DE10158732B4 - Antriebsorgan für eine Wasserpumpe des Kühlwasserkreislaufes eines Verbrennungsmotors sowie Reibschaltkupplung - Google Patents

Antriebsorgan für eine Wasserpumpe des Kühlwasserkreislaufes eines Verbrennungsmotors sowie Reibschaltkupplung Download PDF

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Abstract

Antriebsorgan (1) für eine Wasserpumpe des Kühlwasserkreislaufs eines Verbrennungsmotors mit einem Antriebsrad (7) und einer Welle (4), die mit der Wasserpumpe gekoppelt ist, wobei zur Momentenübertragung zwischen Antriebsrad (7) und Welle (4) eine elektromagnetisch betätigbare Reibscheibenkupplung (9, 10, 11, 12) sowie eine zweite Kupplungsvorrichtung in Form einer Wirbelstromkupplung (14) vorgesehen ist, die die Welle (4) bei sich außer Eingriff befindender Reibscheibenkupplung (9, 10, 11, 12) mitschleppt und das Antriebsrad als Keilriemenscheibe (7) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Reibscheibenkupplung (9, 10, 11, 12) und die Wirbelstromkupplung (14) in axialer Richtung im Bereich der Breite (b) der Keilriemenscheibe (7) liegen.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Antriebsorgan für eine Wasserpumpe des Kühlwasserkreislaufes eines Verbrennungsmotors sowie eine Reibschaltkupplung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. 7.
  • Verbrennungsmotoren weisen regelmäßig einen Kühlwasserkreislauf auf, um diesen auf einer günstigen Betriebstemperatur zu halten. Für einen effektiven Wärmetransport ist es erforderlich, dass das Wasser im Kühlkreislauf ständig in Bewegung gehalten wird. Hierzu wird im Allgemeinen eine vom Motor permanent angetriebene Wasserpumpe eingesetzt, die für eine ständige Zirkulation des Wassers im Kühlwasserkreislauf sorgt.
  • Das fortwährende Mitlaufen der Kühlwasserpumpe beim Betrieb des Verbrennungsmotors hat aber nicht nur einen Verschleiß der Kühlwasserpumpe zur Folge, sondern erhöht auch den Kraftstoffverbrauch des Verbrennungsmotors.
  • Die DE 42 07 709 A1 betrifft zum Beispiel eine elektromagnetisch betätigbare Reibscheibenkupplung, welche insbesondere zum Antrieb einer zentralen Welle eine Riemenscheibe vorschlägt, wobei zur Bereitstellung eines variablen Antriebs die elektromagnetisch betätigbare Reibscheibenkupplung eine zusätzliche Wirbelstromkupplung aufweist, die gemeinsam mit einer Ankerscheibe der Elektromagnetkupplung auf die Welle wirkt.
  • Die DE 35 04 193 A1 zeigt eine elektromagnetische Kupplung mit einem Sensor zur Erfassung der Drehgeschwindigkeit, bestehend aus einem ringförmigen, festen Elektromagneten und einem mit einer Transmission verbundenen und mit einem der Geräte mittels eines magnetisierbaren Ankers verbindbaren Rotor.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Antrieb einer Kühlwasserpumpe bei Verbrennungsmotoren effektiver zu gestalten.
  • Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 und 7 gelöst.
  • In den Unteransprüchen sind vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung angegeben.
  • Die Erfindung geht von einem Antriebsorgan für eine Wasserpumpe des Kühlwasserkreislaufs eines Verbrennungsmotors mit einem Antriebsrad und einer Welle aus, die mit der Wasserpumpe gekoppelt ist, wobei zur Momentenübertragung zwischen Antriebsrad und Welle eine elektromagnetisch betätigbare Reibscheibenkupplung sowie eine zweite Kupplungsvorrichtung in Form einer Wirbelstromkupplung vorgesehen ist, die die Welle bei sich außer Eingriff befindender Reibscheibenkupplung mitschleppt und das Antriebsrad als Keilriemenscheibe ausgebildet ist.
