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Die
Erfindung bezieht sich auf eine elektromagnetisch schaltbare Kupplung,
insbesondere für eine
Flüssigkeitspumpe
eines Kraftfahrzeugs, vorzugsweise eine Wasserpumpe gemäss Patentanspruch
1.
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Es
ist bereits allgemein bekannt, elektromagnetisch schaltbare Kupplungen
für das
Ein- und Auskoppeln von zum Beispiel Pumpen in einer Antriebseinrichtung
einzusetzen. Insbesondere für
Flüssigkeitspumpen
in Kraftfahrzeugen, vorzugsweise für Wasserpumpen, gilt dabei
in der Regel eine Notlaufvorschrift derart, dass beim Ausfall der
Stromversorgung oder einem anderen Defekt am Elektromagneten die
Kupplung in den Zustand „geschlossen" gebracht werden
muss bzw. in diesem verbleiben soll. Eine Bestromung der Kupplung öffnet diese
in dem Sinne, dass der Antrieb von der Pumpe abgekoppelt wird. Dadurch
ist gewährleistet,
dass die Pumpe auch in den erwähnten
Notfällen
fördert.
Bevorzugt werden im Stand der Technik hierfür Reibungskupplungen eingesetzt,
welche mit Hilfe einer Federkraft in Richtung „geschlossen" beaufschlagt sind.
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Problematisch
ist grundsätzlich
der beschränkt
zur Verfügung
stehende Bauraum, insbesondere an Brennkraftmaschinen bzw. in diese
aufnehmenden Einbauräumen,
der für
eine solche Kupplung zur Verfügung
steht. Diese Beschränkungen
führen
dazu, dass hinsichtlich ihres Betrages nur begrenzt Drehmomente übertragen
werden können. Dieses
wiederum kann bedeuten, dass bei erhöhten Anforderungen die Pumpe
wegen dieser Übertragungsbegrenzung
nicht ausreichend fördert.
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Zusätzlich besteht
bei den bekannten axial wirkenden Systemen der Nachteil, dass ein
eng tolerierter axialer Luftspalt erforderlich ist. Dies erfordert geringe
Fertigungstoleranzen bzw. aufwendige Montageprozesse beim Anbau
der Kupplung. Das Nichteinhalten dieser Toleranzen kann zu Fehlfunktionen entweder
durch Anstreifen des Ankers im geöffneten Zustand bei zu kleinem
Luftspalt, oder zu nicht bzw. nur einseitigem Öffnen bei Bestromung bei zu
großem
Luftspalt führen.
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Der
Erfindung liegt vor diesem Hintergrund die Aufgabe zugrunde, eine
elektromagnetisch schaltbare Kupplung bereitzustellen, welche die
Forderungen an die Bauteiltoleranzen deutlich reduziert und welche
auch bei erhöhten
Anforderungen an das zu übertragende
Drehmoment dieses sicher überträgt.
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Die
gestellte Aufgabe wird gelöst
durch eine elektromagnetisch schaltbare Kupplung, insbesondere für eine Flüssigkeitspumpe
eines Kraftfahrzeugs, vorzugsweise für eine Wasserpumpe, mit einem
fremdantreibbaren Eingangsteil, einem wahlweise bestrombaren Elektromagneten,
einem Ausgangsteil, insbesondere eine Pumpenwelle, und einem zwischen
dem Ausgangsteil und dem Eingangsteil wirksamen, von einer Federkraft
unterstützten Kupplungsmechanismus.
Der Kupplungsmechanismus ist derart aufgebaut, dass dieser im unbestromten
Zustand des Elektromagneten und bei Stillstand des Eingangsteils
einen durch ein Federelement federkraftbedingten Reibschluss zwischen
dem Eingangsteil und dem Ausgangsteil erzeugt, wobei der Reibschluss
bei fremdangetriebenem Eingangsteil fliehkraftbedingt zunimmt, und
dass bei bestromtem Elektromagneten eine den Reibschluss verringernde Magnetkraft
entgegen der Feder- und der Fliehkraft wirksam ist.
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Dieser
Aufbau hat den Vorteil, dass durch die Bereitstellung eines radial
wirksamen Reibschlusses dieser drehzahlabhängig zunimmt bzw. abnimmt.
Somit wird zusätzlich
zu dem permanent durch die Federkraft bedingten Reibschluss und
dem daraus resultierenden übertragbaren
Drehmoment, ein mit der Drehzahl zunehmender Reibschluss möglich, der das übertragbare
Drehmoment der Kupplung erhöht.
