DE102010005936A1

DE102010005936A1 - Vorrichtung für eine Pumpe sowie Wasserpumpe

Info

Publication number: DE102010005936A1
Application number: DE102010005936A
Authority: DE
Inventors: Andreas Dr. 88069 Wolf; Rainer Dr. 88633 Krafft
Original assignee: Licos Trucktec GmbH
Current assignee: Licos Trucktec GmbH
Priority date: 2010-01-26
Filing date: 2010-01-26
Publication date: 2011-07-28
Also published as: EP2354552A2; EP2354552A3; US20110182757A1

Abstract

Es wird eine Vorrichtung für eine Pumpe, insbesondere Wasserpumpe eines Kraftfahrzeugs mit einem rotierenden anzutreibenden Pumpenrad (2) und einer schaltbaren Kupplungsanordnung zum schaltbaren Verbinden des Pumpenrads (2) mit einer Antriebsseite vorgeschlagen. Erfindungsgemäß ist das Pumpenrad (2) auf einer rotierbaren Antriebswelle (1) drehbar gelagert ist.

Description

Stand der Technik
Aus der europäischen Patentanmeldung EP 2 105 624 ist eine elektromagnetisch betätigbare Kupplung für eine Wasserpumpe des Kühlwasserkreislaufs eines Verbrennungsmotors mit einem Antriebsrad bekannt, das im Bereich oder an der Wasserpumpe drehbar gelagert werden kann sowie mit einer Ankerscheibe, die mit einer Spule zusammen wirkt. Die Kupplung ist derart aufgebaut, dass eine so genannte ”fail safe”-Anordnung geschaffen ist, bei welcher ein Antrieb einer Wasserpumpe über die Kupplung auch im stromlosen Zustand der Spule möglich ist, wenn zum Beispiel ein Ausfall der elektrischen Spannungsversorgung stattfindet.
Aufgabe und Vorteile der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung für eine Pumpe, insbesondere Wasserpumpe eines Kfz mit Kupplungsanordnung bereitzustellen, so dass eine schaltbare Pumpe mit kompaktem Aufbau entsteht.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 oder 12 gelöst.
In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung angegeben.
Die Erfindung geht von einer Vorrichtung für eine Pumpe eines Kfz, insbesondere eine Wasserpumpe, zum Beispiel für den Kühlwasserkreislauf eines Verbrennungsmotors aus. Die Pumpe umfasst ein rotierendes anzutreibendes Pumpenrad und eine schaltbare Kupplungsanordnung zum schaltbaren Verbinden des Pumpenrads mit einer Antriebsseite. Der Kern der Erfindung liegt nun darin, dass das Pumpenrad auf einer rotierbaren Antriebswelle drehbar gelagert ist, so dass eine Relativbewegung zwischen Pumpenrad und Antriebswelle stattfinden kann. Damit kann sich das Pumpenrad auf Antriebswelle drehen. Durch diese Maßnahme wird es möglich, eine Kupplungsanordnung zumindest zum Teil in einfacher Weise in eine Pumpe, insbesondere innerhalb eines Pumpengehäuses zu integrieren. Die Lagerung des Pumpenrades auf der Antriebswelle kann über Wälzlager oder Gleitlager erfolgen. Vorzugsweise wird ein kostengünstiges Gleitlager eingesetzt, da die Betriebszeit, in welcher das Pumpenrad durch eine entsprechend geschaltete Kupplung eine deutlich kleinere Drehzahl aufweist als die Antriebswelle im Vergleich zur Gesamtnutzungszeit klein ist. Ein etwaig erhöht auftretender Verschleiß eines Gleitlagers im Vergleich zu einem Wälzlager ist daher beherrschbar.
In einem eingekuppelten Zustand der Kupplung weist das Pumpenrad vorzugsweise die Drehzahl der Antriebswelle oder eine zumindest annähernde Drehzahl der Antriebswelle auf. Im Idealfall besteht jedoch kein Schlupf zwischen Antriebswelle und Pumpenrad. Im ausgekuppelten Zustand entsteht zumindest eine Relativdrehzahl zwischen dem Pumpenrad und einer nach wie vor sich drehenden Antriebswelle. Vorzugsweise befindet sich das Pumpenrad im Stillstand oder durch nach wie vor herrschende Reibkräfte in einem Zustand mit einer geringen Schleppdrehzahl.
