DE102008013534B4

DE102008013534B4 - Schaltbare Kühlmittelpumpe

Info

Publication number: DE102008013534B4
Application number: DE200810013534
Authority: DE
Inventors: Eugen Dr. Schmidt; Franz Dipl.-Ing. Pawellek
Original assignee: Geraete und Pumpenbau GmbH Dr Eugen Schmidt
Current assignee: Nidec GPM GmbH
Priority date: 2008-03-11
Filing date: 2008-03-11
Publication date: 2010-06-10
Anticipated expiration: 2028-03-12
Also published as: DE102008013534A1

Abstract

Schaltbare Kühlmittelpumpe mit einem Pumpengehäuse (1), einer am Pumpengehäuse (1) in einem Riemenscheibenlager (2) gelagerten Riemenscheibe (3), einer Pumpenwelle (5), einem auf einem freien, strömungsseitigen Ende dieser Pumpenwelle (5) drehfest angeordneten Flügelrad (6), einem im Pumpengehäuse (1) zwischen dem Flügelrad (6) und einem Pumpenlager (4) in einer Dichtungsaufnahme (7) angeordneten Wellendichtring (8), einem am Pumpengehäuse (1) angeordneten Anschlussflansch (9) für einen Druckübersetzer (10) mit einem Betätigungszylinder (11) und an diesem Betätigungszylinder (11) angeordneten Druckanschlussstutzen (12), einem Betätigungskolben (13), einem mit dem Betätigungskolben (13) starr verbundenen Arbeitskolben (14) und einem Arbeitszylinder (15), wobei der Arbeitszylinder (15) über eine/mehrere im Pumpengehäuse (1) angeordnete miteinander verbundene Druckleitung/en (20) mit einem Ringkanal (19) verbunden ist und der Arbeitskolben (14) auf ein im Arbeitszylinder (15) wie auch in der/den Druckleitung/en (20) und im Ringkanal (19) befindliches Arbeitsmedium einwirkt, dadurch gekennzeichnet,
– dass am/im Pumpengehäuse (1) sowohl einerseits die Riemenscheibe (3) im Riemenscheibenlager (2) wie...

Description

Die Erfindung betrifft eine über eine Riemenscheibe angetriebene schaltbare Kühlmittelpumpe für Verbrennungsmotore, bei welcher das Flügelrad mittels einer Reibpaarung schaltbar von der Riemenscheibe angetrieben werden kann.
Im Stand der Technik sind Kühlmittelpumpen für Verbrennungsmotore vorbeschrieben, deren Riemenscheiben von der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors angetrieben werden und bei denen das Flügelrad schaltbar mittels einer Reibpaarung mit der Pumpenwelle verbunden werden kann.
Mit der mit diesen Kühlmittelpumpen realisierbaren Zweipunktregelung kann die Kühlleistung wie auch die Antriebsleistung der Kühlmittelpumpe variiert werden.
Die Zweipunktregelung dieser Kühlmittelpumpen für Kraftfahrzeuge ermöglicht, dass eine sofort beim Starten des Motors einsetzende Zwangskühlung vermieden werden kann, wodurch die Warmlaufphase des Motors mit all den in dieser Phase auftretenden Nachteilen wie beispielsweise erhöhte Reibungsverluste, erhöhte Emissionswerte und ein erhöhter Kraftstoffverbrauch deutlich reduziert wird.
Von der Anmelderin wurde im Patent DE 100 57 098 C1 eine bewährte schaltbare Kühlmittelpumpe vorgestellt, bei der stationär im Pumpengehäuse eine Magnetspule angeordnet ist, welche mit einer drehfest, jedoch federbelastet verschiebbar auf der Antriebswelle angeordneten, flügelradseitig mit einem Reibbelag versehenen Ankerscheibe derart in Wirkverbindung treten kann, dass bei ausgeschaltetem Magnetfeld infolge der Federanpresskraft das drehbar auf der Antriebswelle angeordnete Flügelrad von der Ankerscheibe mitgenommen wird.
