EP0207457B1 - Wasserpumpenlaufrad - Google Patents
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
- F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
- F04D29/00—Details, component parts, or accessories
- F04D29/18—Rotors
- F04D29/22—Rotors specially for centrifugal pumps
- F04D29/2205—Conventional flow pattern
- F04D29/2222—Construction and assembly
- F04D29/2227—Construction and assembly for special materials
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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- F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
- F05D2300/00—Materials; Properties thereof
- F05D2300/40—Organic materials
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- Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y10S415/00—Rotary kinetic fluid motors or pumps
- Y10S415/915—Pump or portion thereof by casting or molding
Definitions
- the invention relates to a water pump impeller for a cooling water pump in an internal combustion engine with a metal hub for mounting on a shaft, with a metallic reinforcing disk coaxially formed on one end face of the metal hub and surrounded by plastic, with deflection vanes which are molded from plastic in the outer peripheral region of the water pump impeller, and with plastic parts molded in the longitudinal direction beyond the hub.
- Water pump impellers are generally known and are used in pumps which are used to transport the cooling water for motor cooling in motor vehicles. Because of the special temperature loads for this purpose, at which temperatures of around -40 ° C to + 130 ° C can occur, special conditions are imposed on the materials and the design.
- the use of gray cast iron or brass for a water pump impeller has the disadvantage that they tend to cavitate, i.e. destruction of the impeller blades, which leads to failure of the pump.
- Another disadvantage is that the surface is rough, which increases the flow resistance.
- a water pump impeller for use in internal combustion engines is known from US Pat. No. 3,251,307, which has a metal hub and a metallic reinforcing disk which is coaxially formed thereon and is oriented essentially perpendicular to the hub axis.
- the reinforcing disk is embedded in a plastic body together with the outer surface of the hub.
- plastic parts which are shaped in the longitudinal direction of the hub beyond the hub edges end flush with the inner surface of the hub.
- the plastic body is formed in the radial direction beyond the reinforcing disk, and deflection blades are formed in the plastic part in this outer peripheral region.
- the invention has for its object to provide a water pump impeller of the type mentioned, which is protected against deformation.
- the reinforcing disk has an annular disk part in the region of the deflecting blades and a bell-shaped stiffening area between the hub and the annular disk part, which extends at an acute angle to the hub, in that the deflecting blades are arranged on the concave side of the reinforcing disk , and that the plastic part projecting beyond the hub in the direction of the longitudinal axis ends at a predetermined distance from the inner surface of the hub in order to avoid frictional contact with the shaft.
- the invention has the advantage that the water pump impeller is stiffened overall against twisting and is protected against deflection. In this way, the track of the water pump impeller, and in particular the deflection blades, is adhered to extremely precisely, so that an adjustment in the pump housing with a relatively small tolerance range is possible. The efficiency of the pump can thus be increased.
- the stiffening of the water pump impeller is based, on the one hand, on the parabolic cross section of the inner circumferential area of the reinforcing disk and, on the other hand, on the fact that the reinforcing disk is guided into the outer circumferential area of the impeller and down to the deflection blades. Furthermore, since there is no friction between the plastic and the drive shaft according to the invention, heating and flowing of the plastic is prevented.
- the inventive arrangement of the deflecting vanes on the concave side of the reinforcing disk can also achieve an extremely flat design of the water pump impeller.
- a preferred development of the invention consists in that a hub ring is pressed onto the hub. This measure reinforces the hub and has the effect that any material fatigue or material weakening that may occur after a long period of operation is compensated for by the hub ring.
- the hub ring is completely embedded in plastic. The hub ring is thus fixed in its position on the hub and loosening is prevented.
- the water pump impeller is preferably stiffened in that a tapered plastic part that is rotationally symmetrical with respect to the hub axis is formed in front of a hub opening.
- the hub is preferably widened in a trumpet shape at its free end.
- a first embodiment of a water pump impeller shown in FIGS. 1 and 2 consists of a hub 1 with which the water pump impeller is plugged onto a drive shaft (not shown).
- the hub 1 is then connected via a bell-shaped stiffening area 2 to a coaxial annular disk part 7 which is perpendicular to the hub axis and on which deflection blades 3 are formed.