Zur Erzeugung eines ausgekuppelten und eingekuppelten Zustands des Pumpenrads wird im Weiteren vorgeschlagen, dass das Pumpenrad auf der Antriebswelle axial verschiebbar ist. Damit ist es denkbar, dass ein Reibabschnitt des Pumpenrads durch axiale Verschiebung mit Reibmitteln zusammen wirkt, die drehfest an der Antriebswelle angeordnet sind.
Zur Erzeugung von Schaltzuständen der Kupplungsanordnung wird überdies vorgeschlagen, dass eine elektromagnetische Spule vorgesehen ist, die in einem bestromten Zustand auf ein magnetisch leitendes Ankerelement wirkt. Vorteilhaftersweise ist ein Ankerelement innerhalb eines Pumpengehäuses angeordnet. Die elektromagnetische Spule kann für einen kompakten und kostengünstigen Aufbau ebenfalls innerhalb des Pumpengehäuses angeordnet werden. Denkbar ist jedoch auch eine Anordnung außerhalb des Pumpengehäuses, was Vorteile im Hinblick auf eine elektrische Versorgung der Spule mit sich bringt.
Im Weiteren ist es bevorzugt, wenn das Ankerelement durch eine elektromagnetische Einwirkung der Spule axial bewegbar ist, wobei durch eine sich einstellende axiale Position des Ankerelements der Schaltzustand des Pumpenrades vorgebbar ist. Hierdurch lässt sich zum Beispiel das Pumpenrad axial bewegen oder das Ankerelement bewegt ein weiteres Element, das auf das Pumpenrad zur Erzeugung eines Schaltzustands einwirkt.
Zur Übertragung eines Drehmoments der Antriebswelle auf das Pumpenrad wird in einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgeschlagen, dass drehfest an der Antriebswelle Kontaktmittel, insbesondere Reibmittel angeordnet sind, die für einen Kraft- und/oder Formschluss, insbesondere Kraftschluss mit einem Reibabschnitt an dem auf der Antriebswelle drehbaren Pumpenrad ausgelegt sind.
In diesem Zusammenhang ist es außerdem bevorzugt, wenn das Ankerelement und die Reibmittel derart aufeinander abgestimmt sind, dass ein Reibschluss zwischen Antriebswelle und Pumpenrad in Abhängigkeit von einer axialen Position des Ankerelements entsteht.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist ein Verschiebeorgan vorgesehen, mittels dem ein Kontaktabschnitt, zum Beispiel ein Reibabschnitt des Pumpenrades in Reibkontakt mit den Reibmitteln bringbar ist. Vorzugsweise wirkt das Verschiebeorgan, zum Beispiel eine Feder, insbesondere eine Druckfeder, in axiale Richtung auf das Pumpenrad bei einer nicht bestromten elektromagnetischen Spule, so dass ein Reibabschnitt des Pumpenrads gegen Reibmittel gedrängt wird, die drehfest mit der Antriebswelle verbunden sind. Auf diese Weise entsteht eine ”fail safe”-Anordnung, die ein sich drehendes Pumpenrad auch dann gewährleistet, wenn an einem laufenden Verbrennungsmotor mit drehender Antriebswelle die Spannungsversorgung für die elektromagnetische Spule ausfällt. Insbesondere bei dem Einsatz der Pumpe in einem Kühlwasserkreislauf eines Verbrennungsmotors kann hierdurch eine hohe Betriebssicherheit gewährleistet werden.
Außerdem vorteilhaft ist es, wenn das Ankerelement an einem Federelement angeordnet, das drehfest mit der Antriebswelle in Verbindung steht, wobei das Federelement dazu ausgelegt ist, auf das Pumpenrad eine axiale Druckwirkung auszuüben. Damit wird ebenfalls in einem nicht bestromten Zustand der elektromagnetischen Spule, bei welchem keine Kraftwirkung auf das Ankerelement auftritt, ein Reibschluss zwischen einem an dem Federelement angeordneten Reibmittel und einem entsprechenden Reibabschnitt am Pumpenrad ermöglicht, so dass eine ”fail safe”-Anordnung entsteht. Durch Bestromen der Spule kann zum Beispiel das Ankerelement axial derart versetzt werden, dass Reibmittel, die federnd gegen das Pumpenrad drücken, von diesem abgehoben werden, so dass das Pumpenrad auf der Antriebswelle frei oder im Wesentlichen frei drehen kann.
In einer außerdem bevorzugten Ausführungsform ist es vorteilhaft, wenn das Ankerelement am Pumpenrad angeordnet ist. Das Ankerelement kann auf der Ansaugseite oder auf der der Ansaugseite abgewandten Seite des Pumpenrades angebracht sein.