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Durch
die Nutzung der Fliehkraft wird somit eine der Pumpenkennlinie folgende
Drehmomentkennlinie realisiert, dass heißt, dass mit dem bei steigender
Pumpendrehzahl steigenden erforderlichen Antriebsdrehmoment für die Pumpe
auch das über die
Kupplung übertragbare
Drehmoment durch die Wirkung der Fliehkraft ansteigt. Die Kupplung
weist dann insbesondere in einem oberen Drehzahlbereich ein deutlich
höheres übertragbares
Drehmoment auf. Infolge des Spreizfedersystems und der resultierenden
Fliehkraft können
sowohl Elektromagnet wie auch Federelemente klein dimensioniert
werden.
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Weiterhin
wirken sich durch die radiale Drehmomentübertragung die Toleranzen der
Pumpe nicht auf die Funktion der Kupplung aus. Die erforderliche Fertigungsgenauigkeit
beschränkt
sich pumpenseitig auf eine kleinere Anzahl von Durchmessermaßen als bei
Kupplungen gemäß dem Stand
der Technik. Da die Kupplung nicht in axialer Richtung schaltet,
ist auch die Montage der Kupplung an die Pumpe vereinfacht, da keine
speziellen axialen Einbautoleranzen einzuhalten sind.
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Bevorzugt
ist das Eingangsteil rotationssymmetrisch zur Drehachse des Ausgangsteils
und topfartig ausgebildet, und seine Innenfläche weist eine Reibfläche zur
Anlage von korrespondierenden Reibsegmenten des Kupplungsmechanismus
auf.
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Durch
diesen Aufbau wird erreicht, dass der Kupplungsmechanismus im unbestromten
Zustand des Elektromagneten durch die am Ausgangsteil drehfest aber
radial beweglich angebrachten und durch Federkraft belasteten Reibsegmente
einen Reibschluss zwischen dem Eingangsteil und dem Ausgangsteil
erzeugt, der dazu führt,
dass das Ausgangsteil bei angetriebenen Eingangsteil in eine Drehbewegung
versetzt wird. Mit zunehmender Drehzahl des Ausgangsteils bewirkt
die auf die Reibsegmente wirkende Fliehkraft eine mit steigender Umfangsgeschwindigkeit
zunehmende Reibkraft, wodurch das von der Kupplung übertragbare
Drehmoment ebenfalls mit der Drehzahl ansteigt.
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In
weiterer Ausgestaltung kann dem Ausgangsteil drehfest ein Abtriebsflansch
zugeordnet sein, auf welchem sich das die Federkraftunterstützung bewirkende
Federelement einenends abstützt, wobei
sich das andere Ende des Federelementes am Reibsegment abstützt.
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Weiterhin
kann es bevorzugt vorgesehen sein, dass das Ausgangsteil als Welle
ausgebildet ist, welche unter Zwischenschaltung eines Bundes des Abtriebsflansches
drehentkoppelt in einer Nabe des Eingangsteils abgestützt gelagert
ist.
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Bevorzugt
ist der Elektromagnet kreisringförmig
ausgebildet zwischen der Innenfläche
des Eingangsteils und einer Schulter eines ortsfesten Gehäuses abgestützt angeordnet,
welches in einer zentralen Öffnung
drehentkoppelt die Welle abstützt.
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Handelsübliche Druck-
oder Schraubenfedern können
gemäss
einer bevorzugten Ausgestaltung als Federelemente Verwendung finden.
In einer Ausgestaltungsvariante sind die von Druckfedern beaufschlagten
Reinelemente durch Führungsstifte bzw.
Mitnahmestifte drehfest aber radial beweglich mit dem Abtriebsflansch
verbunden. Dieses verhindert eine über die Umfangserstreckung
ungleichmäßige Bewegung
der Reibelemente, welches andernfalls ein ungleichförmiges Ein-
bzw. Auskuppeln zur Folge hätte.
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Je
nach erforderlicher Federkraft und Federkennlinie sowie in Abhängigkeit
von den konkreten Einbauverhältnissen
kann es alternativ bevorzugt sein, die Federelemente als Biegefedern
oder Winkelfedern auszubilden, durch die die Reibelemente spielfrei,
radial beweglich und drehfest mit dem Ausgangsteil verbunden sind.
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Unabhängig von
der jeweiligen Ausführungsform
kann für
ein verbessertes Ansprechverhalten der Kupplung der Elektromagnet
auf seiner Außenfläche radial
verlaufende Vertiefungen aufweisen, welche einer Bündelung
der Magnetkraft entgegenwirken.
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Weitere
Vorteile und Merkmale ergeben sich aus dem nachfolgend anhand einer
Zeichnung näher erläuterten
Ausführungsbeispiels.