  • Der Kern der Erfindung liegt darin, dass die Reibscheibenkupplung und die Wirbelstromkupplung in axialer Richtung im Bereich einer Breite der Keilriemenscheibe liegen. Durch diese Vorgehensweise wird bei "aktivierter" Reibscheibenkupplung die Wasserpumpe, wie aus dem Stand der Technik bekannt, mit einer vorgegebenen Motordrehzahl angetrieben. Es ist jedoch auch möglich bei ausgeschalteter Reibscheibenkupplung die Wasserpumpe mit einer wesentlich geringeren Schleppdrehzahl zu betreiben. Die geringere Schleppdrehzahl hat gegenüber einer permanenten Zuschaltung der Wasserpumpe mit einer vorgegebenen Motordrehzahl nicht nur den Vorteil, dass sie einem geringeren Verschleiß unterliegt, sondern dass sich zudem Kraftstoff einsparen lässt. Die Erfindung macht sich dabei die Erkenntnis zunutze, dass der Kühlwasserbedarf eines Kühlwassersystems eines Verbrennungsmotors in z. B. einem Fahrzeug lediglich in ca. 50% der Betriebszeit eine maximale Drehzahl der Kühlwasserpumpe erforderlich macht. In kälteren Klimazonen ist dieser Prozentsatz noch deutlich kleiner. In der sonstigen Betriebszeit des Fahrzeugs ist eine "100%-Drehzahl" (bezogen auf die Drehzahl z. B. einer die Wasserpumpe antreibenden Keilriemenscheibe) der Wasserpumpe nicht erforderlich. Eine wesentlich geringere Drehzahl ist vollkommen ausreichend. Ein völliges Abschalten der Wasserpumpe ist aber nicht zulässig, da sonst Wärmenester im Motorkühlkreislauf entstehen können. Eine hierdurch erforderliche Zwangsumwälzung des Kühlwassers wird bei "deaktivierter" Reibscheibenkupplung durch die Wirbelstromkupplung realisiert.
  • Um eine besonders effektive magnetische Kupplung der elektromagnetisch betätigten Reibscheibenkupplung zu erhalten, wird vorgeschlagen, dass das Antriebsrad einen kreisringförmigen Scheibenabschnitt aufweist, wobei auf einer Seite des Schreibenabschnitts ein stationärer Elektromagnet der Reibscheibenkupplung und auf der gegenüberliegenden Seite des Scheibenabschnitts eine axial verschiebbar gelagerte Ankerscheibe angeordnet ist, über die das Antriebsrad und die Welle kraftschlüssig verbindbar sind.
  • In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Ankerscheibe an einem zum Antriebsrad konzentrischen Rotor angeordnet, der mit der Welle in einer drehfesten Verbindung steht, wobei die Ankerscheibe durch Federmittel im stromlosen Zustand des Elektromagneten vom kreisringförmigen Scheibenabschnitt getrennt ist. Hingegen liegt die Ankerscheibe bei bestromtem Elektromagneten gegen die Kraft der Federmittel an dem Scheibenabschnitt an, womit die Welle und das Antriebsrad kraftschlüssig verbunden sind. Dies stellt eine Betriebsweise dar, bei der durch Bestromung des Elektromagneten die Wasserpumpe mit der gleichen Drehzahl wie das Antriebsrad läuft, nämlich der oben angegebenen "100%-Drehzahl".
  • Bei einer alternativen Ausführungsform ist die Ankerscheibe am Antriebsrad angeordnet und wird durch Federmittel im stromlosen Zustand des Elektromagneten auf den Rotor gedrückt, der mit der Welle drehfest verbunden ist, womit eine kraftschlüssige Verbindung von Antriebsrad und Welle besteht. Hingegen ist im bestromten Zustand durch den magnetischen Fluss des Elektromagneten die Ankerscheibe vom Rotor getrennt. Das hat den Vorteil, dass beim Abschalten des Elektromagneten, z. B. durch eine Störung der elektrischen Stromversorgung des Elektromagneten, die Kühlwasserpumpe immer mit ihrer Maximaldrehzahl zugeschaltet ist. Somit ist eine sogenannte "Fail-Safe-Kupplung" realisiert.
