ausgebildete, mit einer Kulissenbahn versehene und mit ihrer Querschnittsebene senkrecht zu der Drehachse der Antriebswelle ausgerichtete Ausnehmung aufweist, und wobei die Kulissenführung eine mit der Ausnehmung in Eingriff stehende, bezüglich der Drehachse der Antriebswelle achsparallel und exzentrisch sowie drehbar an der Antriebswelle befestigte Antriebsrolle aufweist.
Doppelkolbenkompressoren mit zwei über eine Kolbenstange starr miteinander verbundenen Kolben, die axialbeweglich in bezüglich der Drehachse einer Antriebswelle radial gegenüberliegend angeordneten Zylindern geführt sind, sind seit längerem in antriebstechnisch unterschiedlichen Ausführungen bekannt.
In einer aus der DE 103 21 771 B4 bekannten Bauart eines Doppelkolbenkompressors steht die Kolbenstange über eine Pleuelstange mit der Antriebswelle in Triebverbindung. Die Pleuelstange ist einerseits über einen in eine erste endseitige Bohrung eingreifenden, exzentrisch an der Antriebswelle befestigten Kurbelzapfen und andererseits über einen in eine zweite endseitige Bohrung eingreifenden, in Längsrichtung außermittig an der Kolbenstange befestigten Triebzapfen gelenkig mit der Antriebswelle und der Kolbenstange verbunden.
Bei einer wesentlich einfacheren und Platz sparenderen Bauweise eines Doppelkolbenkompressors steht die Kolbenstange dagegen nur über eine Kulissenführung mit der Antriebswelle in Triebverbindung. In einer bekannten Ausführung umfasst die Kulissenführung eine in der Kolbenstange angeordnete, mit zwei parallelen Kulissenbahnen versehene, senkrecht zu der Drehachse der Antriebswelle ausgerichtete Ausnehmung sowie ein mit der Ausnehmung in Eingriff stehendes, bezüglich der Drehachse der Antriebswelle achsparallel und exzentrisch an der Antriebswelle befestigtes Antriebselement.
In der DE 197 15 291 C2 ist ein Doppelkolbenkompressor mit einer Kulissenführung beschrieben, bei dem die Ausnehmung der Kulissenführung rechteckig ausgebildet ist. Bei einer derartigen Kulissenführung bilden die Seitenwände der Ausnehmung die parallelen Kulissenbahnen, und die beiden Teile der Kolbenstange sind über die Bodenwand der Ausnehmung miteinander verbunden. Das Antriebselement ist bei dieser Kulissenführung als der Außenring eines Wälzlagers ausgebildet, das auf einem exzentrisch an der Antriebswelle befestigten Kurbelzapfen angeordnet ist, und dessen Außenring rollbeweglich zwischen den Kulissenbahnen der Kulissenführung geführt ist.
Aus der DE 10 2012 223 114 A1 ist dagegen ein Doppelkolbenkompressor mit einer Kulissenführung bekannt, bei dem die Ausnehmung der Kulissenführung als eine schlitzförmige Durchgangsöffnung ausgebildet ist. Bei dieser Ausführung der Kulissenführung bilden die ebenen Innenwände der Ausnehmung die parallelen Kulissenbahnen, und die beiden Teile der Kolbenstange sind über endseitige Stege miteinander verbunden, die vorliegend kreisbogenförmig ausgeführt sind, bei entsprechendem Abstand aber auch gerade ausgeführt sein können. Das Antriebselement ist bei dieser Kulissenführung als eine Rolle ausgebildet, die unmittelbar drehbar auf einem exzentrisch an der Antriebswelle befestigten Kurbelzapfen gelagert und wälzbeweglich zwischen den Kulissenbahnen der Kulissenführung geführt ist.
Abhängig von der resultierenden Kraftrichtung der auf die beiden Kolben wirksamen Druckkräfte liegt das Antriebselement an einer der beiden parallelen Kulissenbahnen an und geht bei einer Umkehr der resultierenden Kraftrichtung unter Überbrückung des in der Kulissenführung zwangsläufig vorhandenen Leerspiels zu einer Anlage an die jeweils andere Kulissenbahn über. Bei einem derartigen Belastungswechsel des Antriebselementes zwischen den parallelen Kulissenbahnen kommt es nachteilig zu einer hohen lokalen Belastung und entsprechenden Verschleißerscheinungen im Kontaktbereich des Antriebselementes mit den Kulissenbahnen. Zudem ergibt sich dadurch eine Unstetigkeit im Hubverlauf der Kolbenstange beziehungsweise der Kolben. Auch besteht hierbei das Problem einer übermäßigen Geräuschentwicklung, die durch die Unstetigkeit hervorgerufen wird.
Zur Vermeidung dieser Nachteile wird in der DE 10 2011 086 913 A1 ein Doppelkolbenkompressor mit einer Kulissenführung vorgeschlagen, bei dem die parallelen Kulissenbahnen der U-förmigen Ausnehmung axial versetzt radial entgegengesetzt abgestuft sind. Als Antriebselemente sind bei dieser Kulissenführung die Außenringe von zwei Wälzlagern vorgesehen, die axial benachbart auf einem exzentrisch an der Antriebswelle befestigten Kurbelzapfen angeordnet sind. Die Außenringe der Wälzlager sollen weitgehend spielfrei wechselseitig an dem erhabenen Abschnitt jeweils einer Kulissenbahn anliegen. Um in Verbindung mit einem Übermaß der Außenringe oder einem reduzierten Abstand der parallelen Kulissenbahnen eine elastische Vorspannung der Antriebselemente zwischen den Kulissenbahnen zu ermöglichen, bestehen die erhabenen Abschnitte der Kulissenbahnen bevorzugt aus einem elastischen Material. Diese Kulissenführung des bekannten Doppelkolbenkompressors weist gegenüber den vorgenannten Kulissenführungen jedoch einen erhöhten Bauaufwand und einen vergrößerten Platzbedarf auf.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Doppelkolbenkompressor der eingangs genannten Bauart vorzustellen, dessen Kulissenführung derart ausgebildet ist, dass ohne zusätzliche Bauteile und einen damit verbundenen erhöhten Bauraumbedarf ein stetiger Hubverlauf der Kolben gewährleistet ist, wobei Unstetigkeiten im Hubverlauf der Kolben und Verschleißerscheinungen durch Belastungswechsel der Antriebsrolle vermieden werden.
Diese Aufgabe ist durch einen Doppelkolbenkompressor gelöst, der durch die Merkmale des Anspruchs 1 definiert ist. Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen entnehmbar.
Demnach geht die Erfindung aus von einem Doppelkolbenkompressor einer Druckluft-Versorgungseinrichtung, mit einer ersten Druckstufe, beispielsweise einer Niederdruckstufe, und einer zweiten Druckstufe beispielsweise einer Hochdruckstufe, die jeweils einen Zylinder mit einem darin axialbeweglich geführten Kolben aufweisen, wobei die beiden Zylinder bezüglich einer Drehachse einer Antriebswelle radial gegenüberliegend angeordnet sind, wobei die beiden Kolben über eine Kolbenstange starr miteinander verbunden sind und über eine Kulissenführung mit der Antriebswelle in Triebverbindung stehen, wobei die Kulissenführung eine in der Kolbenstange ausgebildete, mit einer Kulissenbahn versehene, und mit ihrer Querschnittsebene senkrecht zu der Drehachse der Antriebswelle ausgerichtete Ausnehmung aufweist, und wobei die Kulissenführung eine mit der Ausnehmung in Eingriff stehende, bezüglich der Drehachse der Antriebswelle achsparallel und exzentrisch sowie drehbar an der Antriebswelle befestigte Antriebsrolle aufweist.
Gemäß der Erfindung ist bei diesem Doppelkolbenkompressor zusätzlich vorgesehen, dass die Ausnehmung der Kulissenführung durch eine geschlossene Kulissenbahn begrenzt ist, die mittig zu einer Mittelachse der Kolbenstange ausgerichtet ist, und auf der die Antriebsrolle durch eine resultierende Druckkraft auf die beiden Kolben permanent angedrückt abwälzt, dass der Seitenabstand der Kulissenbahn, senkrecht zu der Mittelachse der Kolbenstange gemessen, maximal der Summe aus der doppelten Exzentrizität und dem doppelten Wälzradius der Antriebsrolle entspricht, und dass der Hubabstand der Kulissenbahn, parallel zu der Mittelachse der Kolbenstange gemessen, den doppelten Wälzradius der Antriebsrolle überschreitet und die Summe aus der doppelten Exzentrizität und den doppelten Wälzradius unterschreitet.