Darin zeigen
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1 einen
Querschnitt durch eine erste bevorzugte Ausführungsform,
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2 einen
Schnitt entlang der Linie II-II gemäss 1,
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3 einen
Querschnitt durch eine zweite bevorzugte Ausführungsform,
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4 einen
Schnitt entlang der Linie IV-IV gemäss 2,
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5 eine
Ansicht entlang der Linie V-V gemäss 1,
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6 einen
Querschnitt durch eine dritte bevorzugte Ausführungsform,
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7 einen
Schnitt entlang der Linie VI-VI gemäss 6,
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8 eine
Tabelle mit Werten zur Drehmomentberechnung,
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9 einen
Kräfteverlauf über der
Pumpendrehzahl, und
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10 Drehmomentkennlinien
des erforderlichen Antriebsdrehmomentes und des übertragbaren Drehmomentes der
Kupplung über
der Pumpendrehzahl.
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Eine
insgesamt mit 1 bezeichnete elektromagnetisch schaltbare
Kupplung ist einer nicht gezeigten Wasserpumpe im Kühlkreislauf
einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges zugeordnet. Im Zuge
eines Riemens eines Nebenaggregateantriebes der Brennkraftmaschine
wird ein als Antriebsriemenscheibe 2 ausgebildetes, fremdantreibbares
Eingangsteil im Betrieb der Brennkraftmaschine von diesem Riemen überlaufen
und somit in Rotation versetzt.
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Abtriebsseitig
ist der Wasserpumpe ein als Pumpenwelle 4 ausgebildetes
Ausgangsteil zugeordnet, wobei diese Pumpenwelle 4 unter
Zwischenschaltung eines Bundes 8 eines Abtriebsflansches 10 drehentkoppelt
in einer Nabe 7 des Eingangsteils abgestützt gelagert
ist. Diese Pumpenwelle 4 trägt einen Zapfen 6,
auf welchem drehfest der mit dem Bund 8 versehene Abtriebsflansch 10 angeordnet
ist.
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Die
Antriebsriemenscheibe 2 ist rotationssymmetrisch zur Drehachse 12 der
Pumpenwelle 4 und topfartig ausgebildet sowie unter Zwischenschaltung
von zwei Kugellagern 14 vom Bund 8 drehentkoppelt
mit der Pumpenwelle 4 verbunden.
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An
den Zapfen 6 der Pumpenwelle 4 schließt sich
axial ein Lagerungsabschnitt 16 an, welcher unter Zwischenschaltung
von weiteren Kugellagern 18 diese Pumpenwelle 4 in
einem ortsfest an einem nicht gezeigten Gehäuse der Brennkraftmaschine befestigten
Pumpengehäuse 20 drehbar
lagert.
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Zwischen
der Antriebsriemenscheibe 2 und der Pumpenwelle 4 wirksam
ist ein insgesamt mit 22 bezeichneter Kupplungsmechanismus
angeordnet, welcher durch eine von einem Federelement 24 bereitgestellte,
radial wirkende Federkraft FR unterstützt wird.
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Dieser
Kupplungsmechanismus 22 ist in dem durch die topfartige
Gestaltung der Antriebsriemenscheibe 2 bereitgestellten
Innenraum angeordnet und weist einen auf einer Schulter 26 des
Pumpengehäuses 20 festgesetzten
Magnetkörper 28 auf, innerhalb
dessen ein bestrombarer Elektromagnet 30 angeordnet ist.
Des Weiteren sind in radialer Richtung zwischen dem Magnetkörper 28 und
einer Reibfläche 32 an
einer Innenfläche 34 der
Antriebsriemenscheibe 2 Reibsegmente 36 in Umfangsrichtung gleichverteilt
angeordnet. Das Federelement 24 stützt sich radial innen an dem
Abtriebsflansch 10 ab, während sich das andere Ende
am Reibsegment 36 abstützt.
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Die
Funktionsweise dieser Kupplung ist nun folgende: Bei nicht angetriebener
Antriebsriemenscheibe 2 presst ausschließlich das
Federelement 24 permanent das Reibsegment 36 gegen
die Reibfläche 32.
In Abhängigkeit
des zwischen diesen Partnern herrschenden Reibkoeffizienten mue
ist somit durch Reibschluss ein begrenztes Drehmoment übertragbar.
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Bei
von der Brennkraftmaschine angetriebener Antriebsriemenscheibe 2 wirkt
zusätzlich
eine unter anderem von der Drehzahl abhängende Fliehkraft FF auf die
Reibsegmente 36, welche über den Reibschluss mit der
Reibfläche 32 das übertragbare
Drehmoment erhöhen.
Die Fliehkraft FF addiert sich demnach zu der Federkraft FR hinzu.
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Während sich
anfänglich
noch Gleitreibungsanteile einstellen, das heißt ein schlupfbedingter Drehzahlunterschied
zwischen Ein- und Ausgangsteil besteht, führt die relativ stark ansteigende
Fliehkraft FF letztendlich zu einem schlupffreien Antrieb der Pumpenwelle 4,
so dass die Antriebsriemenscheibe 2 und die Pumpenwelle 4 die
gleiche Drehzahl aufweisen.
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Soll
im weiteren Betrieb die Pumpe ausgekuppelt werden, so erfolgt dies
durch Bestromung des Elektromagneten 30. Dieser weist eine
Spule mit zwei am Umfang angeordneten, in radialer Richtung wirkenden
magnetischen Zugpolen 37 auf. Somit stellt sich infolge
der Bestromung eine radial nach innen wirkende Magnetkraft FM ein,
die der Summe aus den Kräften
FF und FR entgegenwirkt.
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Die
Magnetkraft FM hebt die Reibsegmente 36 von der Reibfläche 32 ab
und zieht diese gegen den ortsfesten Elektromagneten 30.
Im Ergebnis wird die Pumpenwelle 4 von der Antriebsriemenscheibe 2 entkoppelt
und gegen das Pumpengehäuse 20 festgebremst.
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In
einer ersten bevorzugten Ausführungsform
gemäss
den 1 und 2 sind zwei sich diametral gegenüberliegende
Reibsegmente 36 als Kreisbogenabschnitte ausgebildet und
umfangsverteilt angeordnet. Für
eine Führung
in radialer Richtung und einen Formschluss in Umfangsrichtung sind im
Abtriebsflansch 10 die Reibsegmente 36 durchsetzende
Stifte 38 eingelassen.
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Die
Federelemente 24 sind als schraubenförmige Druckfedern 40 ausgebildet
und stützen
sich zwischen dem Abtriebsflansch 10 und den Reibsegmenten 36 diese
in Richtung der Kraft FF beaufschlagend ab.
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Nach
einer zweiten bevorzugten Ausführungsform
gemäß den 3 und 4 sind
die Federelemente 24 als drei gleichmäßig umgangsverteilte Biegefedern 42 ausgebildet,
welche mit jeweils zwei Schrauben 44 am Antriebsflansch 10 festgelegt sind.
Als Verbindung können
auch andere Verbindungsformen genutzt werden, wie beispielsweise verschweißen, vernieten
usw.
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Die
Biegefedern 42 sind mittels weiterer, nicht gezeigter Schraub-
oder Nietverbindungen mit den drei Reibsegmenten 36 verbunden.
Die Biegefedern 42 sind derart gekrümmt ausgeführt, dass sie aufgrund ihrer
Krümmung
und der durch den Verbau bedingten Stauchung die Federkraft FR aufbringen.
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5 zeigt
eine seitliche Ansicht auf den Elektromagneten 30, wie
er in allen gezeigten Ausführungsbeispielen
Verwendung finden kann. Gleichmäßig umfangsverteilt
sind auf einer oder auf beiden Seitenflächen 45 des Elektromagneten 30 Vertiefungen 47 eingebracht,
welche begrenzt radial von außen
nach innen verlaufen und eine gegenüber der axialen Erstreckung
des Elektromagneten 30 relativ geringe axiale Erstreckung
aufweisen. Diese Aufteilung der Oberflächen in Einzelsegmente hat
folgenden Vorteil.
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Das
gleichmäßige Beaufschlagen
und Schalten der mehreren Reibsegmente 36 durch die elektromagnetische
Kraft FM des Elektromagneten 30 kann ohne diese Vertiefungen 47 problematisch sein,
da sich üblicherweise
der elektromagnetische Fluss und das Magnetfeld über dem ersten der angezogenen
Reibsegmente 36 bündeln
würde,
da sich hier durch den dann luftspaltfreien Zustand der niedrigste
magnetische Widerstand einstellen würde. Dieses hätte eine
ungleichmäßige Beaufschlagung mit
der Zugkraft auf die anderen Reibsegmente 36 zur Folge
und würde
so zu einem unbefriedigenden Auskuppelverhalten führen.
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Die
Vertiefungen 47 führen
zu einer magnetischen Trennung, die eine Aufteilung in einzelne
Magnetsegmente bewirkt. Eine magnetische Flusskonzentration in einem
einzelnen Reibsegment 36 kann so vermieden werden und das
Abschaltverhalten ist deutlich verbessert.