Da durch den zur Verfügung stehenden magnetischen Bauraum das Mitnahmereibmoment bei dieser Bauform begrenzt ist, wurde diese Lösung konsequent weiterentwickelt.
Die auf der vorgenannten Lösung aufbauende Patent DE 102 35 721 B4 beschreibt eine bauraumoptimierte schaltbare Kühlmittelpumpe, mit einem von der Reibscheibe der Magnetkupplung auf das Flügelrad übertragbaren, deutlich erhöhten Antriebsdrehmoment.
Dieses erhöhte Antriebsdrehmoment wird durch eine Erhöhung der Anpresskraft bewirkt, welche daraus resultiert, dass zwischen der Reibscheibe und dem Flügelrad durch einen Zuströmring und einen Ausströmring für das Kühlmedium ein die Anpresskraft unterstützender Unterdruck aufgebaut, und gleichzeitig die Reibscheibe während des Betriebes mittels Überströmöffnungen kupplungsseitig mit dem Druck des Kühlmediums beaufschlagt wird.
Diese vorgenannten Bauformen von Kühlmittelpumpen werden beim Kaltstart des Motors ausgeschaltet, um eine kurzfristige Motorerwärmung mit all den daraus resultierenden Vorteilen zu gewährleisten.
Hat dann der Motor seine Betriebstemperatur erreicht, wird die jeweilige Reibkupplung aktiviert und die Kühlmittelpumpe angeschaltet.
Um jedoch den Verschleiß an den Drehmomentenübertragungsflächen zu minimieren sind sehr hohe Anpresskräfte erforderlich, wobei zwangsläufig stets ein Kompromiss zwischen einem gerade noch zulässigen Schlupf (d. h. dem Verschleiß) und der erforderlichen Baugröße mit dem zugehörigen technischen Aufwand gefunden werden muss.
In manchen Einsatzfällen sind jedoch den zulässigen Baugrößen derart enge Grenzen gesetzt, dass selbst die bauraumoptimierten Bauformen des Standes der Technik noch zu groß bauen.
Ein Vertreter solcher sehr kleinen Kühlmittelpumpen, bei denen der Abstand zwischen der Riemenscheibe und dem Flügelrad kleiner als 15 mm ist und der Durchmesser der Riemenscheibe kleiner als 50 mm ist, ist in der US 2002/0176773 A1 dargestellt.
Weiterhin wird in der DE 101 28 059 C1 eine von der Anmelderin offenbarte Kühlmittelpumpe vorbeschrieben bei der eine starr mit der Riemenscheibe verbundene Welle zweifach gelagert ist. Auf dieser Welle ist der Riemenscheibe gegenüberliegend mittels einer Rücklaufsperre eine Hülse angeordnet. Auf dieser Hülse ist drehfest das Flügelrad angeordnet. Mittels eines starr mit der Hülse verbundenen Rotors eines im Pumpengehäuse angeordneten Elektromotors kann im Bedarfsfall die Hülse und damit das starr mit der Hülse verbundene Flügelrad zusätzlich angetrieben werden, so dass beispielsweise auch bei Staus auf winterlichen Autobahnen trotz niedriger Drehzahl der Pumpenwelle eine optimale Beheizung der Fahrgastzelle gewährleistet werden kann.
Darüber hinaus wurde von der Anmelderin in der DE 10 2005 062 200 B3 zudem eine Kühlmittelpumpe vorgestellt, bei der Druckleitungen mit einem Ringkanal verbunden sind und bei der ein mit einem Rollfaltbelag versehener Ringkolben angeordnet wurde.