  • Der Rotor, der mit der Welle drehfest verbunden ist, kann in einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung als Lüfterrad ausgestaltet sein. Damit wird eine Luftkühlung zur Abführung von Verlustwärme der Wirbelstromkupplung bei deaktivierter Reibscheibenkupplung realisiert.
  • In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das Antriebsrad als Keilriemenscheibe ausgebildet, wobei die Reibscheibenkupplung und die Wirbelstromkupplung in axialer Richtung im Bereich der Breite der Keilriemenscheibe liegen. Vorteilhafterweise sind die Kupplungskomponenten innerhalb der Breite der Keilriemenscheibe angeordnet. Vorzugsweise ist die Wirbelstromkupplung konzentrisch zur Reibscheibenkupplung ausgebildet, wobei ein Luftspalt der Wirbelstromkupplung und die Ankerscheibe der Reibscheibenkupplung ungefähr in einer Ebene liegen. Durch diese Vorgehensweise ist ein besonders kompakter Aufbau der gesamten Kupplungsanordnung zwischen Antriebsrad und Welle möglich. Damit kann eine leichte Integration der Kupplungsanordnung in bestehende Systeme erfolgen, ohne dass größere konstruktive Änderungen erforderlich wären. Insbesondere lässt sich die Kupplungsanordnung durch die Positionierung von Reibscheibenkupplung und Wirbelstromkupplung in Systeme einbauen, ohne dass z. B. der Durchmesser einer Keilriemenscheibe oder die Riemenspur verändert werden müsste. Außerdem wird durch die konzentrische und in einer Ebene liegende Positionierung von Kupplungsabschnitten kein zusätzlicher axialer Raum benötigt.
  • Die kompakte Bauweise wird darüber hinaus noch unterstützt, indem das Antriebsrad, z. B. eine Keilriemenscheibe mittels einer Hohlwelle drehbar über der Welle für die Wasserpumpe gelagert ist.
  • Die raumsparende geometrische Anordnung der Reibscheiben- und Wirbelstromkupplung im Hinblick auf das Antriebsrad, z. B. eine Keilriemenscheibe, kann auch vorteilhaft als kompakte Konstruktionslösung für die Momentenübertragung zwischen einem Antriebsrad und einem anderen anzutreibenden sich drehenden Teil eines Verbrennungsmotors eingesetzt werden.
  • Zeichnungen
  • Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und unter Angabe weiterer Vorteile und Einzelheiten näher erläutert. Es zeigen
  • 1a eine Keilriemenscheibe mit Lüfterrad auf einer Wasserpumpenantriebswelle in einer Draufsicht,
  • 1b die Keilriemenscheibe mit Lüfterrad gemäß 1a in einer Schnittansicht entlang der Schnittlinie A-A an einem nicht geschnittenen Motorblockabschnitt angeordnet und
  • 2 eine alternative Ausführungsform einer Reibscheibenkupplung zwischen Keilriemenscheibe und Lüfterrad in einer geschnittenen Teilansicht.
  • Beschreibung der Ausführungsbeispiele
  • Das Antriebsorgan 1 für eine Wasserpumpe (nicht dargestellt) des Kühlwasserkreislaufs eines Verbrennungsmotors umfasst ein Lüfterrad 3 (z. B. aus Aluminium), das drehfest, hier beispielhaft über eine Schraube 18, mit einer Antriebswelle 4 der Kühlwasserpumpe verbunden ist. Auf einer Hülse 5 des Lüfterrads 3, in welche der vordere Bereich der Antriebswelle 4 eingeschoben ist, ist mittels eines Kugellagers 6 eine Keilriemenscheibe 7 über eine Hohlwelle 8 drehbar gelagert.