Der Seitenabstand bezeichnet hier die Summe des jeweils senkrecht zur Mittelachse gemessenen maximalen Abstands zwischen Mittelachse und der Kulissenbahn. Der Seitenabstand kann also je nach Ausbildung der Ausnehmung auch größer sein als der Querschnitt der Ausnehmung senkrecht zur Mittelachse an jedem Punkt gemessen. Vielmehr handelt es sich bei dem Seitenabstand um die Projektion des maximalen Durchmessers der Ausnehmung auf eine Ebene senkrecht zur Mittenachse.
Der Hubabstand bezeichnet hingegen in idealisierter Betrachtung die lichte Weite der Ausnehmung entlang der Mittelachse gemessen.
Durch die exzentrische Anordnung der Antriebsrolle bewirkt eine Drehung der Antriebswelle eine Kurbelbewegung der Antriebsrolle, die durch das Abwälzen der Antriebsrolle auf der geschlossenen Kulissenbahn der Kulissenführung in eine periodische Hubbewegung der Kolbenstange beziehungsweise der beiden Kolben umgesetzt wird. Dabei sorgt die zum Beispiel als Freiformkurve ausgeführte Geometrie der Kulissenbahn in Verbindung mit einer der Hubbewegung entgegengerichteten Druckkraft auf den jeweils im Druckhub befindlichen Kolben für einen ständigen Wälzkontakt der Antriebsrolle mit der Kulissenbahn. Somit werden bei der erfindungsgemäßen Kulissenführung Unstetigkeiten im Hubverlauf der Kolben und damit verbundene Verschleißerscheinungen durch Belastungswechsel der Antriebsrolle selbsttätig vermieden, ohne dass dafür zusätzliche Bauteile und ein damit verbundener erhöhter Bauraumbedarf erforderlich sind.
In einer ersten bevorzugten Ausführungsform ist der Seitenabstand der Kulissenbahn um einen Betrag Δ geringer als die Summe aus der doppelten Exzentrizität und dem doppelten Wälzradius der Antriebsrolle. Entspricht der Seitenabstand der Kulissenbahn genau der Summe aus der doppelten Exzentrizität und dem doppelten Wälzradius, also der doppelten Summe aus der Exzentrizität und dem Wälzradius der Antriebsrolle, steht die Antriebsrolle stets in Kontakt mit der Kulissenbahn. Ist der Seitenabstand allerdings um einen Betrag Δ geringer, besteht ein Untermaß der Kulissenbahn gegenüber dem Hüllkreis, der durch die Bewegung der Antriebsrolle gebildet wird, sodass die Antriebsrolle nicht nur in Richtung der Mittelachse eine Kraft auf die Kolbenstange ausübt, sondern auch senkrecht zur Mittelachse der Kolbenstange. Hierdurch werden in erster Linie Toleranzen ausgeglichen und ein dauerhafter Kontakt der Antriebsrolle mit der Kulissenbahn sichergestellt. Der Ausgleich der axialen Versetzung der Kolbenstange aufgrund der untermaßigen Kulissenbahn kann beispielsweise durch entsprechende Dichtungen oder ein nachgiebiges Material bereitgestellt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Betrag Δ in einem Bereich von 1% bis 5% der Summe aus der doppelten Exzentrizität und dem doppelten Wälzradius der Antriebsrolle. Besonders bevorzugt liegt der Betrag Δ in einem Bereich von 1,5% bis 2%.
Um einen stetigen Hubverlauf der Kolben zu erreichen und die Herstellung der Kulissenführung möglichst einfach zu gestalten, ist die Ausnehmung der Kulissenführung bevorzugt durch eine im Wesentlichen elliptische Kulissenbahn begrenzt, deren Hauptachse eine Länge aufweist, die maximal der Summe aus der doppelten Exzentrizität und dem doppelten Wälzradius der Antriebsrolle dividiert mit dem Kosinus des Neigungswinkels der Hauptachse gegenüber einer Senkrechten auf der Mittelachse der Kolbenstange entspricht, und deren Nebenachse eine Länge aufweist, welche die Summe aus der doppelten Exzentrizität und dem doppelten Wälzradius der Antriebsrolle unterschreitet, die jedoch mindestens so groß ist, dass die Eckradien der elliptischen Kulissenbahn größer sind als der Wälzradius der Wälzradius der Antriebsrolle.
In einer Basisausführung der Kulissenführung ist die Hauptachse H der elliptischen Kulissenbahn senkrecht zu der Mittelachse der Kolbenstange ausgerichtet. Hierdurch wird eine rein sinusförmige Hubbewegung der Kolben mit jeweils gleichen Hubhöhen im Druck- und Saughub beider Kolben bewirkt. Die Länge L_H der Hauptachse H der elliptischen Kulissenbahn entspricht in diesem Fall maximal der Summe aus der doppelten Exzentrizität e und dem doppelten Wälzradius R_R der Antriebsrolle (L_H ≤ 2·(e + R_R)), um den Kontakt der Antriebsrolle in den Seitenbereichen der Kulissenbahn zu gewährleisten.
Gemäß einer ersten Variante der Kulissenführung ist die Hauptachse H' der elliptischen Kulissenbahn gegenüber einer Senkrechten auf der Mittelachse der Kolbenstange in der Drehrichtung der Antriebswelle geneigt. Durch eine Neigung der elliptischen Kulissenbahn gegenüber der Senkrechten auf der Mittelachse der Kolbenstange können die Kraftverhältnisse in der Kulissenführung allgemein in geeigneter Weise eingestellt werden. Durch eine Neigung der Kulissenbahn in der Drehrichtung der Antriebswelle werden zudem gegenüber der Hubkurve für eine senkrechte Ausrichtung der Kulissenbahn eine Erhöhung der Hubhöhe und eine Phasenverschiebung der Hubkurve in Richtung spät bewirkt. Aufgrund der Verkürzung der Projektion der Hauptachse H' auf die Senkrechte auf der Mittelachse der Kolbenstange entspricht die Länge L_H' der Hauptachse H' der elliptischen Kulissenbahn in diesem Fall maximal der Summe aus der doppelten Exzentrizität e und dem doppelten Wälzradius R_R der Antriebsrolle dividiert mit dem Kosinus des Neigungswinkels α der Hauptachse H' gegenüber der Senkrechten auf der Mittelachse der Kolbenstange (L_H' ≤ 2 ≤ (e + R_R)/cosα), um einerseits die Beweglichkeit der Antriebsrolle in der Kulissenführung und andererseits den Kontakt der Antriebsrolle in den Seitenbereichen der Kulissenbahn zu gewährleisten.
Gemäß einer zweiten Variante der Kulissenführung ist die Hauptachse H' der elliptischen Kulissenbahn der Kulissenführung gegenüber der Senkrechten auf der Mittelachse der Kolbenstange entgegen der Drehrichtung der Antriebswelle geneigt. Durch eine Neigung der Kulissenbahn entgegen der Drehrichtung der Antriebswelle wird gegenüber der Hubkurve für eine senkrechte Ausrichtung der Kulissenbahn auch eine Erhöhung der Hubhöhe, jedoch eine Phasenverschiebung der Hubkurve in Richtung früh bewirkt. Auch in diesem entspricht die Länge L_H' der Hauptachse H' der elliptischen Kulissenbahn maximal der Summe aus der doppelten Exzentrizität e und dem doppelten Wälzradius R_R der Antriebsrolle dividiert mit dem Kosinus des Neigungswinkels α der Hauptachse H' gegenüber der Senkrechten auf der Mittelachse der Kolbenstange (L_H' ≤ 2·(e + R_R)/cosα), um die Beweglichkeit der Antriebsrolle in der Kulissenführung und den Kontakt der Antriebsrolle in den Seitenbereichen der Kulissenbahn zu gewährleisten.
Aus bauraum- und funktionstechnischen Gründen sollte der Neigungswinkel α der Hauptachse H' der Kulissenbahn gegenüber der Senkrechten auf der Mittelachse der Kolbenstange maximal 45° betragen. Es werden jedoch Neigungswinkel von maximal 30° als vorteilhaft angesehen, um unter allen Betriebsbedingungen sicherzustellen, dass die Antriebsrolle Kontakt zur Kulissenbahn hat.
Die elliptische Kulissenbahn der Kulissenführung ist zumeist mit gleich langen Halbachsen der Nebenachse N symmetrisch ausgebildet. Die Hubhöhe z_{H_max} der Kolben ist in diesem Fall im Saughub und im Druckhub identisch und ergibt sich aus der Summe der Exzentrizität e und des Wälzradius R_R der Antriebsrolle subtrahiert mit der halben Länge L_N der Nebenachse N der elliptischen Kulissenbahn (z_{H_max} = e + R_R – L_N/2).