Über ein Verschiebeorgan, insbesondere ein Federelement kann bei nicht bestromter elektrischer Spule das Pumpenrad in einen eingekuppelten Zustand gedrängt werden.
Für eine definierte Positionierung des Pumpenrades ist es im Weiteren bevorzugt, wenn an der Antriebswelle für das Pumpenrad ein axialer Lageranschlag ausgebildet ist. Der Lageranschlag hat vorzugsweise die Funktionalität eines Drehlagers, so dass in einem Fall, in welchem das Pumpenrad mit axialer Druckkraft am Lageranschlag ansteht, und darüber hinaus zum Beispiel keine weiteren Reibkräfte von Reibmitteln erfährt, auch dann im Wesentlichen frei drehen kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfassen die Reibmittel auf der Antriebswelle ein Keilelement, das mit einem Reibabschnitt des Pumpenrads in Reibschluss bringbar ist. Auf diese Weise kann mit vergleichsweise geringer axialer Verschiebekraft durch einen ”Keilgetriebeeffekt” einer keilförmigen Reibfläche über Reibschluss das Pumpenrad auf die Drehzahl der Antriebswelle gebracht werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird vorzugsweise für Pumpen in einem Kfz, insbesondere Wasserpumpen eingesetzt. Bei Verbrennungsmotoren ist der bevorzugte Anwendungsfall die Wasserpumpe für den Kühlwasserkreislauf. Durch eine schaltbare Kühlwasserpumpe lässt sich der Motor schneller auf Betriebstemperatur bringen, wenn er aus dem kalten Zustand hochfährt. Dazu wird in dieser Phase des Motorbetriebs der Kühlwasserkreislauf durch Auskuppeln des Pumpenrads abgeschaltet. Sobald der Motor dann auf vorgegebener Betriebstemperatur ist, wird das Pumpenrad eingekoppelt, womit der Kühlwasserkreislauf in Gang kommt.
Figurenbeschreibung
Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden unter Angabe weiterer Vorteile und Einzelheiten nachfolgend näher erläutert.
Es zeigt:
1 in schematischer Darstellung eine teilweise geschnittene Seitenansicht von Teilen einer Kühlwasserpumpe mit Kupplungsanordnung und
2 und 3 in einer entsprechenden Darstellung zwei weitere Ausführungsformen für vergleichbare Teile.
In 1 sind Elemente einer Kühlwasserpumpe mit Kupplunganordnung innerhalb eines nicht dargestellten Pumpengehäuses abgebildet. Die Kühlwasserpumpe umfasst eine Pumpenwelle 1, auf der ein Pumpenrad 2 über eine sich axial und radial erstreckende Gleitbuchse 3 drehbar gelagert ist. Der radiale Abschnitt 3a der Gleitbuchse 3 kann an einem radialen Lageranschlag 4 zum Beispiel in Form einer Stahlscheibe anliegen. In den Lageranschlag kann vorzugsweise auch eine Gleitringdichtung oder eine ähnliche Dichtung integriert sein. Das Pumpenrad 2 ist wie in 1 dargestellt, vorzugsweise als Impeller ausgebildet, der von einem entsprechend geformten Gehäuse (nicht dargestellt) umgeben ist.
An der Antriebswelle drehfest montiert ist eine Druckfeder 5 mit einem Eingriffsabschnitt 6, der form- und/oder kraftschlüssig mit dem Pumpenrad 2 zusammenwirken kann. Vorliegend ist in das Pumpenrad 2 eine V-förmige bzw. keilförmige Nut 2a kreisringförmig eingebracht, in welcher der Eingriffabschnitt 6 einfährt, um zwischen dem entsprechend angepassten Eingriffsabschnitt 6 und der Nut 2a einen Reibschluss zu erzeugen.
Denkbar ist jedoch auch, dass der Eingriffsabschnitt 6 Formelemente aufweist, die zu entsprechenden Formelementen in der V-förmigen Nut 2a passen, so dass im eingekuppelten Zustand ein Formschluss entsteht.
Am Eingriffsabschnitt 6 ist ein magnetisch leitendes Ankerelement 7, zum Beispiel ein Ringelement angebracht, das mit einem Elektromagnet 8 zusammenwirkt. Der Elektromagnet 8 kann innerhalb oder außerhalb des Pumpengehäuses angebracht sein. Bei einer Anordnung außerhalb des Pumpengehäuses muss ein magnetischer Durchlass durch das Pumpengehäuse zum Ankerelement 7 gewährleistet sein, um eine magnetische Kraftwirkung auf das Ankerelement 7 ausüben zu können, wenn der Elektromagnet 8 bestromt ist.