- the stiffening area 2 initially runs at an acute angle to the hub 1.
- the stiffening area 2 and the disk part 7 together form a reinforcing disk 4, which is overmolded with plastic on both sides, while the plastic is applied to the hub only on one side on the outer surface 5, so that the water pump impeller with its metallic inner surface of the hub 1 can be plugged onto the drive shaft.
- holes 6 are provided distributed over the surface of the reinforcement plate 4. These holes 6 can cover about 40 to 70% of the area.
- the hub 1 of the reinforcing disk 4 extends over at least 40% of the hub length.
- the disk part 7 is about 2 to 4 mm smaller than the diameter D corresponding to the outer circumference 8 of the water pump impeller.
- the side of the impeller facing away from the deflection blades 3 is aligned with the free end face of the hub 1 in the example illustrated here.
- the reinforcing disk 4 is practically guided to the next edge of the water pump impeller, i.e. it fully supports the deflecting blades 3, which are molded in plastic on the concave side of the reinforcing disk.
- the hub 1 which in the example shown here is formed in one piece with the reinforcing disk 4.
- the hub 1 and the reinforcing disk 4 can be formed in one piece from a deep-drawn sheet steel.
- the hub 1 and the disk part 7 can consist of a thick material, for example a steel tube cylinder of 4 mm thickness, and the disk part 7 can be made of a thin material of, for example, 0.75 mm. It can also be provided that the material of the hub 1 and the disk part 7 have different strength properties.
- the hub 1 and the disk part 7 can be connected to one another by welding, shrinking or pressing. There is also the possibility of designing the hub 1 in such a way that it extends over the entire length of the water pump impeller.
- a metallic reinforcing sleeve 9 is additionally pressed over the cylindrical hub part and supports the hub against cold flow.
- the reinforcement sleeve 9 is completely embedded in plastic.
- the reinforcing sleeve 9 can also be referred to as a hub ring.
- the plastic part of the water pump impeller is aligned with the hub on one end face of the hub 1 and that at the other end, at which the plastic is formed in the direction of the hub axis beyond the metallic hub 1 .
- the plastic ends at a predetermined distance A from the inner surface of the hub in order to prevent the plastic from coming into frictional contact with the drive shaft.
- an abrasion-resistant, durable plastic is provided, which has a wall thickness of at least 1 to 2 mm on both sides of the reinforcing disk 4.
- radially extending stiffening rings 11 made of plastic.
- FIG. 4 illustrates that the free end 12 of the hub 1 is expanded in a trumpet shape. This expansion acts as a funnel when the hub is placed on the drive shaft, so that the placement of the hub 1 on the drive shaft is facilitated and simplified. It can be clearly seen in the figure that the free end 12 of the hub 1 ends in a plastic part 13 set back by the distance A 'from the inner surface of the hub 1.
- the plastic part 13 is cylindrical in the embodiment shown here.
- a sealing ring 14 is arranged, which is shown purely schematically.
- the hub 1 is further closed on one side by an outwardly streamlined plastic part 15 which on the one hand has the function of stiffening the disk part 7 and on the other hand to prevent swirling of the liquid in front of the center of the water wheel.
- the plastic part 15 is rotationally symmetrical to the hub axis. It tapers starting from the base of the reinforcing disk 4 and is bell-shaped in the example shown here. This shape can be called funnel-like.
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Description
- Die Erfindung betrifft ein Wasserpumpenlaufrad für eine Kühlwasserpumpe bei einer Verbrennungskraftmaschine mit einer Metallnabe zum Aufsetzen auf eine Welle, mit einer an einer Stirnseite der Metallnabe koaxial angeformten und von Kunststoff umgebenen metallischen Verstärkungsscheibe, mit Umlenkschaufeln, die im äusseren Umfangsbereich des Wasserpumpenlaufrades aus Kunststoff angeformt sind, und mit über die Nabe hinaus in Längsrichtung angeformten Kunststoffteilen.