Die elliptische Kulissenbahn der Kulissenführung kann jedoch auch mit unterschiedlich langen Halbachsen der Nebenachse N' asymmetrisch ausgebildet sein. Zum Beispiel kann die Länge L_N'/2 der Halbachse der Nebenachse N', die dem Kolben der Hochdruckstufe zugewandt ist, gegenüber der Länge L_N/2 der anderen Halbachse reduziert sein (L_N'/2 < L_N/2), wodurch die Hubhöhe des Druckhubs des Kolbens der zweitem Druckstufe und die Hubhöhe des Saughubs des Kolbens der ersten Druckstufe in demselben Umfang gegenüber der Hubhöhe in die Gegenrichtung vergrößert sind (z_{H_max}' = e + R_R – L_N'/2 > z_{H_max} = e + R_R – L_N/2).
Um auch in den seitlichen Abschnitten der Kulissenführung, in denen die elliptische Kulissenbahn weitgehend parallel zu der Mittelachse der Kolbenstange verlaufende Abschnitte aufweist, eine radiale Anpresskraft der Antriebsrolle auf die Kulissenbahn zu erzeugen, weist die Hauptachse H, H' der Kulissenbahn vorzugsweise eine Länge L_H, L_H' auf, welche die Summe aus der doppelten Exzentrizität e und dem doppelten Wälzradius R_R der Antriebsrolle dividiert durch den Kosinus des Neigungswinkels α der Hauptachse H, H' gegenüber der Senkrechten auf der Mittelachse der Kolbenstange geringfügig unterschreitet (L_H < 2·(e + R_R)/cosα[cosα = 0]; L_H' < 2·(e + R_R)/cosα).
Hierbei sind die beiden Kolben bevorzugt über jeweils einen Dichtungsring in den Zylindern geführt, die vorzugsweise als aus einem federelastischen Material bestehende Dichtmanschetten ausgebildet sind. Dadurch wird die durch das Untermaß der Hauptachse H, H' der elliptischen Kulissenbahn erzeugte radiale Anpresskraft der Antriebsrolle in Verbindung mit einer geringen radialen Verlagerung der Kolbenstange von den Dichtmanschetten elastisch abgestützt. Die Dichtungsringe bzw. Dichtungsmanschetten erlauben vorzugsweise eine Bewegung des Kolbens senkrecht zur Mittelsachse.
Zusätzlich dazu kann die radiale Anpresskraft der Antriebsrolle auch dadurch elastisch abgestützt werden, dass die radial innere Fläche der Ausnehmung mit einer federelastischen Schicht belegt ist, die dann in diesem Fall die Kulissenbahn der Kulissenführung bildet. Alternativ oder zusätzlich ist die Außenwand der Antriebsrolle mit einer federelastischen Schicht belegt. Alternativ zu der Ausführung als Dichtmanschetten können die Dichtungsringe der Kolben in diesem Fall auch als aus einem Metall bestehende Kolbenringe ausgebildet sein.
Die federelastische Schicht der Kulissenbahn der Kulissenführung und/oder der Außenwand der Antriebsrolle besteht bevorzugt aus Gummi. Neben der elastischen Abstützung der radialen Anpresskraft der Antriebsrolle kann durch die Gummischicht vorteilhaft auch die Haftreibung zwischen der Antriebsrolle der Kulissenbahn erhöht und damit eine Gleitbewegung der Antriebsrolle vermieden werden.
Zur Reduzierung der Spitzenbelastung der Kulissenführung kann mindestens ein mittlerer Abschnitt der Kulissenbahn der Kulissenführung selbsttätig lastabhängig ausbuchtbar ausgebildet sein. Durch die dadurch mögliche Ausbuchtung des mittleren Abschnitts der Kulissenbahn wird die Hubhöhe des Druckhubs des zugewandten Kolbens kraftabhängig verringert und damit die mechanische Spitzenbelastung der Kulissenführung reduziert.
Hierzu ist beispielsweise vorgesehen, dass die Wand des mindestens einen mittleren Abschnitts der Kulissenbahn federelastisch ausgebildet ist sowie einen Hohlraum der Kolbenstange überspannt, in dem die bei hoher Last ausgebuchtete Wand des mittleren Abschnitts der Kulissenbahn aufgenommen wird.
Alternativ dazu kann die Wand des mindestens einen mittleren Abschnitts der Kulissenbahn auch biegeelastisch ausgebildet sein sowie einen Hohlraum der Kolbenstange überspannen, in dem mindestens eine mit der betreffenden Wand in Kontakt stehende Druckfeder angeordnet ist, und in dem die bei hoher Last ausgebuchtete Wand des mittleren Abschnitts der Kulissenbahn aufgenommen wird.
Bezüglich der Kontur der elliptischen Kulissenbahn und der mit dieser in Kontakt stehenden Außenwand der Antriebsrolle ist bevorzugt vorgesehen, dass die Kulissenbahn der Kulissenführung im Längsprofil eben ausgebildet ist, und dass die Antriebsrolle eine zylindrische Außenwand aufweist, mit welcher die Antriebsrolle auf der Kulissenbahn abgewälzt. Aufgrund dieser in der Achsrichtung der Antriebswelle ebenen Konturen an der Kulissenbahn und der Antriebsrolle wird eine Drehführung der Kolbenstange bewirkt, durch die eine Verdrehsicherung der Kolben überflüssig ist. Zudem ist dadurch eine axiale Verschiebung der Antriebsrolle gegenüber der Kulissenbahn möglich, so dass durch Fertigungstoleranzen und Wärmedehnung verursachte axiale Verschiebungen der Antriebswelle beziehungsweise der Antriebsrolle verspannungsfrei ausgeglichen werden können.
Um ohne die zuvor genannten Maßnahmen zur Erzeugung einer seitlichen radialen Anpresskraft der Antriebsrolle einen stetigen Wälzkontakt der Antriebsrolle mit der Kulissenbahn sicher zu stellen, kann vorgesehen sein, dass die Kulissenbahn der Kulissenführung mit einer umlaufenden Innenverzahnung versehen ist, und dass die Antriebsrolle an ihrer Außenwand eine Außenverzahnung mit gleicher Zahnteilung aufweist, über deren Wälzkreis die Antriebsrolle auf dem Wälzkreis der Innenverzahnung der Kulissenbahn abwälzt. Der Fertigungsaufwand zur Herstellung der Verzahnungen ist jedoch relativ hoch. Auch bei dieser Ausführung der Kulissenführung wird eine Drehführung der Kolbenstange bewirkt und eine axiale Verschiebung der Antriebsrolle gegenüber der Kulissenbahn ermöglicht.
Falls jedoch eine Axialführung der Antriebsrolle und der mit dieser verbundenen Antriebswelle erwünscht ist, kann diese dadurch erreicht werden, dass die Kulissenbahn der Kulissenführung mit einem umlaufenden Innensteg versehen ist, und dass die Antriebsrolle in ihrer Außenwand eine umlaufende Ringnut aufweist, in die der Innensteg der Kulissenbahn zur axialen Führung der Antriebsrolle eingreift.
In einer ersten Bauweise der Antriebsrolle ist die Antriebsrolle über ein Wälzlager oder ein Gleitlager drehbar auf einem Lagerbolzen gelagert angeordnet, welcher exzentrisch an der Antriebswelle befestigt ist. Zur Erzielung einer kompakten Bauweise ist die Antriebsrolle bei dieser Bauart bevorzugt durch einen Außenring des Wälzlagers oder durch eine Buchse des Gleitlagers gebildet.
In einer zweiten Bauweise der Antriebsrolle ist die Antriebsrolle als eine zylindrische Scheibe ausgebildet und starr mit einem zentralen Lagerbolzen verbunden, welcher über ein Wälzlager oder ein Gleitlager drehbar in einer exzentrisch an der Antriebswelle angeordneten Lagerbohrung gelagert ist.