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Eine
dritte bevorzugte Ausführungsform
gemäß den 6 und 7 weist
als Winkelfedern 46 ausgebildete Federelemente 24 auf.
Diese bewirken ähnlich
wie die Biegefedern 42 durch ihre Krümmung die Federkraft FR. Insgesamt
sind in diesem Beispiel sechs solcher Winkelfedern 46 gleichmäßig umfangsverteilt
mit Schrauben 48 an den Reibelementen 36 festgelegt,
während
das andere Ende im Abtriebsflansch 10 eingespannt ist.
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Anhand
der Tabelle in 8 wird nachfolgend für eine ausgeführte Kupplung 1 für unterschiedliche
Drehzahlen und unterschiedliche Reibkoeffizienten mue das übertragbare
Drehmoment dargestellt.
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Das
Gewicht eines Reibsegmentes 36 beträgt 50 Gramm, zum Beispiel bei
einer radialen Erstreckung von 3 Millimetern und einer axialen Erstreckung
von 12 Millimetern. Der Radius von der Pumpenwelle 12 bis
zum Kontakt zwischen Reibsegment 36 und Reibfläche 32 beträgt 88 Millimeter.
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Die
durch die Federvorspannung verursachte Federkraft FR beträgt jeweils
300 Newton, zu welcher sich pumpendrehzahlabhängig die Fliehkraft FF zu einer
rechnerischen Anpresskraft FA addiert. Die durch den Elektromagneten 30 aufbringbare,
rechnerische Magnetkraft FM beträgt
konstant 432 Newton.
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Für drei verschiedene,
dimensionslose Werte des Reibkoeffizienten mue gleich 0,1 oder 0,2
oder 0,3 sind die rechnerisch übertragbaren
Drehmomente in Newtonmetern angegeben. In der rechten Spalte ist
der zugehörige
Wert einer Pumpenkennlinie ML in Newtonmetern angegeben.
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In 9 ist
graphisch der Zusammenhang der rechnerischen Anpresskraft FA und
der rechnerischen Magnetkraft FM in Newton über der Pumpendrehzahl n dargestellt.
Es ist erkennbar, dass in diesem Ausführungsbeispiel bei einer Pumpendrehzahl von
ca. 2.200 1/min die Anpresskraft FA die Magnetkraft FM übersteigt,
so dass oberhalb dieser Drehzahl nicht mehr ausgekuppelt werden
kann. Dies spielt speziell bei der Nutzung im Zusammenhang mit einer
zwecks Wärmemanagement
eingesetzten abschaltbaren Wasserpumpe keine Rolle, da in einem derartigen
Anwendungsfall die Kupplung zwecks schneller Motorerwärmung beim
Starten des Motors, also bei geringer Drehzahl, sofort elektromagnetisch geöffnet wird
und nach Erreichen der Betriebstemperatur generell federbelastet
geschlossen bleibt.
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10 zeigt
die Abhängigkeit
der rechnerischen Drehmomente und der Pumpenkennlinie ML in Newtonmetern
von der Pumpendrehzahl n. Deutlich erkennbar ist, dass alle Werte
des rechnerischen Drehmomentes ausreichend oberhalb des notwendigen
Wertes entlang der Pumpenkennlinie ML liegen und mit zunehmendem
Reibkoeffizienten mue das rechnerische Drehmoment ansteigt sowie
die Differenz zwischen den Kurvenverläufen für die unterschiedlichen mue-Werte
0,1 bzw. 0,2 bzw. 0,3 mit steigender Drehzahl n größer wird.
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- 1
- Kupplung
- 2
- Antriebsriemenscheibe
- 4
- Pumpenwelle
- 6
- Zapfen
- 7
- Nabe
- 8
- Bund
- 10
- Abtriebsflansch
- 12
- Drehachse
- 14
- Kugellager
- 16
- Lagerungsabschnitt
- 18
- Kugellager,
Lagerung Pumpenwelle
- 20
- Pumpengehäuse
- 22
- Kupplungsmechanismus
- 24
- Federelement
- 26
- Schulter
- 28
- Magnetkörper
- 30
- Elektromagnet
- 32
- Reibfläche
- 34
- Innenfläche
- 36
- Reibsegment
- 37
- Zugpol
- 38
- Stift
- 40
- Druckfeder
- 42
- Biegefeder
- 44
- Schraube
- 45
- Seitenfläche
- 46
- Winkelfeder
- 47
- Vertiefung
- 48
- Schraube
- FF
- Fliehkraft
- FR
- Federkraft
- FM
- Magnetkraft
- ML
- Pumpenkennlinie