- Wasserpumpenlaufräder sind grundsätzlich bekannt und werden bei Pumpen verwendet, die zum Transport des Kühlwassers zur Motorkühlung in Kraftfahrzeugen dienen. Wegen der besonderen Temperaturbelastungen für diesen Verwendungszweck, bei dem Temperaturen von etwa -40°C bis +130°C auftreten können, sind an die Materialien sowie die konstruktive Ausgestaltung besondere Bedingungen gestellt. Die Verwendung von Grauguss oder Messing für ein Wasserpumpenlaufrad hat den Nachteil, dass diese zur Kavitation neigen, d.h. zu einer Zerstörung der Laufradschaufeln, was zu einem Ausfall der Pumpe führt. Weiterhin ergibt sich der Nachteil, dass die Oberfläche rauh ist, wodurch der Durchfluss-Widerstand erhöht wird.
- Bekannt sind weiterhin Wasserpumpen, bei welchen das Wasserpumpenlaufrad vollständig aus Kunststoff hergestellt ist. Für Kraftfahrzeuge ist diese Ausführungsform jedoch wegen der hohen Wärme- und Kältebelastungen nicht geeignet, da sich die Laufräder derart durchbiegen, dass sie an der Gehäusewand anlaufen.
- Ferner ist aus der US-PS 3 251 307 ein Wasserpumpenlaufrad zum Einsatz bei Verbrennungskraftmaschinen bekannt, das eine Metallnabe und eine daran koaxial angeformte, im wesentlichen senkrecht zur Nabenachse ausgerichtete metallische Verstärkungsscheibe aufweist. Die Verstärkungsscheibe ist zusammen mit der Aussenfläche der Nabe in einem Kunststoffkörper eingebettet.
- Diejenigen Kunststoffteile, die in Längsrichtung der Nabe über die Nabenränder hinaus ausgeformt sind, enden dabei bündig mit der Nabeninnenfläche. Der Kunststoffkörper ist in radialer Richtung über die Verstärkungsscheibe hinaus ausgebildet und in diesem äusseren Umfangsbereich sind Umlenkschaufeln im Kunststoffteil ausgeformt.
- Es besteht daher die Gefahr, dass sich der die Umlenkschaufeln tragende Bereich insbesondere unter Temperaturbelastung durchbiegt. Ausserdem ist es unvermeidlich, dass aufgrund der unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten Spannungen entstehen und sich der Kunststoff verformt. Es ist auch nicht auszuschliessen, dass sich bei hohen Drehzahlen die Verstärkungsscheibe und das Wasserpumpenlaufrad verwindet, was zu einer Herabsetzung des Wirkungsgrades führt.
- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Wasserpumpenlaufrad der eingangs genannten Art anzugeben, welches gegen Verformungen geschützt ist.
- Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Verstärkungsscheibe im Bereich der Umlenkschaufeln einen kreisringförmigen Scheibenteil und zwischen der Nabe und dem kreisringförmigen Scheibenteil einen glockenförmigen Versteifungsbereich aufweist, der in einem spitzen Winkel zur Nabe verläuft, dass die Umlenkschaufeln auf der konkav ausgebildeten Seite der Verstärkungsscheibe angeordnet sind, und dass der über die Nabe in Richtung der Längsachse hinaus vorstehende Kunststoffteil in einem vorgegebenen Abstand von der Nabeninnenfläche zur Vermeidung von Reibkontakt mit der Welle endet.
- Die Erfindung hat den Vorteil, dass das Wasserpumpenlaufrad insgesamt gegen eine Verwindung versteift und gegen eine Durchbiegung geschützt ist. Auf diese Weise wird die Laufbahn des Wasserpumpenlaufrades, und insbesondere der Umlenkschaufeln, äusserst genau eingehalten, so dass eine Justierung im Pumpengehäuse mit einem relativ kleinen Toleranzbereich möglich ist. Somit kann der Wirkungsgrad der Pumpe gesteigert werden. Die Versteifung des Wasserpumpenlaufrades beruht einerseits auf dem Parabelquerschnitt des inneren Umfangsbereiches der Verstärkungsscheibe und andererseits auf der Tatsache, dass die Verstärkungsscheibe bis in den äusseren Umfangsbereich des Laufrades und bis unter die Umlenkschaufeln geführt ist. Da ferner erfindungsgemäss keine Reibung zwischen dem Kunststoff und der Antriebswelle erfolgt, wird ein Erhitzen und Fliessen des Kunststoffes verhindert.