Zur verbesserten Lagerung der Antriebsrolle und der Antriebswelle kann zusätzlich vorgesehen sein, dass der Lagerbolzen der Antriebsrolle oder die Antriebsrolle selbst mit einem zentralen äußeren Lagerschaft versehen ist, der über ein Wälzlager oder ein Gleitlager radial außen auf einem gehäuseseitig befestigten, koaxial zu der Drehachse der Antriebswelle ausgerichteten Lagerzapfen abgestützt ist.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von zwölf in der beigefügten Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In der Zeichnung zeigt
1 eine erfindungsgemäße erste Ausführungsform eines Doppelkolbenkompressors in einem Längsmittelschnitt,
1a der Doppelkolbenkompressor gemäß 1 in einer Querschnittsansicht,
1b die Hubkurve der Kolben des Doppelkolbenkompressors gemäß den 1 und 1a in einem Diagramm,
2 eine erfindungsgemäße zweite Ausführungsform eines Doppelkolbenkompressors in einem Längsmittelschnitt,
2a der Doppelkolbenkompressor gemäß 2 in einer Querschnittsansicht,
2b die Hubkurve der Kolben des Doppelkolbenkompressors gemäß den 2 2a in einem Diagramm,
3 eine erfindungsgemäße dritte Ausführungsform eines Doppelkolbenkompressors in einem Längsmittelschnitt,
3a der Doppelkolbenkompressor gemäß 3 in einer Querschnittsansicht,
3b die Hubkurve der Kolben des Doppelkolbenkompressors gemäß den 3 und 3a in einem Diagramm,
4 eine erfindungsgemäße vierte Ausführungsform eines Doppelkolbenkompressors in einem Längsmittelschnitt,
4a der Doppelkolbenkompressor gemäß 4 in einer Querschnittsansicht,
4b die Hubkurve der Kolben des Doppelkolbenkompressors gemäß den 4 und 4a in einem Diagramm,
5 eine fünfte Ausführungsform eines Doppelkolbenkompressors in einem ausschnittweisen Längsmittelschnitt,
6 eine sechste Ausführungsform eines Doppelkolbenkompressors in einem ausschnittweisen Längsmittelschnitt,
7 eine siebte Ausführung eines Doppelkolbenkompressors in einer ausschnittweisen Querschnittsansicht,
8 eine erfindungsgemäße achte Ausführungsform eines Doppelkolbenkompressors in einer ausschnittweisen Querschnittsansicht,
9 eine neunte Ausführungsform eines Doppelkolbenkompressors in einer ausschnittweisen Querschnittsansicht,
10 eine zehnte Ausführungsform eines Doppelkolbenkompressors in einem ausschnittweisen Längsmittelschnitt,
11 eine elfte Ausführungsform eines Doppelkolbenkompressors in einem ausschnittweisen Längsmittelschnitt,
12 eine zwölfte Ausführungsform eines Doppelkolbenkompressors in einem ausschnittweisen Längsmittelschnitt, und
13a–d schematische Ansichten, die einen verringerten Seitenabstand der Kulissenbahn illustrieren.
Die Schnittebenen in den Figuren sind durch die Bezugszeichen A, B, C, D, E, F, K, L kenntlich gemacht.
Eine gemäß der Erfindung ausgebildete, als Basisausführung ansehbare erste Ausführungsform eines Doppelkolbenkompressors 1.1 einer Druckluft-Versorgungseinrichtung ist in 1 in einem Längsmittelschnitt und in 1a in einer Querschnittsansicht abgebildet. Der Doppelkolbenkompressor 1.1 weist eine als Niederdruckstufe ausgebildete erste Druckstufe 2 und eine als Hochdruckstufe ausgebildete zweite Druckstufe 3 auf, die jeweils einen Zylinder 4, 7 mit einem darin axialbeweglich geführten Kolben 5, 8 aufweisen. Die beiden Kolben 5, 8 sind über jeweils einen Dichtungsring 6, 9, die bevorzugt als aus einem elastischem Material wie zum Beispiel Gummi bestehende Dichtmanschetten ausgebildet sind, gegenüber dem zugeordneten Zylinder 4, 7 abgedichtet und gleitbeweglich in diesem geführt. Die beiden Zylinder 4, 7 sind bezüglich einer Drehachse 13 einer Antriebswelle 12 radial gegenüberliegend angeordnet. Die beiden Kolben 5, 8 sind über eine Kolbenstange 10 starr miteinander verbunden und stehen über eine Kulissenführung 14.1 mit der Antriebswelle 12 in Triebverbindung. Die Kulissenführung 14.1 umfasst eine in der Kolbenstange 10 angeordnete, durch eine geschlossene elliptische Kulissenbahn 16.1 begrenzte und mit ihrer Querschnittsebene senkrecht zu der Drehachse 13 der Antriebswelle 12 ausgerichtete Ausnehmung 15.1, sowie eine mit der Kulissenbahn 16.1 der Ausnehmung 15.1 in Eingriff stehende, bezüglich der Drehachse 13 der Antriebswelle 12 achsparallel und exzentrisch sowie drehbar an der Antriebswelle 12 befestigte Antriebsrolle 17.
Die Ausnehmung 15.1 und damit auch die Kulissenführung 14.1 sind mittig zu einer Mittelachse 11 der Kolbenstange 10 ausgerichtet. Die Hauptachse H der elliptischen Kulissenbahn 16.1 weist eine Länge L_H auf, welche die Summe aus der doppelten Exzentrizität e und dem doppelten Wälzradius R_R der Antriebsrolle 17 geringfügig unterschreitet (vgl. auch 13a–d; mit Bezug auf die 13a–d wird der Effekt der Unterschreitung genauer dargestellt werden). Da die Neigung der Kulissenbahn 16.1 gegenüber einer Senkrechten 23 auf der Mittelachse 11 der Kolbenstange 10 in dem Ausführungsbeispiel gemäß den 1 und 1a gleich Null ist, gilt für die Länge L_H der Hauptachse H die Formel L_H < 2·(e + R_R)/cosα mit [cosα = 1]. Die Nebenachse N der elliptischen Kulissenbahn 16.1 weist eine Länge L_N auf, welche die Summe aus der doppelten Exzentrizität e und dem doppelten Wälzradius R_R der Antriebsrolle 17 unterschreitet, so dass die Formel L_N < 2·(e + R_R) gilt, wobei diese Länge L_N jedoch mindestens so groß ist, dass die Eckradien R_E der elliptischen Kulissenbahn 16.1 größer als der Wälzradius R_R der Antriebsrolle 17 sind (R_E > R_R). Die Antriebsrolle 17 ist vorliegend durch den Außenring 19 eines Wälzlagers 18 gebildet, das auf einem um die Exzentrizität e exzentrisch an der Antriebswelle 12 befestigten Lagerbolzen 20 angeordnet ist.
Durch die exzentrische Anordnung des Lagerbolzens 20 bewirkt eine Drehung der Antriebswelle 12 eine Kurbelbewegung der Antriebsrolle 17, wobei die Kurbelbewegung durch das Abwälzen der Antriebsrolle 17 auf der geschlossenen elliptischen Kulissenbahn 16.1 der Kulissenführung 14.1 in eine periodische Hubbewegung der Kolbenstange 10 und damit der beiden Kolben 5, 8 umgesetzt wird. Dabei sorgt die zuvor genannte Geometrie der elliptischen Kulissenbahn 16.1 in Verbindung mit einer der Hubbewegung entgegengerichtete Druckkraft auf den jeweils im Druckhub befindlichen Kolben 5, 8 für einen ständigen Wälzkontakt der Antriebsrolle 17 mit der Kulissenbahn 16.1. Bei bekannten Kulissenführungen auftretende Unstetigkeiten im Hubverlauf der Kolben 5, 8 und damit verbundene Verschleißerscheinungen durch Belastungswechsel der Antriebsrolle 17 werden somit vermieden.
Da die Kulissenbahn 16.1 der Kulissenführung 14.1 im Längsprofil eben ausgebildet ist und die Antriebsrolle 17 eine zylindrische Außenwand aufweist, über welche die Antriebsrolle 17 auf der Kulissenbahn 16.1 abwälzt, ist zudem eine axiale Verschiebung der Antriebsrolle 17 gegenüber der Kulissenbahn 16.1 möglich, so dass durch Fertigungstoleranzen und Wärmedehnung verursachte axiale Verschiebungen der Antriebswelle 12 und der Antriebsrolle 17 verspannungsfrei ausgeglichen werden können.
In dem Diagramm der 1b ist die Hubkurve z_H(φ) der Kolben 5, 8 beziehungsweise der Kolbenstange 10 des Doppelkolbenkompressors 1.1 für eine Umdrehung der Antriebswelle 12 abgebildet, wobei der Drehwinkel der Antriebswelle 12 mit φ bezeichnet ist und die Drehrichtung der Antriebswelle 12 entsprechend dem in der Querschnittsansicht von 1a abgebildeten Drehrichtungspfeil 21 im Uhrzeigersinn angenommen ist. In den 1 und 1a sind der Lagerbolzen 20 und die Antriebsrolle 17 in der 90°-Stellung der Antriebswelle 12 dargestellt. Die Hubhöhe der Kolben 5, 8 ist in dem Diagramm von 1b mit z_H bezeichnet, wobei die Hubrichtung der Kolben 5, 8 entsprechend dem in 1 abgebildeten Hubrichtungspfeil 22 in Richtung des Zylinders 7 der Hochdruckstufe 3 positiv angenommen ist. Die in dem Diagramm von 1b abgebildete Hubkurve z_H(φ) der Kolben 5, 8 weist einen regelmäßigen sinusförmigen Verlauf auf, dessen Amplitude z_{H_max} sich aus der um die halbe Länge L_N der Nebenachse N der elliptischen Kulissenbahn 16.1 reduzierten Summe aus der Exzentrizität e und dem Wälzradius R_R der Antriebsrolle 17 ergibt, so dass die Gleichung z_{H_max} = e + R_R – L_N/2 gilt.