Daher liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine kostengünstige und fertigungstechnisch einfach herstellbare, über eine Riemenscheibe angetriebene, schaltbare Kühlmittelpumpe für Verbrennungsmotore zu entwickeln bei der das Flügelrad in Verbindung mit einer Reibpaarung schaltbar angetrieben werden kann, die sich durch einen hohen Wirkungsgrad, eine sehr kompakte, einfache, robuste Bauform, einen minimalen Fertigungs- und Montageaufwand sowie eine hohe Betriebssicherheit und Zuverlässigkeit auszeichnet, und welche insbesondere für kleine Kühlmittelpumpen (d. h. Kühlmittelpumpen bei denen der Abstand zwischen der Riemenscheibe und dem Flügelrad kleiner als 15 mm ist und deren Riemenscheibendurchmesser kleiner als 50 mm ist) geeignet ist, wobei es die hohen Anpresskräfte der neu zu entwickelnden Bauform ermöglichen sollen einen nahezu verschleißfreien ON/OFF Betrieb zu realisieren, um dadurch die Warmlaufphase des Motors zuverlässig zu reduzieren und sowohl die Schadstoffemission wie auch die Reibungsverluste und den Kraftstoffverbrauch zu senken, wobei die neu zu entwickelnde schaltbare Kühlmittelpumpe auch selbst bei bereits in Betrieb befindlichen Motorfamilien nachrüstbar sein soll.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine schaltbare Kühlmittelpumpe nach den Merkmalen des Hauptanspruches der Erfindung gelöst.
Vorteilhafte Ausführungen, Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung der erfindungsgemäßen Lösung in Verbindung mit der Zeichnung zu einem Ausführungsbeispiel der hier vorliegenden erfindungsgemäßen Lösung.
In der 1 ist eine der möglichen Bauformen der erfindungsgemäßen, schaltbaren Kühlmittelpumpe in der Seitenansicht im Schnitt, in der Arbeitsstellung „Aus” (d. h. keine Mitnahme des Flügelrades) dargestellt.
Diese in der 1 dargestellte Bauform wird in Verbindung mit einer Unterdruckregelung eingesetzt.
Nachfolgend soll die vorliegende erfindungsgemäße schaltbare Kühlmittelpumpe an Hand des in der 1 dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert werden.
Erfindungsgemäß sind separat am/im Pumpengehäuse 1 einerseits in einem Riemenscheibenlager 2 eine Riemenscheibe 3 und andererseits im selben Pumpengehäuse 1 in einem Pumpenlager 4 (von der Riemenscheibe 3 unabhängig) eine Pumpenwelle 5 gelagert.
Auf dem freien, strömungsseitigen Ende der Pumpenwelle 5 ist drehfest ein Flügelrad 6 angeordnet.
Zwischen dem Flügelrad 6 und dem Pumpenlager 4 ist im Pumpengehäuse 1 in einer Dichtungsaufnahme 7 ein Wellendichtring 8 angeordnet.
Zudem ist am Pumpengehäuse 1 ein Anschlussflansch 9 zum Anschluss eines Druckübersetzers 10 angeordnet. An diesem Druckübersetzer 10 ist ein Betätigungszylinder 11, mit einem an diesem Betätigungszylinder 11 angeordneten Druckanschlussstutzen 12 an dem ein Unterdruck angelegt wird angeordnet.
Im Betätigungszylinder 11 ist ein Betätigungskolben 13 angeordnet, der starr mit einem in einem Arbeitszylinder 15 angeordneten Arbeitskolben 14 verbunden ist.
Erfindungsgemäß ist im Pumpengehäuse 1, dem Lagersitz 16 des Pumpenlagers 4 riemenscheibenseitig benachbart, eine Hülsenaufnahme 17 angeordnet in die zentrisch das riemenscheibenseitige freie Ende der Pumpenwelle 5 hineinragt, und in deren Ringboden 18 ein Ringkanal 19 angeordnet ist.
Kennzeichnend ist, dass der Arbeitszylinder 15 über mehrere im Pumpengehäuse 1 angeordnete und miteinander verbundene Druckleitungen 20 mit dem Ringkanal 19 verbunden ist.
Erfindungswesentlich ist weiterhin, dass in der im Pumpengehäuse 1 angeordneten Hülsenaufnahme 17, eine Ringkolbenarbeitshülse 21 eingesetzt ist in deren Boden Durchströmöffnungen 22 zum Ringkanal 19 angeordnet sind.
Erfindungswesentlich ist auch, dass zwischen der Ringkolbenarbeitshülse 21 und dem Ringkanal 19 eine mit Durchströmöffnungen 22 versehene Ringdichtung 34 angeordnet ist.
Erfindungsgemäß ist auch, dass in der Ringkolbenarbeitshülse 20, den Durchströmöffnungen 22 zum Ringkanal 19 benachbart, verschiebbar ein mit einer Ringkolbendichtung 23 versehener Ringkolben 24 angeordnet ist.
Die Ringkolbendichtung 23 ist erfindungsgemäß in eine zugeordnete am Ringkolben 24 angeordnete Mitnahmenut eingeknüpft.
Erfindungswesentlich ist auch, dass dem Ringkolben 24 riemenscheibenseitig benachbart ein Axiallager 25 in der Bauform eines Axialnadellagers zwischen dem Ringkolben 24 und einem auf der Pumpenwelle 5 axial verschiebbar angeordneten Arbeitskegel 26 angeordnet ist.
Kennzeichnend ist auch, dass an der Pumpenwelle 5 eine Endlagenbegrenzung 27 für den Arbeitskegel 26, sowie zwischen dem Arbeitskegel 26 und der Pumpenwelle 5 eine Rückstellfeder 28 angeordnet sind.
Vorteilhaft ist, wenn die Rückstellfeder 28, wie in der 1 dargestellt, eine Tellerfeder ist, die stirnseitig an der Pumpenwelle 5 mittels einer Befestigungsschraube 32 gegen den Arbeitskegel 26 verspannt ist.
Erfindungswesentlich ist dabei, dass zentrisch in der Stirnseite 29 der drehbar am Pumpengehäuse 1 gelagerten Riemenscheibe 3 ein Mitnahmekegel 30 angeordnet ist, der beim Anlegen eines Unterdruckes an den Druckanschlussstutzen 12 bewirkt, dass der Arbeitskolben 14 auf das im Arbeitszylinder 15 befindliche Arbeitsmedium, d. h. im Ausführungsbeispiel auf die Kühlflüssigkeit einwirkt, welche vorwiegend aus einer Wasser/Glykolmischung zusammengesetzt ist, so dass der auf der Pumpenwelle 5 angeordnete Arbeitskegel 26 mit dem in der Riemenscheibe 3 angeordneten Mitnahmekegel 30 in Wirkverbindung tritt, und dadurch die Pumpenwelle 5 mit dem starr mit dieser Pumpenwelle 5 verbundenen Flügelrad 6 von der Riemenscheibe mitgenommen wird.
Die vorliegende Lösung bewirkt infolge der erfindungsgemäßen Anordnung sehr hohe Anpresskräfte welche dann einen schlupf- und somit verschleißfreien ON/OFF Betrieb ermöglichen.
Somit wird es mittels der vorgestellten erfindungsgemäßen Anordnung möglich die Warmlaufphase des Motors zuverlässig und deutlich zu reduzieren um sowohl die Schadstoffemission wie auch die Reibungsverluste und den Kraftstoffverbrauch in der Warmlaufphase des Motors zu senken.
Die vorliegende Lösung zeichnet sich dabei durch eine sehr kompakte, einfache und robuste Bauform aus, die insbesondere für sehr kleine Kühlmittelpumpen (d. h. Kühlmittelpumpen bei denen der Abstand zwischen der Riemenscheibe und dem Flügelrad kleiner als 15 mm ist und deren Riemenscheibendurchmesser kleiner als 50 mm ist) sehr gut geeignet ist.
Zudem kann mittels der erfindungsgemäßen Lösung bei minimalem Fertigungs- und Montageaufwand eine sehr hohe Betriebssicherheit und Zuverlässigkeit gewährleistet werden.
Auf Grund ihrer bauraumoptimierten Bauform ist die vorliegende erfindungsgemäße Lösung einer schaltbaren Kühlmittelpumpe auch bei bereits in Betrieb befindlichen Motorfamilien nachrüstbar.
Auf Grund der Tatsache, dass das sowohl im Arbeitszylinder 15, in der/den Druckleitung/en 20, im Ringkanal 19 wie auch im Ringkolbenarbeitsraum befindliche Arbeitsmedium die Kühlflüssigkeit ist, kann wie erfindungsgemäß in der 1 dargestellt, zwischen der Druckleitung 20 und dem Pumpenraum ein Nachfüllventil 31 angeordnet sein, welches sehr zuverlässig und auch kostengünstig den Ausgleich von Leckageverlusten unproblematisch gewährleistet.
Vorteilhaft ist weiterhin, dass stirnseitig an der Riemenscheibe 3 eine Abdeckkappe 33 angeordnet ist die den Bereich des Mitnahmekegels 30 und den mit diesem in Wirkverbindung tretenden Arbeitskegel 26 sowie dessen Rückstellfeder 28 und deren Befestigung an der Pumpenwelle 5 überdeckt, und so eine hohe Funktions-, Betriebs- und Arbeitssicherheit gewährleistet.
Vorteilhaft ist auch, dass im Pumpengehäuse 1, nahe dem Wellendichtring 8 eine Leckageleitung 35 angeordnet ist, die das Pumpenlager 4 „trocken hält” und welche nach „außen” durch einen Leckageschwamm 36 verschlossen ist.
Die vorliegende Lösung ermöglicht bei einfacher und sehr kompakter Bauform durch eine definierte Steuerung der Kühlmittelfördermenge eine optimale Erwärmung des Motors bei hoher Betriebssicherheit und Zuverlässigkeit mit minimalem Fertigungs- und Montageaufwand.
Mit der hier vorgestellten erfindungsgemäßen Lösung ist es nach der Erwärmung des Motors möglich die Motortemperatur im Dauerbetrieb so zu beeinflussen, daß im gesamten Arbeitsbereich des Motors sowohl die Schadstoffemission, die Reibungsverluste und auch der Kraftstoffverbrauch deutlich reduziert werden können.
Dabei ermöglicht es die erfindungsgemäße Lösung auch, dass selbst bei bereits gegenwärtig gefertigten Motorfamilien die erfindungsgemäße, hier vorgestellte, schaltbare Kühlmittelpumpe nachgerüstet werden kann.

1: Pumpengehäuse
2: Riemenscheibenlager
3: Riemenscheibe
4: Pumpenlager
5: Pumpenwelle
6: Flügelrad
7: Dichtungsaufnahme
8: Wellendichtring
9: Anschlussflansch
10: Druckübersetzer
11: Betätigungszylinder
12: Druckanschlussstutzen
13: Betätigungskolben
14: Arbeitskolben
15: Arbeitszylinder
16: Lagersitz
17: Hülsenaufnahme
18: Ringboden
19: Ringkanal
20: Druckleitung
21: Ringkolbenarbeitshülse
22: Durchströmöffnung
23: Ringkolbendichtung
24: Ringkolben
25: Axiallager
26: Arbeitskegel
27: Endlagenbegrenzung
28: Rückstellfeder
29: Stirnseite
30: Mitnahmekegel
31: Nachfüllventil
32: Befestigungsschraube
33: Abdeckkappe
34: Ringdichtung
35: Leckageleitung
36: Leckageschwamm

Claims

Schaltbare Kühlmittelpumpe mit einem Pumpengehäuse (1), einer am Pumpengehäuse (1) in einem Riemenscheibenlager (2) gelagerten Riemenscheibe (3), einer Pumpenwelle (5), einem auf einem freien, strömungsseitigen Ende dieser Pumpenwelle (5) drehfest angeordneten Flügelrad (6), einem im Pumpengehäuse (1) zwischen dem Flügelrad (6) und einem Pumpenlager (4) in einer Dichtungsaufnahme (7) angeordneten Wellendichtring (8), einem am Pumpengehäuse (1) angeordneten Anschlussflansch (9) für einen Druckübersetzer (10) mit einem Betätigungszylinder (11) und an diesem Betätigungszylinder (11) angeordneten Druckanschlussstutzen (12), einem Betätigungskolben (13), einem mit dem Betätigungskolben (13) starr verbundenen Arbeitskolben (14) und einem Arbeitszylinder (15), wobei der Arbeitszylinder (15) über eine/mehrere im Pumpengehäuse (1) angeordnete miteinander verbundene Druckleitung/en (20) mit einem Ringkanal (19) verbunden ist und der Arbeitskolben (14) auf ein im Arbeitszylinder (15) wie auch in der/den Druckleitung/en (20) und im Ringkanal (19) befindliches Arbeitsmedium einwirkt, dadurch gekennzeichnet, – dass am/im Pumpengehäuse (1) sowohl einerseits die Riemenscheibe (3) im Riemenscheibenlager (2) wie andererseits auch die Pumpenwelle (5) im Pumpenlager (4) separat gelagert sind, und – dass im Pumpengehäuse (1), dem Lagersitz (16) des Pumpenlagers (4) riemenscheibenseitig benachbart, eine Hülsenaufnahme (17) angeordnet ist, in die zentrisch das riemenscheibenseitige freie Ende der Pumpenwelle (5) hineinragt und in deren Ringboden (18) der Ringkanal (19) angeordnet ist, und – dass in der Hülsenaufnahme (17), im Pumpengehäuse (1) eine Ringkolbenarbeitshülse (21) eingesetzt ist, in deren Boden Durchströmöffnungen (22) zum Ringkanal (19) angeordnet sind, und – dass in der Ringkolbenarbeitshülse (21), den Durchströmöffnungen (22) zum Ringkanal (19) benachbart, verschiebbar ein mit einer Ringkolbendichtung (23) versehener Ringkolben (24) angeordnet ist, und – dass dem Ringkolben (24) riemenscheibenseitig benachbart ein Axiallager (25) zwischen dem Ringkolben (24) und einem auf der Pumpenwelle (5) axial verschiebbar angeordneten Arbeitskegel (26) angeordnet ist, und – dass an der Pumpenwelle (5) eine Endlagenbegrenzung (27) für den Arbeitskegel (26), sowie zwischen dem Arbeitskegel (26) und der Pumpenwelle (5) eine/mehrere Rückstellfeder/n (28) angeordnet ist/sind, und – dass zentrisch in der Stirnseite (29) der drehbar am Pumpengehäuse (1) gelagerten Riemenscheibe (3) ein Mitnahmekegel (30) angeordnet ist, der beim Anlegen eines Unterdruckes, bzw. Überdruckes an den Druckanschlussstutzen (12) mit dem auf der Pumpenwelle (5) angeordneten Arbeitskegel (26) in Wirkverbindung tritt.
Schaltbare Kühlmittelpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringkolbendichtung (23) in eine zugeordnete am Ringkolben (24) angeordnete Mitnahmenut eingeknüpft ist.
Schaltbare Kühlmittelpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dass zwischen der Ringkolbenarbeitshülse (21) und dem Ringkanal (19) eine mit den Durchströmöffnungen (22) versehene Ringdichtung (34) angeordnet ist.
Schaltbare Kühlmittelpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Axiallager (25) ein Axialnadellager ist.
Schaltbare Kühlmittelpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückstellfeder (28) eine Tellerfeder ist, die stirnseitig in der Pumpenwelle (5) mittels einer Befestigungsschraube (32) angeordnet gegen den Arbeitskegel (26) verspannt ist.
Schaltbare Kühlmittelpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass stirnseitig an der Riemenscheibe (3) eine Abdeckkappe (33) angeordnet ist, die den Bereich des Mitnahmekegels (30) und den mit diesen in Wirkverbindung tretenden Arbeitskegels (26) incl. dessen Rückstellfeder (28) und deren Befestigung an der Pumpenwelle (5) überdeckt.
Schaltbare Kühlmittelpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass an den Druckanschlussstutzen (12) des Druckübersetzers (10) ein Unterdruck anliegt.
Schaltbare Kühlmittelpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass an den Druckanschlussstutzen (12) des Druckübersetzers (10) ein Überdruck (beispielsweise der Motoröldruck) anliegt.
Schaltbare Kühlmittelpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass im Pumpengehäuse (1), nahe dem Wellendichtring (8) eine Leckageleitung (35) angeordnet ist, die nach außen durch einen Leckageschwamm (36) verschlossen ist.