  • An einem Pumpengehäuse 2 des Motorblocks ist ein ringförmiger Stator 9 fest positioniert, in dessen ringförmiger Nut 10 ein ebenfalls ortsfester Elektromagnet 11 angeordnet ist. Die Leitungsführung zum Elektromagnet 11 ist nicht dargestellt.
  • Im Bereich des Elektromagneten 11 ist die Keilriemenscheibe als ringförmiger Scheibenabschnitt 7a ausgebildet. Auf der zum Elektromagneten 11 gegenüberliegenden Seite des Scheibenabschnitts ist eine Ankerringscheibe 12 am Lüfterrad 3 positioniert.
  • Für den Fall, dass der Elektromagnet 11 nicht bestromt ist, wird die Ankerringscheibe 12 über Federmittel (nicht dargestellt) entlang von zur Antriebswelle 4 parallel verlaufenden Führungselementen (nicht dargestellt) an das Lüfterrad 3 gezogen, so dass zwischen dem ringförmigen Scheibenabschnitt 7a der Keilriemenscheibe 7 und der Ankerringscheibe 12 ein Luftspalt 13 vorhanden ist.
  • Das hat zur Folge, dass eine Drehung der Keilriemenscheibe 7 nicht unmittelbar auf das Lüfterrad 3 und damit die Kühlwasserpumpe übertragen wird.
  • In diesem Fall kommt die radial innerhalb der Ankerringscheibe 12 ausgebildete Wirbelstromkupplung 14 zur Wirkung.
  • Diese umfasst eine in das Lüfterrad 3 aus Aluminium eingegossene Stahlringscheibe 15 sowie an der Keilriemenscheibe 7 ringförmig angeordnete Permanentmagnete 16. Die Permanentmagnete 16 weisen zum Lüfterrad 3 in axialer Richtung einen geringen Abstand auf, so dass sich das Lüfterrad im Hinblick auf die Permanentmagnete berührungsfrei drehen kann. Bei einer Relativbewegung der Permanentmagnete 16 zur Stahlringscheibe 15 im Lüfterrad 3 werden Wirbelströme in der Stahlringscheibe 15 induziert, die ein Magnetfeld zur Folge haben, dass der permanentmagnetischen Ursache entgegenwirkt. Damit wird eine berührungsfreie Drehmomentübertragung von der Keilriemenscheibe 7 auf das Lüfterrad 3 und damit über die Antriebswelle 4 auf die Kühlwasserpumpe geschaffen.
  • Entsprechend dem Wirbelstromprinzip dreht sich das Lüfterrad 3 im Vergleich zur Keilriemenscheibe 7 mit einer deutlich geringeren "Schleppdrehzahl". Diese reicht jedoch aus, die Kühlwasserpumpe in einer Weise zu betreiben, dass im Kühlwasserkreislauf eine Grundzirkulation aufrechterhalten wird, die in vielen Fällen völlig genügt.
  • Sofern eine höhere Drehzahl der Kühlwasserpumpe erforderlich ist, wird der Elektromagnet 11 bestromt, wodurch die Ankerringscheibe durch den magnetischen Fluss im Stator, im ringförmigen Scheibenabschnitt 7a und in der Ankerringscheibe 12 an den ringförmigen Scheibenabschnitt 7a gezogen wird, bis die Ankerringscheibe 12 vollständig an der Keilriemenscheibe 7 anliegt und deren Drehzahl annimmt. In diesem Zustand ist die Kühlwasserpumpe kraftflüssig über die Reibfläche der Ankerringscheibe 12 mit der Oberfläche des ringförmigen Scheibenabschnitts 7a und damit mit der Keilriemenscheibe 7 verbunden.
  • In 2 ist eine alternative Möglichkeit der Anordnung einer Ankerringscheibe dargestellt. Alle übrigen Elemente entsprechen der Ausgestaltung gemäß 1a und 1b und sind daher mit gleichen Bezugszeichen versehen.
  • Die andere Anordnung einer Ankerringscheibe 20 hat eine etwas andere Ausführung des Aluminiumlüfterrades zur Folge, das daher ein eigenes Bezugszeichen 21 erhält.
  • Bei dieser Ausführungsform ist die Ankerringscheibe über z. B. eine Schrauben- oder Nietverbindung 22 derart am ringförmigen Scheibenabschnitt 7a der Keilriemenscheibe 7 angeordnet, dass diese zwar drehfest positioniert ist, sich aber in axialer Richtung der Schrauben- oder Nietenverbindung 22 bewegen kann. Zwischen dem ringförmigen Scheibenabschnitt 7a und der Ankerscheibe 20 ist eine Druckfeder 23 angeordnet, die die Ankerscheibe 20 im unbestromten Zustand des Elektromagneten 11 gegen einen verschleißfesten Reibbelag 24 am Lüfterrad 21 drückt. Dadurch wird im unbestromten Zustand des Elektromagneten 11 die Keilriemenscheibe 7 über den Reibbelag 24 kraftschlüssig mit dem Lüfterrad 21 und damit über die Antriebswelle 4 mit der Kühlwasserpumpe verbunden.
  • Bei bestromtem Elektromagneten 11, wird ein magnetisches Feld im Stator 9, dem ringförmigen Scheibenabschnitt 7a und der Ankerringscheibe 20 ausgebildet. Da magnetische Feldlinien die Eigenschaft haben, sich verkürzen zu wollen, führt dies zu einer Kraftwirkung, die die Ankerscheibe entgegen der Druckfeder 23 an den ringförmigen Scheibenabschnitt 7a der Keilriemenscheibe 7 zieht. Damit löst sich die kraftschlüssige Verbindung zwischen Ankerringscheibe 20 und Reibfläche 24 des Aluminiumlüfterrades 21. Die Übertragung eines Drehmoments von der Keilriemenscheibe 7 findet nun wie bereits oben ausführt zwischen den Permanentmagneten 16 und der eingegossenen Stahlscheibe 8 im Aluminiumlüfterrad 21 mit entsprechender Wirkungsweise statt.
  • Die Ausführungsform gemäß 2 hat den Vorteil eine sogenannte "Fail-Safe-Kupplung" auszubilden. Das heißt ein Abschalten des Elektromagneten 11, z. B. aufgrund einer Störung in der elektrischen Versorgung des Elektromagneten 11, führt immer zur Zuschaltung der Kühlwasserpumpe auf maximal mögliche Drehzahl, was unter Zuverlässigkeitsaspekten von Bedeutung sein kann.
  • Bei beiden Ausführungsformen gemäß 1a, b sowie 2 sind die Kupplungselemente so angeordnet, dass sie in axialer Richtung die Breite b einer Keilriemenringauflage 17 nicht überschreiten. Dies wird dadurch erreicht, dass die Reibscheibenkupplung sowie die Wirbelstromkupplung 14 nicht nur konzentrisch, sondern auch so angeordnet sind, dass die Ankerringscheibe 12, 20 ungefähr in einer Ebene mit dem Luftspalt der Wirbelstromkupplung 14 liegt.
  • Dies ist von Bedeutung, um die Reibschaltkupplung zwischen Keilriemenscheibe 7 und Lüfterrad 3, 21 problemlos in bestehende Konzepte einfügen zu können, bei welchen z. B. ein Keilriemenrad fest mit einer Antriebswelle einer Kühlwasserpumpe verbunden ist.
    • 1
    Antriebsorgan
    2
    Pumpengehäuse des Motorblocks
    3
    Lüfterrad
    4
    Antriebswelle
    5
    Hülse
    6
    Kugellager
    7
    Keilriemenscheibe
    7a
    ringförmiger Scheibenabschnitt
    8
    Hohlwelle
    9
    Stator
    10
    Nut
    11
    Elektromagnet
    12
    Ankerringscheibe
    13
    Luftspalt
    14
    Wirbelstromkupplung
    15
    Stahlringscheibe
    16
    Permanentmagnet
    17
    Keilriemenringauflagen
    18
    Schraube
    20
    Ankerringscheibe
    21
    Lüfterrad
    22
    Schrauben- oder Nietverbindung
    23
    Druckfeder
    24
    Reibbelag

Claims (7)

  1. Antriebsorgan (1) für eine Wasserpumpe des Kühlwasserkreislaufs eines Verbrennungsmotors mit einem Antriebsrad (7) und einer Welle (4), die mit der Wasserpumpe gekoppelt ist, wobei zur Momentenübertragung zwischen Antriebsrad (7) und Welle (4) eine elektromagnetisch betätigbare Reibscheibenkupplung (9, 10, 11, 12) sowie eine zweite Kupplungsvorrichtung in Form einer Wirbelstromkupplung (14) vorgesehen ist, die die Welle (4) bei sich außer Eingriff befindender Reibscheibenkupplung (9, 10, 11, 12) mitschleppt und das Antriebsrad als Keilriemenscheibe (7) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Reibscheibenkupplung (9, 10, 11, 12) und die Wirbelstromkupplung (14) in axialer Richtung im Bereich der Breite (b) der Keilriemenscheibe (7) liegen.
  2. Antriebsorgan nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebsrad (7) einen kreisringförmigen Scheibenabschnitt (7a) aufweist, wobei auf einer Seite des Scheibenabschnitts (7a) ein stationärer Elektromagnet (11) der Reibscheibenkupplung und auf der gegenüberliegenden Seite des Scheibenabschnitts (7a) eine axial verschiebbar gelagerte Ankerscheibe (12, 20) angeordnet ist, über die das Antriebsrad (7) und die Welle (4) kraftschlüssig verbindbar sind.
  3. Antriebsorgan nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ankerscheibe (12) an einem zum Antriebsrad (7) konzentrischen Rotor (3) angeordnet ist, der mit der Welle (4) in einer drehfesten Verbindung steht und dass die Ankerscheibe (12) durch Federmittel im stromlosen Zustand des Elektromagneten (11) vom kreisförmigen Scheibenabschnitt (7a) getrennt ist, hingegen bei bestromten Elektromagneten (11) gegen die Kraft der Federmittel am Scheibenabschnitt (7a) anliegt, womit die Welle (4) und das Antriebsrad (7) kraftschlüssig verbunden sind.
  4. Antriebsorgan nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ankerscheibe (20) am Antriebsrad (7) angeordnet ist und dass die Ankerscheibe (20) durch Federmittel (23) im stromlosen Zustand des Elektromagneten (11) auf den Rotor (21) drückt, der mit der Welle (4) drehfest verbunden ist und somit das Antriebsrad (7) kraftschlüssig mit der Welle (4) verbindet, wogegen im bestromten Zustand durch den magnetischen Fluss des Elektromagneten (11) die Ankerscheibe (20) vom Rotor (21) getrennt ist.
  5. Antriebsorgan nach Anspruch 1, das außerdem einen Rotor umfasst, der als auf der Welle angeordnetes Lüfterrad (3, 21) ausgestaltet ist.
  6. Antriebsorgan nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebsrad (7) mittels einer Hohlwelle (8) an die Welle (4) gekoppelt ist.
  7. Reibschaltkupplung für einen Verbrennungsmotor zur Momentenübertragung zwischen einem Antriebsrad (7) und einem anzutreibenden sich drehenden Teil (3, 21) mit einer Reibscheibenkupplung (9, 10, 11, 12) und einer zweiten Kupplungsvorrichtung in Form einer Wirbelstromkupplung (14), die das anzutreibende Teil (3, 21) mitschleppt, wenn die Reibscheibenkupplung (9, 10, 11, 12) außer Eingriff ist, wobei die Reibscheibenkupplung (9, 10, 11, 12) und die Wirbelstromkupplung (14) konzentrisch zur Drehachse des Antriebsrades (7) positioniert sind und dass das Antriebsrad als Keilriemenscheibe (7) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Reibscheibenkupplung (9, 10, 11, 12) und die Wirbelstromkupplung (14) in axialer Richtung im Bereich der Breite (b) einer Keilriemenringauflage (17) der Keilriemenscheibe (7) liegen.
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