Zur Bewegungsbegrenzung der Druckfeder 5, an welcher der Eingriffsabschnitt 6 und das Ankerelement 7 angeordnet sind, werden vorzugsweise Anschlagelemente, zum Beispiel in Form von fingerförmigen Anschlagelementen vorgesehen, die eine axiale Bewegung des Ankerelements 7 bei einer Anzugskraft durch den Elektromagneten 8 axial beschränken.
Die Funktion einer Wasserpumpenanordnung gemäß 1 stellt sich wie folgt dar:
Aufgrund dessen, dass im nicht bestromten Zustand des Elektromagneten 8 der Eingriffsabschnitt gegen das Pumpenrad 2 drückt, entsteht eine ”fail safe”-Anordnung, bei welcher im stromlosen Zustand über die Reibwirkung des Eingriffsabschnitts 6 das Pumpenrad auf der gleichen Drehzahl läuft, wie die Pumpenwelle 1.
Um das Pumpenrad ”auszukoppeln”, wird der Elektromagnet mit einer Spannung beaufschlagt, die in einer Anfangszeitspanne überhöht sein kann, um das Ankerelement gegen den Elektromagneten 8 zu ziehen. Damit löst sich der Reibschluss zwischen dem Eingriffsabschnitt 6 und der keilförmigen Nut 2 und das Pumpenrad ist danach frei drehbar auf der Pumpenwelle 1 gelagert. Die nicht dargestellten axialen Anschlagfinger im Bereich der Druckfeder 5 begrenzen den axialen Weg des Ankerelements 7, so dass dieses bei bestromtem Elektromagnet nicht zu Anlage am Elektromagnet 8 kommen kann.
In 2 ist eine Ausführungsform dargestellt, bei welcher die keilförmige Nut 2a und der Eingriffsabschnitt 6 durch ein Keilelement 9 ersetzt ist, das mit einer dazu passenden konusförmigen Ausnehmung 10 am Pumpenrad 2 zusammenwirkt. Ein Lageranschlag 11, der dem radialen Abschnitt 3a der Lagerbuchse 3 gegenüber liegt, ist axial bewegbar und wird durch eine Druckfeder in axialer Richtung gegen das Pumpenrad 2 gedrückt. Damit wird das Pumpenrad 2 axial in Richtung des Keilelements 9 verschoben, womit zwischen dem Keilelement 9 und der konusförmigen Ausnehmung 10 ein Reibschluss entsteht. In diesem Zustand läuft das Pumpenrad 2 vorzugsweise auf der gleichen Drehzahl wie die Pumpenwelle 1.
Das Reibmoment zwischen Pumpenrad 2 und Keilelement 9 treibt das Pumpenrad 2 an. Durch Bestromung des Elektromagneten 8 wird das Pumpenrad 2 über ein im oder am Pumpenrad 2 angeordnetes Ankerelement 13 in Richtung des Elektromagneten 8 gezogen und dadurch die Kraftübertragung zwischen dem Keilelement 9 und der konusförmigen Ausnehmung 10 gelöst. Das Ankerelement 13 kann zum Beispiel in das Pumpenrad 2 eingegossen sein. Das Pumpenrad wird gegen den Lageranschlag 11, zum Beispiel in Form einer Stahlscheibe gepresst, wobei dieser so ausgebildet ist, dass kein oder im Wesentlichen kein Antriebsmoment auf das Pumpenrad bei sich drehender Pumpenwelle 1 übertragen wird. In diesem Fall ist das Pumpenrad ausgekuppelt. Es findet keine Pumpwirkung statt.
In 3 ist eine Ausführungsform dargestellt, die analog zu der Ausführungsform nach 2 arbeitet, mit dem Unterschied dass die Elemente 8, 11, 12, 13 auf die Saugseite transferiert sind, wogegen das Keilelement 9 und die dazu passende konusförmige Ausnehmung 10 auf der der Ansaugseite 14 abgewandten Seite 15 angeordnet sind.
Entsprechend wie im Ausführungsbeispiel nach 2 wird im stromlosen Zustand des Elektromagneten 8 durch die Druckfeder 12 das Pumpenrad 2 gegen das Keilelement 9 gedrückt, womit das Antriebsmoment der Pumpenwelle 1 auf das Pumpenrad 2 durch Reibschluss übertragbar ist. Durch Bestromung des Elektromagneten 8 kann das Pumpenrad 2 ausgekuppelt werden, in dem über das Ankerelement 13 das Pumpenrad 2 vom Keilelement 9 weggezogen wird, mittels einer Axialbewegung des Pumpenrads 2 auf der Pumpenwelle 1. Dies stellt den ausgekuppelten Zustand dar.
Bezugszeichenliste