Eine erfindungsgemäße zweite Ausführungsform eines Doppelkolbenkompressors 1.2 einer Druckluft-Versorgungseinrichtung ist in 2 in einem Längsmittelschnitt und in 2a in einer Querschnittsansicht abgebildet. Diese Ausführungsform des Doppelkolbenkompressors 1.2 unterscheidet sich durch eine geänderte Anordnung der Kulissenführung 14.2 von dem Doppelkolbenkompressors 1.1 gemäß 1. Nun ist die Ausnehmung 15.2 mit der elliptischen Kulissenbahn 16.2 gegenüber einer Senkrechten 23 auf der Mittelachse 11 der Kolbenstange 10 um einen Neigungswinkel von vorliegend α = 30° in der Drehrichtung 21 der Antriebswelle 12 verdreht angeordnet. Aufgrund der durch die Neigung bedingten Verkürzung der Projektion auf die Senkrechte 23 weist die Hauptachse H' der elliptischen Kulissenbahn 16.2 nun eine entsprechend vergrößerte Länge L_H' auf, welche die Summe aus der doppelten Exzentrizität e und dem doppelten Wälzradius R_R der Antriebsrolle 17 dividiert mit dem Kosinus des Neigungswinkels α der Hauptachse H' geringfügig unterschreitet (L_H' < 2·(e + R_R)/cosα mit [cosα > 0]). Hierdurch ist einerseits die Beweglichkeit der Antriebsrolle 17 in der Kulissenführung 14.2 und andererseits der Kontakt der Antriebsrolle 17 in den Seitenbereichen der Kulissenbahn 16.2 gewährleistet (vgl. auch 13a–d).
Die in dem Diagramm von 2b abgebildete Hubkurve z_H(φ) der Kolben 5, 8 beziehungsweise der Kolbenstange 10 des Doppelkolbenkompressors 1.2 weist einen modifizierten sinusförmigen Verlauf auf, der aufgrund der in der Drehrichtung 21 der Antriebswelle 12 geneigten Anordnung der elliptischen Kulissenbahn 16.2 eine Phasenverschiebung in Richtung spät und eine über die Hubhöhe z_{H_max} bei senkrechter Anordnung der Kulissenbahn 16.1 gemäß 1 und 1a hinausgehende Hubhöhe aufweist. Zum Vergleich ist in 2b auch die Hubkurve z_H(φ) der Kolben 5, 8 des Doppelkolbenkompressors 1.1 gemäß den 1 und 1a aus 1b als Strich-Punkt-Kurve eingezeichnet.
Eine erfindungsgemäße dritte Ausführungsform eines Doppelkolbenkompressors 1.3 einer Druckluft-Versorgungseinrichtung ist in 3 in einem Längsmittelschnitt und in 3a in einer Querschnittsansicht abgebildet. Diese Ausführungsform des Doppelkolbenkompressors 1.3 unterscheidet sich durch eine in anderer Weise geänderte Anordnung der Kulissenführung 14.3 von dem Doppelkolbenkompressor 1.1 gemäß 1. Hierbei ist die Ausnehmung 15.3 mit der elliptischen Kulissenbahn 16.2 gegenüber der Senkrechten 23 auf der Mittelachse 11 der Kolbenstange 10 um einen Neigungswinkel von α = –30° entgegen der Drehrichtung 21 der Antriebswelle 12 verdreht angeordnet. Auch in diesem Fall weist die Hauptachse H' der elliptischen Kulissenbahn 16.2 aufgrund der durch die Neigung bedingten Verkürzung der Projektion auf die Senkrechte 23 eine entsprechend vergrößerte Länge L_H' auf, welche die Summe aus der doppelten Exzentrizität e und dem doppelten Wälzradius R_R der Antriebsrolle 17 dividiert mit dem Kosinus des Neigungswinkels α der Hauptachse H' geringfügig unterschreitet (L_H' < 2·(e + R_R)/cosα mit [cosα > 0]).
Die in dem Diagramm von 3b abgebildete Hubkurve z_H(φ) der Kolben 5, 8 beziehungsweise der Kolbenstange 10 des Doppelkolbenkompressors 1.3 weist einen modifizierten sinusförmigen Verlauf auf, der aufgrund der entgegen der Drehrichtung 21 der Antriebswelle 12 geneigten Anordnung der elliptischen Kulissenbahn 16.2 eine Phasenverschiebung in Richtung früh sowie eine über die Hubhöhe z_{H_max} bei senkrechter Anordnung der Kulissenbahn 16.1 gemäß 1 und 1a hinausgehende Hubhöhe aufweist. Zum Vergleich ist in 3b auch die Hubkurve z_H(φ) der Kolben 5, 8 des Doppelkolbenkompressors 1.1 gemäß den 1 und 1a aus 1b als Strich-Punkt-Kurve eingezeichnet.
Eine erfindungsgemäße vierte Ausführungsform eines Doppelkolbenkompressors 1.4 einer Druckluft-Versorgungseinrichtung ist in 4 in einem Längsmittelschnitt sowie in 4a in einer Querschnittsansicht dargestellt. Diese Ausführungsform des Doppelkolbenkompressors 1.4 unterscheidet sich durch eine geänderte Ausbildung der Kulissenführung 14.4 von dem Doppelkolbenkompressor 1.1 gemäß 1. Während die elliptische Kulissenbahn 16.1, 16.2 bei den bisher beschriebenen Kulissenführungen 14.1, 14.2, 14.3 jeweils symmetrisch ausgeführt ist, ist die in den 4 und 4a gezeigte Kulissenführung 14.4 in der Ausnehmung 15.3 mit unterschiedlichen Längen L_N/2, L_N'/2 der beiden Halbachsen der Nebenachse N' der elliptischen Kulissenbahn 16.3 nun asymmetrisch ausgebildet. Vorliegend weist die Halbachse der Nebenachse N', die dem Kolben 8 der Hochdruckstufe 3 zugewandt ist, eine gegenüber der Länge L_N/2 der anderen Halbachse der Nebenachse N' reduzierte Länge L_N'/2 auf (L_N'/2 < L_N/2). Hierdurch sind die Hubhöhe des Druckhubs des Kolbens 8 der Hochdruckstufe 3 und die Hubhöhe des Saughubs des Kolbens 5 der Niederdruckstufe 2 in demselben Umfang gegenüber der Hubhöhe in die Gegenrichtung vergrößert (z_{H_max}' = e + R_R – L_N'/2 > z_{H_max} = e + R_R – L_N/2).
Die in dem Diagramm der 4b abgebildete Hubkurve z_H(φ) der Kolben 5, 8 beziehungsweise der Kolbenstange 10 des Doppelkolbenkompressors 1.4 weist einen bezüglich der Mittelachse asymmetrischen sinusförmigen Verlauf auf, der aufgrund der reduzierten Länge L_N'/2 der dem Kolben 8 der Hochdruckstufe 3 zugewandten Halbachse der Nebenachse N' der elliptischen Kulissenbahn 16.3 eine erhöhte Hubhöhe z_{H_max}' in der Hubrichtung 22 aufweist. Zum Vergleich ist in 4b auch die Hubkurve z_H(φ) der Kolben 5, 8 des Doppelkolbenkompressors 1.1 gemäß den 1 und 1a aus 1b als Strich-Punkt-Kurve eingezeichnet. Zur Verdeutlichung ist in 4b auch die mit Δz_{H_max} bezeichnete Differenz der Hubhöhen Δz_{H_max} = z_{H_max}' – z_{H_max} eingezeichnet.
In 5 ist eine erfindungsgemäße fünfte Ausführungsform eines Doppelkolbenkompressors 1.5 einer Druckluft-Versorgungseinrichtung in einem ausschnittweisen Längsmittelschnitt abgebildet. Bei dieser Ausführungsform der Kulissenführung 14.5 ist die elliptische Kulissenbahn 16.4 bei entsprechend vergrößerter Ausnehmung 15.4 mit einer vorzugsweise aus Gummi bestehenden federelastischen Schicht 24 belegt. Hierdurch wird die durch das Untermaß der Hauptachse H der elliptischen Kulissenbahn 16.4 erzeugte seitliche radiale Anpresskraft der Antriebsrolle 17 in Verbindung mit einer geringen radialen Verlagerung der Kolbenstange 10 zusätzlich zu den Dichtmanschetten 6, 9 auch über die federelastische Schicht 24 elastisch abgestützt.
In einer hierzu alternativen, in 6 in einem ausschnittweisen Längsmittelschnitt abgebildeten erfindungsgemäßen sechsten Ausführungsform eines Doppelkolbenkompressors 1.6 einer Druckluft-Versorgungseinrichtung ist bei der dortigen Kulissenführung 14.6 in der Ausnehmung 15.1 die Antriebsrolle 25' bei einer entsprechenden Reduzierung ihres Außendurchmessers mit einer vorzugsweise aus Gummi bestehenden federelastischen Schicht 24' belegt. In 6 ist die Antriebsrolle 25' beispielhaft alternativ zu der zuvor beschriebenen Ausführungsform der Antriebsrolle 17 ausgebildet. Nun ist die Antriebsrolle 25' als eine zylindrische Scheibe ausgebildet und starr mit einem zentralen Lagerbolzen 26 verbunden, der über ein Gleitlager 27 drehbar in einer um die Exzentrizität e exzentrisch an der Antriebswelle 12 angeordneten Lagerbohrung 28 gelagert ist.
In den 7 und 8 sind eine erfindungsgemäße siebte und eine erfindungsgemäße achte Ausführungsform eines Doppelkolbenkompressors 1.7, 1.8 einer Druckluft-Versorgungseinrichtung jeweils in einer ausschnittweisen Querschnittsansicht abgebildet, bei denen die in ihrer Längserstreckung mittleren Abschnitte der elliptischen Kulissenbahn 16.5 der jeweiligen Kulissenführung 14.7, 14.8 in den Ausnehmungen 15.5 der Kolbenstange 10 jeweils selbsttätig lastabhängig ausbuchtbar ausgebildet sind. In der Ausführung der Kulissenführung 14.7 gemäß 7 sind die Wände 29 der genannten mittleren Abschnitte der Kulissenbahn 16.5 federelastisch ausgebildet und überspannen jeweils einen Hohlraum 30 der Kolbenstange 10. In der Ausführung der Kulissenführung 14.8 gemäß 8 sind die Wände 31 der mittleren Abschnitte der Kulissenbahn 16.5 biegeelastisch ausgebildet und überspannen jeweils einen Hohlraum 30' der Kolbenstange 10, in dem jeweils eine mit der betreffenden Wand 31 in Kontakt stehende, vorliegend beispielhaft als Bogenfeder ausgebildete Druckfeder 32 angeordnet ist. Durch die dadurch mögliche Ausbuchtung der genannten mittleren Abschnitte der Kulissenbahn 16.5 wird die Hubhöhe des Druckhubs des jeweils zugewandten Kolbens 5, 8 kraftabhängig verringert und damit die Spitzenbelastung der Kulissenführung 14.7, 14.8 reduziert. In den 7 und 8 ist die dem Kolben 7 der Hochdruckstufe 3 zugewandte Wand 19, 31 der Kulissenbahn 16.5 jeweils durch die in der 90°-Position befindliche Rolle 17 ausgebuchtet abgebildet. Die radial gegenüberliegende Wand 19, 31 der Kulissenbahn 16.5 ist dagegen in den 7 und 8 jeweils in der nicht ausgebuchteten Form dargestellt.
Bei den zuvor beschriebenen Ausführungen der Kulissenführungen 14.1–14.8 ist die Kulissenbahn 16.1–16.5 im Längsprofil jeweils eben ausgebildet, und die Antriebsrolle 17, 25' weist jeweils eine zylindrische Außenwand auf, mit welcher die Antriebsrolle 17, 25' auf der jeweiligen Kulissenbahn 16.1–16.5 abwälzt. Aufgrund dieser in der Achsrichtung der Antriebswelle 12 ebenen Konturen zwischen der Kulissenbahn 16.1–16.5 und der Antriebsrolle 17, 25' wird eine Drehführung der Kolbenstange 10 bewirkt, durch die eine Verdrehsicherung der Kolben 5, 8 überflüssig ist. Zudem ist dadurch eine axiale Verschiebung der Antriebsrolle 17, 25' gegenüber der Kulissenbahn 16.1–16.5 möglich, so dass durch Fertigungstoleranzen und Wärmedehnung verursachte axiale Verschiebungen der Antriebswelle 12 beziehungsweise der Antriebsrolle 17, 25' verspannungsfrei ausgeglichen werden können.
Ausgehend von dem Doppelkolbenkompressor 1.1 gemäß den 1 und 1a unterscheidet sich eine in 9 in einer ausschnittweisen Querschnittsansicht abgebildete erfindungsgemäße neunte Ausführungsform eines Doppelkolbenkompressors 1.9 einer Druckluft-Versorgungseinrichtung durch eine Innenverzahnung 33 der die Aussparung 15.6 begrenzenden Kulissenbahn 16.6 sowie eine Außenverzahnung an der Antriebsrolle 17' der Kulissenführung 14.9. Demnach ist die Kulissenbahn 16.6 der Kulissenführung 14.9 mit einer umlaufenden Innenverzahnung 33 versehen, und die Antriebsrolle 17' weist an ihrer durch den Außenring 19' eines Wälzlagers 18' gebildeten Außenwand eine Außenverzahnung 34 mit gleicher Zahnteilung auf, über deren Wälzkreis die Antriebsrolle 17' auf dem Wälzkreis der Innenverzahnung 33 der Kulissenbahn 16.6 abwälzt. Durch den Verzahnungseingriff wird ein stetiger Wälzkontakt der Antriebsrolle 17' mit der Kulissenbahn 16.6 sichergestellt. Eine geringfügige Reduzierung der Länge L_H der Hauptachse H der elliptischen Kulissenbahn 16.6 zur Erzeugung einer seitlichen radialen Anpresskraft der Antriebsrolle 17' und die zuvor beschriebenen Maßnahmen zur elastischen Abstützung dieser Anpresskraft sind bei dieser Ausführung der Kulissenführung 14.9 somit nicht erforderlich. Der Fertigungsaufwand zur Herstellung der Verzahnungen ist jedoch relativ hoch. Auch bei dieser Ausführung der Kulissenführung 14.9 wird eine Drehführung der Kolbenstange 10 bewirkt und eine axiale Verschiebung der Antriebsrolle 17' gegenüber der Kulissenbahn 16.6 ermöglicht.
In 10 ist eine erfindungsgemäße zehnte Ausführungsform eines Doppelkolbenkompressors 1.10 einer Druckluft-Versorgungseinrichtung in einem ausschnittweisen Längsmittelschnitt abgebildet, bei der die Antriebsrolle 17'' und die mit dieser verbundene Antriebswelle 12 über die Kulissenführung 14.10 axial in der Kolbenstange 10 geführt sind. Bei dieser Ausführung der Kulissenführung 14.10 ist die die Ausnehmung 15.7 begrenzende Kulissenbahn 16.7 mit einem umlaufenden Innensteg 35 versehen, und die Antriebsrolle 17'' weist an ihrer als Außenring 19'' eines Wälzlagers 18'' ausgebildeten radialen Außenwand eine umlaufende Ringnut 36 auf, in die der Innensteg 35 der Kulissenbahn 16.7 zur axialen Führung der Antriebsrolle 17'' eingreift.
In den 11 und 12 sind eine erfindungsgemäße elfte Ausführungsform und eine erfindungsgemäße zwölfte Ausführungsform eines Doppelkolbenkompressors 1.11, 1.12 einer Druckluft-Versorgungseinrichtung jeweils in einem ausschnittweisen Längsmittelschnitt abgebildet, bei denen die Antriebsrolle 17, 25 und die Antriebswelle 12 jeweils mit einer zusätzlichen Lagerung versehen sind. In der Ausführungsform des Doppelkolbenkompressors 1.11 gemäß 11 weisen die Antriebsrolle 17 sowie die die Ausnehmung 15.1 begrenzende Kulissenbahn 16.1 der Kulissenführung 14.11 die aus den 1 bis 4 sowie 7 und 8 bekannte Bauweise auf. Zur zusätzlichen Lagerung ist hierbei jedoch der Lagerbolzen 20' der Antriebsrolle 17 mit einem zentralen, axial äußeren Lagerschaft 37 versehen, der über ein Wälzlager 38 radial außen auf einem gehäuseseitig befestigten, koaxial zu der Drehachse der 13 Antriebswelle 12 ausgerichteten Lagerzapfen 39 abgestützt ist.
In der Ausführungsform des Doppelkolbenkompressors 1.12 gemäß 12 entspricht die Antriebsrolle 25 ohne die federelastische Schicht 24' der in 6 gezeigten Bauweise. Zur zusätzlichen Lagerung ist bei dieser Kulissenführung 14.12 die Antriebsrolle 25 nun selbst mit einem zentralen, axial äußeren Lagerschaft 40 versehen, der über ein Wälzlager 38 radial außen auf dem gehäuseseitig befestigten, koaxial zu der Drehachse 13 der Antriebswelle 12 ausgerichteten Lagerzapfen 39 abgestützt ist.
Die 13a bis 13d illustrieren nochmals den Zustand, wenn ein Untermaß der Hauptachse H der elliptischen Kulissenbahn 16 vorgesehen ist, und also der Seitenabstand der Kulissenbahn 16 um einen Betrag Δ geringer ist als die Summe aus der doppelten Exzentrizität e und dem doppelten Wälzradius R_R der Antriebsrolle 17.
In den 13a bis 13d sind die Elemente mit gleichen Bezugszeichen wie in den ersten zwölf Ausführungsbeispielen gezeigt dargestellt, wobei auf die nachgestellten Ziffern verzichtet wird und insofern beispielsweise die Ziffer 1 den Doppelkolbenkompressor bezeichnet ohne einen Suffix für bestimmte Ausführungsbeispiele, da sich die schematischen Darstellungen in den 13a bis 13d auf alle Ausführungsbeispiele gleichermaßen beziehen.
Der Einfachheit halber ist die Ausnehmung 15 als horizontal ausgerichtete Ellipse mit einer horizontal ausgerichteten Hauptachse H dargestellt. Die Mittelachse des Kolbens ist mit 11 bezeichnet, und eine Mittelachse des Doppelkolbenkompressors 1 ist mit 41 bezeichnet.
Wie aus 13a beispielsweise ersichtlich schneidet die Drehachse 13 der Antriebswelle 12 (in den schematischen 13a–d nicht gezeigt) die Mittelachse 41. Wenn sich die Antriebswelle 12 dreht, wird die Antriebsrolle 17 entlang einer Bahn geführt und beschreibt einen Hüllkreis 42. Der Hüllkreis 42 ist kreisförmig, und wie aus den 13a–d zu sehen, größer als sowohl die Hauptachse H als auch die Nebenachse N der Kulissenbahn 16. Daher drückt die Antriebsrolle 17 in der in 13a gezeigten Position, bei der sie auf einen Winkel von 270° bezogen auf den oberen Totpunkt rotiert ist, die Kolbenstange 10 mit Bezug auf 13a nach links, sodass die Mittelachse 11 der Kolbenstange 10 um einen Betrag Δ/2 versetzt ist. Insgesamt ist nämlich der Seitenabstand der Kulissenbahn 16, der in 13a der Länge L_H der Hauptachse H entspricht, um einen Betrag Δ kleiner als die doppelte Summe aus der Exzentrizität e und dem Wälzradius R_R der Antriebsrolle 17.
Das axiale Versetzen der Kolbenstange 10 um den Betrag Δ/2 wird in dieser Darstellung durch die Dichtungsringe 6, 9 ausgeglichen, die elastisch sind. In anderen Ausführungsformen, wie beispielsweise dem Ausführungsbeispiel der 5 oder 6, ist es ebenso denkbar, den Ausgleich der axialen Versetzung um den Betrag Δ/2 durch die federelastische Schicht 24, 24 auszugleichen.
Insgesamt wird durch diese spezifische Ausgestaltung der Kulissenbahn 16 erreicht, dass die Antriebsrolle 17 permanent in Anlage mit der Kulissenbahn ist, auch wenn Fertigungstoleranzen berücksichtigt werden. Sie hat permanent einen gewissen Druck zur Kulissenbahn 16, und eine Unstetigkeit, also ein Abheben in der Antriebsrolle 17 von der Kulissenbahn 16 erfolgt auch dann nicht, wenn der Doppelkolbenkompressor 1 Schwingungen oder Rüttlungen ausgesetzt ist.
Bezugszeichenliste

1.1: Doppelkolbenkompressor, erste Ausführungsform
1.2: Doppelkolbenkompressor, zweite Ausführungsform
1.3: Doppelkolbenkompressor, dritte Ausführungsform
1.4: Doppelkolbenkompressor, vierte Ausführungsform
1.5: Doppelkolbenkompressor, fünfte Ausführungsform
1.6: Doppelkolbenkompressor, sechste Ausführungsform
1.7: Doppelkolbenkompressor, siebte Ausführungsform
1.8: Doppelkolbenkompressor, achte Ausführungsform
1.9: Doppelkolbenkompressor, neunte Ausführungsform
1.10: Doppelkolbenkompressor, zehnte Ausführungsform
1.11: Doppelkolbenkompressor, elfte Ausführungsform
1.12: Doppelkolbenkompressor, zwölfte Ausführungsform
2: Erste Druckstufe, Niederdruckstufe
3: Zweite Druckstufe, Hochdruckstufe
4: Erster Zylinder
5: Erster Kolben
6: Dichtungsring, Dichtmanschette
7: Zweiter Zylinder
8: Zweiter Kolben
9: Dichtungsring, Dichtmanschette
10: Kolbenstange
11: Mittelachse
12: Antriebswelle
13: Drehachse
14.1–14.12: Kulissenführung
15.1–15.7: Ausnehmung
16.1–16.7: Kulissenbahn
17, 17', 17'': Antriebsrolle
18, 18', 18'': Wälzlager
19, 19', 19'': Außenring eines Wälzlagers 18, 18'
20, 20': Lagerbolzen
21: Drehrichtungspfeil, Drehrichtung
22: Hubrichtungspfeil, Hubrichtung
23: Senkrechte
24, 24': Federelastische Schicht
25, 25': Antriebsrolle
26: Lagerbolzen
27: Gleitlager
28: Lagerbohrung
29: Wand der Kulissenbahn 16.5 gemäß 7
30, 30': Hohlraum
31: Wand der Kulissenbahn 16.5 gemäß 8
32: Druckfeder, Bogenfeder
33: Innenverzahnung
34: Außenverzahnung
35: Innensteg
36: Ringnut
37: Lagerschaft
38: Wälzlager
39: Lagerzapfen
40, 40.4: Oberfläche der Ausnehmung
41: Mittelachse des Doppelkolbenkompressors
42: Hüllkreis der Antriebsrolle
A–F, K, L: Schnittebenen
e: Exzentrizität
H, H': Hauptachse
L_H, L_H': Länge der Hauptachse
L_N, L_N': Länge der Nebenachse
N, N': Nebenachse
R_E: Eckradius
R_R: Wälzradius
z_H: Hubhöhe
z_H(φ): Hubkurve
z_{H_max}: Hubhöhe
z_{H_max}': Hubhöhe
Δz_{H_max}: Differenz der Hubhöhen
α: Neigungswinkel
cos(α): Kosinus des Neigungswinkels
φ: Drehwinkel
Δ: Betrag des Untermaß

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10321771 B4 [0003]
DE 19715291 C2 [0005]
DE 102012223114 A1 [0006]
DE 102011086913 A1 [0008]

Claims

Doppelkolbenkompressor (1.1–1.12) einer Druckluft-Versorgungseinrichtung, mit einer ersten Druckstufe (2) und einer zweiten Druckstufe (3), die jeweils einen Zylinder (4, 7) mit einem darin axialbeweglich geführten Kolben (5, 8) aufweisen, wobei die beiden Zylinder (4, 7) bezüglich einer Drehachse (13) einer Antriebswelle (12) radial gegenüberliegend angeordnet sind, wobei die beiden Kolben (5, 8) über eine Kolbenstange (10) starr miteinander verbunden sind und über eine Kulissenführung mit der Antriebswelle (12) in Triebverbindung stehen, wobei die Kulissenführung (14.1–14.12) eine in der Kolbenstange (10) ausgebildete, mit einer Kulissenbahn (16.1–16.7) versehene und mit ihrer Querschnittsebene senkrecht zu der Drehachse (13) der Antriebswelle (12) ausgerichtete Ausnehmung (15.1–15.7) aufweist, und wobei die Kulissenführung (14.1–14.12) eine mit der Ausnehmung (15.1–15.7) in Eingriff stehende, bezüglich der Drehachse (13) der Antriebswelle (12) achsparallel und exzentrisch sowie drehbar an der Antriebswelle (12) befestigte Antriebsrolle (17, 17', 17'', 25, 25') aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (15.1) der Kulissenführung (14.1) durch eine geschlossene Kulissenbahn (16.1) begrenzt ist, die mittig zu einer Mittelachse (11) der Kolbenstange (10) ausgerichtet ist, und auf der die Antriebsrolle (17) durch eine resultierende Druckkraft auf die beiden Kolben (5, 8) permanent angedrückt abwälzt, dass der Seitenabstand der Kulissenbahn (16.1), senkrecht zu der Mittelachse (11) der Kolbenstange (10) gemessen, maximal der Summe aus der doppelten Exzentrizität (e) und dem doppelten Wälzradius (R_R) der Antriebsrolle (17) entspricht, und dass der Hubabstand der Kulissenbahn (16.1), parallel zu der Mittelachse (11) der Kolbenstange (10) gemessen, den doppelten Wälzradius (R_R) der Antriebsrolle (17) überschreitet, und die Summe aus der doppelten Exzentrizität (e) und den doppelten Wälzradius (R_R) der Antriebsrolle (17) unterschreitet.
Doppelkolbenkompressor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Seitenabstand der Kulissenbahn (16.1) um einen Betrag Delta (Δ) geringer ist als die Summe aus der doppelten Exzentrizität (e) und dem doppelten Wälzradius (R_R) der Antriebsrolle (17).
Doppelkolbenkompressor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Betrag Delta (Δ) in einem Bereich von 1% bis 10% der Summe aus der doppelten Exzentrizität (e) und dem doppelten Wälzradius (R_R) der Antriebsrolle (17) liegt.
Doppelkolbenkompressor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (15.1–15.7) der Kulissenführung (14.1–14.12) durch eine elliptische Kulissenbahn (16.1–16.7) begrenzt ist, deren Hauptachse (H, H') eine Länge (L_H, L_H') aufweist, die maximal der Summe aus der doppelten Exzentrizität (e) und dem doppelten Wälzradius (R_R) der Antriebsrolle (17, 17', 17'', 25, 25') dividiert mit dem Kosinus des Neigungswinkels (α) der Hauptachse (H, H') gegenüber einer Senkrechten (23) auf der Mittelachse (11) der Kolbenstange (10) entspricht (L_H ≤ 2·(e + R_R)/cos[cosα = 0]; L_H' ≤ 2·(e + R_R)/cosα), und deren Nebenachse (N) eine Länge (L_N) aufweist, welche die Summe aus der doppelten Exzentrizität (e) und dem doppelten Wälzradius (R_R) der Antriebsrolle (17, 17', 17'', 25, 25') unterschreitet (L_N < 2·(e + R_R)), die jedoch mindestens so groß ist, dass die Eckradien (E_E) der elliptischen Kulissenbahn größer als der Wälzradius (R_R) der Antriebsrolle (17, 17', 17'', 25, 25') sind.
Doppelkolbenkompressor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptachse (H) der Kulissenbahn (16.1, 16.3–16.7) der Kulissenführung (14.1, 14.4–14.12) senkrecht zu der Mittelachse (11) der Kolbenstange (10) ausgerichtet ist.
Doppelkolbenkompressor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptachse (H') der Kulissenbahn (16.2) der Kulissenführung (14.2) gegenüber einer Senkrechten (23) auf der Mittelachse (11) der Kolbenstange (10) in der Drehrichtung (21) der Antriebswelle (12) geneigt ist.
Doppelkolbenkompressor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptachse (H') der Kulissenbahn (16.2) der Kulissenführung (14.3) gegenüber der Senkrechten (23) auf der Mittelachse (11) der Kolbenstange (10) entgegen der Drehrichtung (21) der Antriebswelle (12) geneigt ist.
Doppelkolbenkompressor nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Neigungswinkel (α) der Hauptachse (H') der Kulissenbahn (16.2) gegenüber einer Senkrechten (23) auf der Mittelachse (11) der Kolbenstange (10) maximal 45° beträgt.
Doppelkolbenkompressor nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kulissenbahn (16.1, 16.2, 16.4–16.7) der Kulissenführung (14.1–14.3, 14.5–14.12) mit gleich langen Halbachsen der Nebenachse (N) symmetrisch ausgebildet ist.
Doppelkolbenkompressor nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kulissenbahn (16.3) der Kulissenführung (14.4) mit unterschiedlich langen Halbachsen der Nebenachse (N') asymmetrisch ausgebildet ist.
Doppelkolbenkompressor nach einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptachse (H, H') der Kulissenbahn (16.1–16.5, 16.7) eine Länge (L_H, L_H') aufweist, welche die Summe aus der doppelten Exzentrizität (e) und dem doppelten Wälzradius (R_R) der Antriebsrolle (17, 17'', 25, 25') dividiert durch den Kosinus des Neigungswinkels (α) der Hauptachse (H, H') gegenüber einer Senkrechten (23) auf der Mittelachse (11) der Kolbenstange (10) geringfügig unterschreitet (L_H < 2·(e + R_R)/cosα[cosα = 0]; L_H' < 2·(e + R_R)/cosα).
Doppelkolbenkompressor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Kolben (5, 8) über jeweils einen Dichtungsring (6, 9) in den Zylindern (4, 7) geführt sind, die vorzugsweise als aus einem federelastischen Material bestehende Dichtmanschetten ausgebildet sind.
Doppelkolbenkompressor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtungsringe (6, 9) eine Bewegung der Kolben (5, 8) senkrecht zur Mittelachse (11) erlauben.
Doppelkolbenkompressor nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die radial innere Fläche (40.4) der Ausnehmung (15) mit einer federelastischen Schicht (24) belegt ist, die die Kulissenbahn (16.4) der Kulissenführung (14.5) bildet.
Doppelkolbenkompressor nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenwand der Antriebsrolle (25') mit einer federelastischen Schicht (24') belegt ist.
Doppelkolbenkompressor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die federelastische Schicht (24) der Kulissenbahn (16.4) der Kulissenführung (14.5) aus Gummi besteht.
Doppelkolbenkompressor nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die federelastische Schicht (24') der Außenwand der Antriebsrolle (25') aus Gummi besteht.
Doppelkolbenkompressor nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein mittlerer Abschnitt der Kulissenbahn (16.5) der Kulissenführung (14.7, 14.8) selbsttätig lastabhängig ausbuchtbar ausgebildet ist.
Doppelkolbenkompressor nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Wand (29) des mindestens einen mittleren Abschnitts der Kulissenbahn (16.5) federelastisch ausgebildet ist und einen Hohlraum (30) der Kolbenstange (10) überspannt.
Doppelkolbenkompressor nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Wand (31) des mindestens einen mittleren Abschnitts der Kulissenbahn (16.5) biegeelastisch ausgebildet ist und einen Hohlraum (30) der Kolbenstange (10) überspannt, in dem mindestens eine mit der betreffenden Wand (31) in Kontakt stehende Druckfeder (32) angeordnet ist.
Doppelkolbenkompressor nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Kulissenbahn (16.1–16.5) der Kulissenführung (14.1–14.8, 14.11, 14.12) im Längsprofil eben ausgebildet ist, und dass die Antriebsrolle (17, 25, 25') eine zylindrische Außenwand aufweist, über welche die Antriebsrolle (17, 25, 25') auf der Kulissenbahn (16.1–16.5) abwälzt.
Doppelkolbenkompressor nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Kulissenbahn (16.6) der Kulissenführung (14.9) mit einer umlaufenden Innenverzahnung (33) versehen ist, und dass die Antriebsrolle (17') an ihrer Außenwand eine Außenverzahnung (34) mit gleicher Zahnteilung aufweist, über deren Wälzkreis die Antriebsrolle (17') auf dem Wälzkreis der Innenverzahnung (33) der Kulissenbahn (16.6) abwälzt.
Doppelkolbenkompressor nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Kulissenbahn (16.7) der Kulissenführung (14.10) mit einem umlaufenden Innensteg (35) versehen ist, und dass die Antriebsrolle (17'') in ihrer Außenwand eine umlaufende Ringnut (36) aufweist, in die der Innensteg (35) der Kulissenbahn (16.7) zur axialen Führung der Antriebsrolle (17'') eingreift.
Doppelkolbenkompressor nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsrolle (17, 17, 17'') über ein Wälzlager (18, 18', 18'') oder ein Gleitlager drehbar auf einem Lagerbolzen (20, 20') gelagert ist, der exzentrisch an der Antriebswelle (12) befestigt ist.
Doppelkolbenkompressor nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsrolle (17, 17', 17'') durch einen Außenring (19, 19', 19'') des Wälzlagers (18, 18', 18'') oder durch eine Buchse des Gleitlagers gebildet ist.
Doppelkolbenkompressor nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsrolle (25, 25') als eine zylindrische Scheibe ausgebildet und starr mit einem zentralen Lagerbolzen (26) verbunden ist, der über ein Wälzlager oder ein Gleitlager (27) drehbar in einer exzentrisch an der Antriebswelle (12) angeordneten Lagerbohrung (28) gelagert ist.
Doppelkolbenkompressor nach einem der Ansprüche 24 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass der Lagerbolzen (20') der Antriebsrolle (17) oder die Antriebsrolle (25) selbst mit einem zentralen äußeren Lagerschaft (37, 40) versehen ist, der über ein Wälzlager (38) oder ein Gleitlager radial außen auf einem gehäuseseitig befestigten, koaxial zu der Drehachse (13) der Antriebswelle (12) ausgerichteten Lagerzapfen (39) abgestützt ist.