- Durch die erfindungsgemässe Anordnung der Umlenkschaufeln auf der konkav ausgebildeten Seite der Verstärkungsscheibe kann darüber hinaus eine äusserst flache Bauform des Wasserpumpenlaufrades erreicht werden.
- Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, dass über der Nabe ein Nabenring aufgepresst ist. Diese Massnahme bewirkt eine Verstärkung der Nabe und führt dazu, dass eine eventuell nach langem Betrieb auftretende Materialermüdung oder Materialschwächung vom Nabenring ausgeglichen wird.
- Es kann besonders vorteilhaft sein, dass der Nabenring vollständig in Kunststoff eingebettet ist. Somit wird der Nabenring in seiner Lage auf der Nabe fixiert und ein Lösen verhindert.
- Eine andere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, dass zwischen der Nabe und dem Versteifungsbereich radial angeordnete Kunststoffrippen ausgeformt sind.
- Ferner wird das Wasserpumpenlaufrad bevorzugt dadurch versteift, dass vor einer Nabenöffnung ein zur Nabenachse rotationssymmetrisches, sich verjüngendes Kunststoffteil ausgeformt ist. Des weiteren ist die Nabe an ihrem freien Ende bevorzugt trompetenförmig ausgeweitet.
- Nachfolgend wird die Erfindung anhand von in Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen weiter erläutert.
- Es zeigen:
- Fig. 1 einen Querschnitt durch eine erste Ausführungsform eines Wasserpumpenlaufrades,
- Fig. 2 eine Aufsicht des Wasserpumpenlaufrades gemäss Fig. 1,
- Fig. 3 einen Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform eines Wasserpumpenlaufrades und
- Fig. 4 Einzelheiten einer weiteren Ausführungsform eines Wasserpumpenlaufrades im Querschnitt.
- Eine in den Figuren 1 und 2 dargestellte erste Ausführungsform eines Wasserpumpenlaufrades besteht aus einer Nabe 1, mit der das Wasserpumpenlaufrad auf eine Antriebswelle (nicht dargestellt) aufgesteckt wird. An die Nabe 1 schliesst dann über einen glockenförmigen Versteifungsbereich 2 ein senkrecht zur Nabenachse stehendes, koaxial angeordnetes, kreisringförmiges Scheibenteil 7 an, an welchem Umlenkschaufeln 3 angeformt sind. Der Versteifungsbereich 2 verläuft anfänglich unter einem spitzen Winkel zur Nabe 1. Der Versteifungsbereich 2 und der Scheibenteil 7 bilden zusammen eine Verstärkungsscheibe 4, die beidseitig mit Kunststoff umspritzt ist, während der Kunststoff auf der Nabe lediglich einseitig auf der Aussenfläche 5 aufgetragen ist, so dass das Wasserpumpenlaufrad mit seiner metallischen Innenfläche der Nabe 1 auf die Antriebswelle aufgesteckt werden kann. Zur besseren Verankerung des Kunststoffes mit der Verstärkungsscheibe 4 sind über die Oberfläche der Verstärkungsscheibe 4 verteilt Bohrungen 6 angebracht. Diese Bohrungen 6 können etwa 40 bis 70% der Fläche bedecken. Weiterhin erstreckt sich die Nabe 1 der Verstärkungsscheibe 4 über wenigstens 40% der Nabenlänge. Der Scheibenteil 7 ist um etwa 2 bis 4 mm kleiner als der Durchmesser D entsprechend dem äusseren Umfang 8 des Wasserpumpenlaufrades. Die den Umlenkschaufeln 3 abgewandte Seite des Laufrades fluchtet in dem hier veranschaulichten Beispiel mit der freien Stirnseite der Nabe 1. Die Verstärkungsscheibe 4 ist praktisch bis zum nächsten Rand des Wasserpumpenlaufrades geführt, d.h. sie unterstützt vollständig die Umlenkschaufeln 3, die auf der konkav ausgebildeten Seite der Verstärkungsscheibe in Kunststoff ausgeformt sind.
- Für die Ausbildung der Nabe 1, die in dem hier gezeigten Beispiel zusammen mit der Verstärkungsscheibe 4 einstückig ausgebildet ist, sind mehrere Ausführungsformen möglich. Beispielsweise können die Nabe 1 und die Verstärkungsscheibe 4 einstückig aus einem tiefgezogenen Stahlblech ausgebildet sein.
- Abweichend von dem gezeigten Beispiel besteht die Möglichkeit, die Nabe 1 und den Scheibenteil 7 aus zwei miteinander zu verbindenden Teilen vorzusehen. Die Nabe 1 kann dabei aus einem dicken Werkstoff, beispielsweise aus einem Stahlrohrzylinder von 4 mm Stärke, und der Scheibenteil 7 aus dünnem Werkstoff von beispielsweise 0,75 mm bestehen. Man kann auch vorsehen, dass der Werkstoff der Nabe 1 und des Scheibenteils 7 verschiedene Festigkeitseigenschaften aufweisen. Die Nabe 1 sowie der Scheibenteil 7 können durch Schweissen, Schrumpfen oder Pressen miteinander verbunden sein. Es besteht auch die Möglichkeit, die Nabe 1 derart auszubilden, dass sie sich über die gesamte Länge des Wasserpumpenlaufrades erstreckt.
- Bei der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform ist zusätzlich über den zylindrischen Nabenteil eine metallische Verstärkungshülse 9 aufgepresst, die die Nabe gegen Kaltfluss unterstützt. In Fig. 3 ist die Verstärkungshülse 9 vollständig in Kunststoff eingebettet. Die Verstärkungshülse 9 kann auch als Nabenring bezeichnet werden.
- Aus den rein schematischen Darstellungen der Figuren 1 und 3 ist ersichtlich, dass der Kunststoffteil des Wasserpumpenlaufrades an einer Stirnseite der Nabe 1 mit der Nabe fluchtet und dass am anderen Ende, an welchem der Kunststoff in Richtung der Nabenachse über die metallische Nabe 1 hinaus ausgeformt ist. In diesem Bereich endet der Kunststoff in einem vorgegebenen Abstand A von der Nabeninnenfläche, um zu verhindern, dass der Kunststoff in Reibkontakt mit der Antriebswelle gelangen kann. Zum Einbetten der Verstärkungsscheibe 4 und der Nabe 1 ist ein abriebfester, beständiger Kunststoff vorgesehen, welcher zumindest auf der Verstärkungsscheibe 4 beidseitig eine Wandstärke von jeweils 1 bis 2 mm hat. In dem Zwischenraum zwischen dem Versteifungsbereich 2 und der Nabe 1 sind in dem hier gezeigten Beispiel radial verlaufende Versteifungsringe 11 aus Kunststoff ausgeformt.
- In Fig. 4 ist veranschaulicht, dass das freie Ende 12 der Nabe 1 trompetenförmig ausgeweitet ist. Diese Ausweitung wirkt beim Aufsetzen der Nabe auf die Antriebswelle als Trichter, so dass das Aufsetzen der Nabe 1 auf die Antriebswelle erleichtert und vereinfacht wird. In der Figur ist deutlich zu erkennen, dass das freie Ende 12 der Nabe 1 in einem um den Abstand A' von der Innenfläche der Nabe 1 zurückgesetzten Kunststoffteil 13 endet. Das Kunststoffteil 13 ist in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel zylinderförmig ausgebildet. Auf seiner freien Stirnseite ist ein Dichtungsring 14 angeordnet, der rein schematisch dargestellt ist.
- In dem Beispiel der Fig. 4 ist die Nabe 1 ferner an einer Seite durch ein nach aussen stromlinienförmig ausgebildetes Kunststoffteil 15 geschlossen, welches einerseits die Funktion hat, den Scheibenteil 7 zu versteifen und andererseits Verwirbelungen der Flüssigkeit vor dem Zentrum des Wasserlaufrades zu verhindern. Das Kunststoffteil 15 ist zur Nabenachse rotationssymmetrisch ausgebildet. Es verjüngt sich ausgehend vom Ansatz der Verstärkungsscheibe 4 und ist in dem hier gezeigten Beispiel glockenförmig ausgebildet. Diese Form kann als trichterartig bezeichnet werden.
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