1: Pumpenwelle
2: Pumpenrad
2a: Nut
3: Lagerbuchse
3a: radialer Abschnitt
4: Lageranschlag
5: Druckfeder
6: Eingriffsabschnitt
7: Ankerelement
8: Elektromagnet
9: Keilelement
10: konusförmige Ausnehmung
11: Lageranschlag
12: Druckfeder
13: Ankerelement
14: Ansaugseite
15: abgewandte Seite

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2105624 [0001]

Claims

Vorrichtung für eine Pumpe eines Kraftfahrzeugs, insbesondere Wasserpumpe mit einem rotierenden anzutreibenden Pumpenrad (2) und einer schaltbaren Kupplungsanordnung zum schaltbaren Verbinden des Pumpenrads (2) mit einer Antriebsseite, dadurch gekennzeichnet, dass das Pumpenrad (2) auf einer rotierbaren Antriebswelle (1) drehbar gelagert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Pumpenrad (2) auf der Antriebswelle (1) axial verschiebbar angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine elektromagnetische Spule (8) vorgesehen ist, die in einem bestromten Zustand auf ein magnetisch leitendes Ankerelement (7, 13) wirkt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ankerelement (7, 13) durch eine magnetische Einwirkung der Spule (8) axial bewegbar ist, wobei durch eine sich einstellende axiale Position des Ankerelements (7, 13) der Schaltzustand des Pumpenrades (2) vorgebbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass drehfest an der Antriebswelle (1) Kontaktmittel (6, 9) angeordnet sind, die für einen Kraft- und/oder Formschluss mit einem Kontaktabschnitt (2a, 10) an dem auf der Antriebswelle drehbaren Pumpenrad ausgelegt sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ankerelement (7, 13) und die Kontaktmittel (6, 9) derart aufeinander abgestimmt sind, dass ein Kraft- und/oder Formschluss zwischen Antriebswelle und Pumpenrad in Abhängigkeit von einer axialen Position des Ankerelements (7, 13) vorgebbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verschiebeorgan (12) vorgesehen ist, mittels dessen ein Kontaktabschnitt (10) am Pumpenrad in Form- und/oder Reibschluss mit den Kontaktmitteln (9) bringbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ankerelement (7) an einem Federelement (5) angeordnet ist, das drehfest mit der Antriebswelle (1) in Verbindung steht, wobei das Federelement (5) dazu ausgelegt ist, auf das Pumpenrad axial zu drücken.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ankerelement (13) am Pumpenrad angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der Antriebswelle (1) für das Pumpenrad ein axial wirkender Lageranschlag (4, 11) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktmittel auf der Antriebswelle (1) ein Reibmittel in Form eines Keilelements (9) umfassen, das mit einem Reibabschnitt (10) des Pumpenrades (2) in Reibschluss bringbar ist.
Pumpe für ein Kfz, insbesondere Wasserpumpe mit einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche.