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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, insbesondere in einer Ausgestaltung als Strömungsmaschine. Die Vorrichtung umfasst ein Gehäuse, eine Achse, die mit einem Endabschnitt formschlüssig in einem Material des Gehäuses eingebettet ist, wobei der Endabschnitt außenseitig eine Nut aufweist, und einen Rotor, der drehbar auf der Achse gelagert ist.
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Eine solche Strömungsmaschine in einer Ausgestaltung als Kühlmittelpumpe ist in der
EP 2 273 123 A1 offenbart. Dabei stellt der Rotor sowohl einen Außenläufer eines Elektromotors als auch das Pumpenrad der Kühlmittelpumpe dar. Hierzu bildet das Gehäuse einen sogenannten Spalttopf aus, innerhalb dessen der Stator des Elektromotors angeordnet ist. Der ebenfalls topfförmige Rotor, der hauptsächlich aus Kunststoff ausgestaltet ist, umgibt den Spalttopf des Gehäuses sowohl stirnseitig als auch umfangsseitig, wobei an dem zylindrischen Umfangsabschnitt des Rotors Permanentmagnete angeordnet sind, die mit dem Stator magnetisch wechselwirken, um den rotatorischen Antrieb des Rotors zu bewirken. Zur Führung der Rotation des Rotors ist dieser drehbar auf einer Achse aus Metall gelagert und auf dieser in axialer Richtung bezüglich der Rotationsachse fixiert. Ein Endabschnitt der Achse ist in das Kunststoffmaterial des Spalttopfs eingebettet, wobei die Achse in diesem Endabschnitt eine umlaufende Nut aufweist, wodurch sich eine Formschlüssigkeit der Verbindung zwischen dem Gehäuse und der Achse bezüglich der Längsrichtungen der Achse ergibt. Durch diese formschlüssige Verbindung soll ein Lösen der Achse aus dem Gehäuse infolge von axialen Zugkräften, die im Betrieb der Kühlmittelpumpe auf den Rotor wirken und von diesem auf die Achse übertragen werden, vermieden werden.
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Bei der Verwendung einer Kühlmittelpumpe gemäß der
EP 2 273 123 A1 hat sich gezeigt, dass ein Lösen der Achse aus dem Gehäuse nicht zuverlässig vermieden wird.
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Eine elektrische Kühlmittelpumpe ist weiterhin aus der
DE 100 12 663 A1 bekannt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Lösen der Achse aus dem Gehäuse bei einer Pumpe gemäß der
EP 2 273 123 A1 wirksam zu verhindern.
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Diese Aufgabe ist bei einer Vorrichtung gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst. Diese Vorrichtung kann gemäß dem Patentanspruch 10 insbesondere als Strömungsmaschine und besonders bevorzugt als Pumpe, beispielsweise Kühlmittelpumpe, ausgestaltet sein. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind Gegenstände der weiteren Patentansprüche und/oder ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung.
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Erfindungsgemäß ist eine Vorrichtung vorgesehen, die zumindest ein (ein- oder mehrteiliges) Gehäuse, eine Achse und einen Rotor aufweist. Die Achse ist dabei mit einem Endabschnitt formschlüssig in ein Material des Gehäuses eingebettet, wobei der Endabschnitt außenseitig eine Nut aufweist Diese Nut verläuft dabei schraubenförmig. Der Rotor ist drehbar und bezüglich der Längsrichtungen der Achse gesichert auf der Achse gelagert.
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Durch den schraubenförmigen Verlauf der Nut wird eine Einbettung des Endabschnitts der Achse in das Gehäuse realisiert, die in vorteilhafter Weise sowohl in den Längsrichtungen als auch in den Umfangsrichtungen der Achse formschlüssig sichernd wirkt. Dadurch kann wirkungsvoll eine Lösen der Achse aus dem Gehäuse infolge von Kräften und Momenten, die von dem Rotor auf die Welle übertragen werden, vermieden werden.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass ein Lösen der Achse aus dem Gehäuse bei einer Kühlmittelpumpe gemäß der
EP 2 273 123 A1 primär daraus resultiert, dass die durch die Einbettung der Achse in das Material erreichte Verbindung nicht formschlüssig in den Umfangsrichtungen wirkt. Im Betrieb einer solchen Kühlmittelpumpe können insbesondere bei Schmutzeintrag erhebliche Reibungskräfte in der Gleitlagerung, die zwischen der Achse und dem Rotor ausgebildet ist, wirken, die dazu führen können, dass sich die durch die Einbettung in das Material des Gehäuses in den Umfangsrichtungen ausschließlich kraftschlüssig gesicherte Achse mit dem Rotor mitdreht. Dies erfolgt gegebenenfalls zunächst vereinzelt, anschließend durch eine verschleißbedingte Verringerung der kraftschlüssigen Verbindung gegebenenfalls dauerhaft. Und da die Einbettung der Achse in das Gehäuse nicht für eine solche dauerhafte Relativrotation ausgelegt ist, wird die in den Längsrichtungen wirkende formschlüssige Verbindung, die mittels der Einbettung der Umfangsnut und des in der Umfangsnut befindlichen Materials erreicht ist, im andauernden Betrieb der Kühlmittelpumpe so weit geschwächt, dass diese Sicherung schlussendlich nachgibt, was zu einem Betriebsausfall der Kühlmittelpumpe führt. Diese Problematik wird durch die auch formschlüssig in den Umfangsrichtungen sichernd wirkende Einbettung der Achse in das Material des Gehäuses bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung wirksam verhindert.
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Grundsätzlich kann die in den Umfangsrichtungen formschlüssig sichernde Einbettung der Achse in das Material des Gehäuses auf beliebige Art und Weise realisiert werden. Beispielsweise könnte auch vorgesehen sein, eine (geschlossen umlaufende) Umfangsnut, wie sie bei der Kühlmittelpumpe gemäß der
EP 2 273 123 A1 vorgesehen ist, nicht wie dort in einer senkrecht zu den Längsrichtungen der Achse ausgerichteten Ebene sondern in einer dazu schräg verlaufenden Ebene verlaufen zu lassen.
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Erfindungsgemäß ist jedoch ein schraubenförmiger Verlauf der Nut vorgesehen, weil ein solcher vorteilhaft herstellbar ist. Insbesondere kann die Nut hierfür auf relativ einfache und kostengünstige Weise mittels eines Drehprozesses spanabhebend eingebracht werden. Dies kann insbesondere dann vorteilhaft sein, wenn die Achse insgesamt als Drehteil hergestellt wird oder die Geometrie an deren Enden (z.B. Fase) spanend realisiert wird. Da die Außenkontur der schraubenförmigen Nut fertigungsbedingt nicht größer als der Lagerdurchmesser der Achse ist, kann sie problemlos außenseitig geschliffen werden (z.B. mittels eines Durchlaufschleifprozesses), um eine relativ reibungsarme Lagerung des Rotors auf der Achse zu gewährleisten. Im Vergleich zu alternativen Möglichkeiten einer in den Umfangsrichtungen formschlüssig sichernden Einbettung (z.B. das Prägen von herausstehenden Konturen) wirkt sich dieses vorteilhaft aus.
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Eine erfindungsgemäße Vorrichtung kann insbesondere als Strömungsmaschine ausgestaltet sein, wobei dann der Rotor als mit einem Fluid wechselwirkendes Flügelrad sowie als Rotor, insbesondere in einer Ausgestaltung als Außenläufer, eines Elektromotors ausgestaltet sein kann. Weiterhin kann das Gehäuse einen Einlass und einen Auslass für das Fluid aufweisen.
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Besonders bevorzugt kann die Strömungsmaschine als Arbeitsmaschine und insbesondere als Pumpe, beispielsweise als Kühlmittelpumpe, die in einem Kühlsystem einer Brennkraftmaschine eingesetzt wird, oder als Ventilator/Verdichter ausgestaltet sein. Vorteilhaft kann aber auch eine Ausgestaltung der Vorrichtung als Kraftmaschine sein.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann vorgesehen sein, dass das Gehäuse zumindest in dem die Achse aufnehmenden Abschnitt, vorzugsweise vollständig aus Kunststoff (d.h. aus einem oder mehreren Kunststoffen) und/oder die Achse zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig aus Metall (d.h. aus einem oder mehreren Metallen), beispielsweise Stahl, ausgestaltet ist. Eine Ausgestaltung des Gehäuses aus Kunststoff ermöglicht eine kostengünstige Herstellung und kann zudem zu einem relativ geringen Bauteilgewicht führen. Eine Ausgestaltung der Achse aus Metall kann eine hohe Belastbarkeit der Achse gewährleisten. Alternativ dazu kann aber auch eine Ausgestaltung des Gehäuses aus Metall (z.B. aus Magnesium oder Aluminium, beispielsweise mittels Thixomolding) und/oder eine Ausgestaltung der Achse aus anderen Werkstoffen, beispielsweise Keramik, Glas oder Kunststoff, vorteilhaft sein.
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Bei einer Ausgestaltung des Gehäuses zumindest teilweise aus Kunststoff kann vorzugsweise vorgesehen sein, dass der entsprechende Teil oder Abschnitt des Gehäuses, vorzugsweise das gesamte Gehäuse, als Spritzgussbauteil hergestellt wird, wobei während des Spritzgießprozesses der entsprechende Endabschnitt der Achse von dem Material des Gehäuses umspritzt und dadurch eingebettet wird. Eine solche Ausgestaltung des Gehäuses als Spritzgussbauteil kann sich ebenfalls vorteilhaft hinsichtlich der Herstellungskosten auswirken.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung kann vorgesehen sein, dass der schraubenförmige Verlauf der Nut bezüglich einer vorgesehenen Rotationsrichtung des Rotors in Richtung des eingebetteten Endes der Achse ansteigt. Bei der bevorzugten Ausgestaltung der Vorrichtung als Arbeitsmaschine und insbesondere als Pumpe oder Gebläse kann die vorgesehene Rotationsrichtung des Rotors insbesondere diejenige sein, in der das Flügelrad das Fluid zu dem Auslass des Gehäuses fördert. Eine solche Ausgestaltungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gewährleistet, dass ein reibungsbedingtes Moment, das infolge der Relativrotation des Rotors auf die Achse wirkt, die Tendenz bewirkt, dass sich die Achse in das Gehäuse eingeschraubt, wodurch ein Lösen der Achse infolge von Zugkräften, die von dem Rotor auf die Achse übertragen werden, besonders sicher vermieden wird.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung kann vorgesehen sein, dass die Nut an dem eingebetteten Ende der Achse ausläuft. Dies ermöglicht eine vorteilhafte und insbesondere kostengünstige Herstellbarkeit der Achse und damit der gesamten Vorrichtung. Dies gilt insbesondere bei einer mittels eines Drehprozesses in das Material der Achse eingebrachten Nut, weil die Drehschneide dadurch bis über das entsprechende Ende der Achse hinaus axial verfahren werden kann.
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Weiterhin bevorzugt kann vorgesehen sein, dass der Steigungswinkel der Nut und/oder die Tiefe der Nut und/oder die Gangrichtung der Nut (d.h. die Längsrichtung, in der die Nut ansteigt) über der Länge des Verlaufs der Nut konstant beziehungsweise gleichförmig/gleichartig ist/sind. Auch dies führt zu einer möglichst kostengünstigen Herstellbarkeit der Achse und damit der gesamten Vorrichtung.
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Um Kerbspannungen in dem die Achse einbettenden Material des Gehäuses möglichst gering zu halten, kann vorzugsweise vorgesehen sein, dass die Breite der Nut im Nutgrund mindestens 20% des Außendurchmessers (nicht im Bereich des Nutgrunds gemessen) der Achse (bei einem nicht-konstanten beziehungsweise variierenden Außendurchmesser: des mittleren Außendurchmessers) beträgt.
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Dem gleichen Zweck kann dienen, wenn eine, mehrere oder alle der Kanten der Nut abgerundet ausgestaltet ist/sind, wobei als „Kante“ grundsätzlich ein Übergang zwischen zwei Flächen, von denen zumindest eine die Nut begrenzt, verstanden wird. Der Übergang zwischen zwei solcher Flächen kann folglich in Form einer gekrümmten Fläche und nicht in Form einer Linie ausgestaltet sein.
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Weiterhin kann zur Minimierung von Kerbspannungen in dem die Achse einbettenden Material des Gehäuses vorgesehen sein, dass der Steigungswinkel des Nutverlaufs (bei einem nicht konstanten Nutverlauf: der mittlere Steigungswinkel) mindestens 10° beträgt.
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Weiterhin bevorzugt kann vorgesehen sein, dass die Nut vollständig innerhalb des Materials des Gehäuses angeordnet ist. Dadurch kann eine besonders vorteilhafte Einbettung der Achse in das Material des Gehäuses realisiert werden, weil ein Herausdrehen der Achse aus dem Material des Gehäuses unabhängig davon, in welcher Richtung ein reibungsbedingtes Moment im Verhältnis zur Gangrichtung auf die Achse wirkt, sicher vermieden werden kann. Auch kann dadurch auf relativ einfache Weise eine ausreichende Abdichtung der Achse bei einem Umspritzen mit dem Kunststoff des Gehäuses realisiert werden.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausgestaltungsbeispiels näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:
- 1: in einem Längsschnitt einen Abschnitt einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer Ausgestaltung als Pumpe.
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Die in der Zeichnung dargestellte Pumpe, bei der sich beispielsweise um eine Kühlmittelpumpe handeln kann, umfasst ein mehrteiliges Gehäuse 1, das vollständig aus Kunststoff ausgestaltet ist. Das Gehäuse 1 umfasst ein Gehäuseunterteil 1a, ein Gehäusezwischenteil 1b und ein Gehäuseoberteil 1c. Der Gehäuseunterteil 1a und der Gehäuseoberteil 1c begrenzen gemeinsam einen Innenraum des Gehäuses 1. Der randseitig zwischen dem Gehäuseunterteil 1a und dem Gehäuseoberteil 1c fixiert gehaltene Gehäusezwischenteil 1b unterteilt diesen Innenraum in einen ersten Aufnahmeraum 2, innerhalb dessen die elektrischen Komponenten der Pumpe einschließlich des Stators 3 eines elektrischen Antriebsmotors aufgenommen sind, sowie in einen zweiten Aufnahmeraum 4, innerhalb dessen ein Rotor der Pumpe angeordnet ist. Der zweite Aufnahmeraum 4 kann zudem von dem mittels der Pumpe zu fördernden Fluid durchströmt werden. Für eine solche Durchströmung weist der Gehäuseoberteil 1c einen Einlass für das Fluid, der in einem Einlassstutzen 6 ausgebildet ist, und einen Auslass für das Fluid, der in einem Auslassstutzen 7 ausgebildet ist, auf. An diese Stutzen 6, 7 ist jeweils eine Fluidleitung (nicht dargestellt) anschließbar.
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Der Gehäusezwischenteil 1b, der als Spaltstopf eine strukturelle Separierung zwischen dem Stator 3 des Antriebsmotors und dem Rotor 5 bewirkt, ist topfförmig ausgestaltet und umgibt den Stator 3. Der Rotor 5 der Pumpe stellt gleichzeitig auch den Rotor 5 des Antriebsmotors, der als Außenläufer ausgestaltet ist, dar. Der Rotor 5 umfasst hierzu eine Mehrzahl von Permanentmagneten 8, die in einen vollständig aus einem Kunststoff ausgestalteten Grundkörper 9 des Rotors 5 eingebettet sind. Konkret sind die Permanentmagnete 8 in einem hohlzylindrischen Mantelabschnitt 5a des ebenfalls topfförmigen Rotors 5 angeordnet. Dieser hohlzylindrische Mantelabschnitt 5a des Rotors 5 umgibt außenseitig unter Ausbildung eines definierten Spalts einen hohlzylindrischen Abschnitt des Gehäusezwischenteils 1b. In vergleichbarer Weise ist ein Stirnflächenabschnitt 5b des Rotors 5 unter Ausbildung eines definierten Spalts angrenzend an einem Stirnflächenabschnitt des Gehäusezwischenteils 1c angeordnet. Auf der von dem Gehäusezwischenteil 1c abgewandten Seite des Stirnflächenabschnitts 5b bildet der Rotor 5 eine Mehrzahl von Flügeln 10 aus, die bei einer Rotation des (folglich als Flügelrad) ausgestalteten Rotors 5 eine Pumpwirkung für das Fluid erzeugen, wobei Fluid durch den Einlassstutzen 6 angesaugt und durch den Auslassstutzen 7 abgeführt wird.
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Um eine koaxiale Relativrotation des Rotors 5 und des Stators 3 des Antriebsmotors sicherzustellen, ist der Rotor 5 auf einer Achse 11 aus Metall drehbar gelagert, wozu der Rotor 5 einen zentralen, rohrförmigen Lagerungsabschnitt 5c aufweist. Gleichzeitig ist die Lagerung des Rotors 5 auf der Achse 11 in den Längsrichtungen der Achse 11 und damit entlang der Rotationsachse 12 des Rotors 5 fixiert, was bezüglich derjenigen Längsrichtung, die von dem Gehäusezwischenteil 1c weg und in Richtung des Einlassstutzens 6 weist, mittels eines Axiallagerrings 13 erreicht ist, der ebenfalls aus Metall ausgebildet ist und der mit dem freien Ende der Achse 11 stoffschlüssig verbunden, beispielsweise verschweißt ist. Die Sicherung in dieser Längsrichtung der Achse 11 ist dabei von besonderer Bedeutung, weil durch das Wechselwirken der Flügel 10 des Rotors 5 mit dem Fluid Kräfte auf den Rotor 5 wirken, die diesen in Richtung des Einlassstutzens 6 ziehen.
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Ein an dem anderen Ende gelegener Endabschnitt der Achse 11 ist in das Material des Gehäusezwischenteils 1b eingebettet, wodurch die Achse 11 mit dem Gehäusezwischenteil 1b fest verbunden ist. Um dabei eine Verbindung zu erreichen, die sowohl in den Längsrichtungen als auch in den Umfangsrichtungen der Achse 11 formschlüssig sichernd wirkt, weist der Endabschnitt außenseitig eine Nut 14 auf, die schraubenförmig verläuft. Diese Nut 14 ist vollständig innerhalb des Materials des Gehäusezwischenteils 1b angeordnet. Gleichzeitig ist der schraubenförmige Verlauf der Nut 14 derart gewählt, dass dieser bezüglich einer vorgesehenen Rotationsrichtung des Rotors 5, die in der 1 anhand eines Pfeils dargestellt ist, in Richtung des eingebetteten Endes der Achse 11 ansteigt. Dadurch wird gewährleistet, dass ein reibungsbedingtes Moment, das infolge der Relativrotation des Rotors 5 auf die Achse 11 wirkt, tendenziell bewirkt, dass sich die Achse 11 in den Gehäusezwischenteil 1b einschraubt. Ein solches Einschrauben wird dabei jedoch durch die auch in den Längsrichtungen der Achse 11 sichernde formschlüssige Einbettung des Endabschnitts der Achse 11 verhindert. Da an das eingebettete Ende der Achse 11 relativ viel Material des Gehäusezwischenteils 1b angrenzt, wird so eine dauerhaft sichere Fixierung der Achse 11 an dem Gehäusezwischenteil 1b und damit eine dauerhaft sichere Positionierung des Rotors 5 innerhalb des Gehäuses 1 gewährleistet. Würde der Verlauf der Nut 14 dagegen die entgegengesetzte Gangrichtung aufweisen, könnte eine solche dauerhaft sichere Fixierung der Achse 11 und Positionierung des Rotors 5 infolge der nur relativ kleinen Materialmenge, die einem Herausschrauben der Achse 11 aus dem Material des Gehäusezwischenteils 1b entgegenwirken würde, gegebenenfalls nicht gewährleistet sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Gehäuse
- 1a
- Gehäuseunterteil
- 1b
- Gehäusezwischenteil
- 1c
- Gehäuseoberteil
- 2
- erster Aufnahmeraum des Gehäuses
- 3
- Stator des Antriebsmotors
- 4
- zweiter Aufnahmeraum
- 5
- Rotor der Pumpe/des Antriebsmotors
- 5a
- Mantelabschnitt des Rotors
- 5b
- Stirnflächenabschnitt des Rotors
- 5c
- Lagerungsabschnitt des Rotors
- 6
- Einlassstutzen
- 7
- Auslassstutzen
- 8
- Permanentmagnet
- 9
- Grundkörper des Rotors
- 10
- Flügel des Rotors
- 11
- Achse
- 12
- Rotationsachse des Rotors
- 13
- Axiallagerring
- 14
- Nut
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2273123 A1 [0002, 0003, 0005, 0009, 0010]
- DE 10012663 A1 [0004]
