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Die
Erfindung betrifft eine Kühlmittelpumpe, insbesondere für
ein Kraftfahrzeug, mit einem über einen Antriebsstrang
antreibbaren, in einem Gehäuse drehbar gelagerten Laufrad,
wobei im Antriebsstrang eine Schaltkupplung angeordnet ist, über
welche das Laufrad vom Antrieb trennbar ist, wobei die Schaltkupplung
als formschlüssige Kupplung ausgebildet ist.
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Es
sind Kühlmittelpumpen bekannt, die über eine Riemenscheibe
von der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors angetrieben werden und
bei denen das Flügelrad schaltbar in Verbindung mit einer
Reibpaarung von der Pumpenwelle angetrieben wird. Durch die mit
solchen Kühlmittelpumpen realisierte Zweipunktregelung
kann die Kühlleistung wie auch die Antriebsleistung der
Kühlmittelpumpe optimiert werden.
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Diese
Regelung von Kühlmittelpumpen für Kraftfahrzeuge
ermöglicht unter anderem auch, 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 erhöhten Reibungsverlusten,
erhöhten Emissionswerten und einem erhöhten Kraftstoffverbrauch
deutlich reduziert werden kann.
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Die
DE 101 31 792 C1 beschreibt
eine Kühlmittelpumpe für einen Verbrennungsmotor,
mit einer in einem Pumpengehäuse gelagerten, mit einer
Riemenscheibe versehenen Pumpenwelle und einem Flügelrad,
welches einseitig frei drehbar auf der Pumpenwelle angeordnet und
pumpengehäuseseitig als Kupplungshälfte einer
Zahnkupplung ausgebildet ist, die durch eine Rückstellfeder
eingerückt wird, wobei während des Kaltstarts
durch die als Elektromagnet ausgebildete Betätigungseinrichtung
die Zahnkupplung ausgerückt wird, wodurch das Laufrad von
der Zahnkupplung freigegeben und daher in der Warmlaufphase nicht
von der Antriebswelle angetrieben wird.
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Die
KR 2004 0022854 A offenbart
eine im Antriebsstrang angeordnete, als formschlüssige Kupplung
ausgebildete Schaltkupplung, über welche das Laufrad vom
Antrieb trennbar ist. Die Schaltkupplung weist ein erstes Kupplungselement
und ein zweites Kupplungselement auf, welche durch axiale Relativbewegung
zueinander formschlüssig verbindbar oder trennbar sind.
Das erste Kupplungselement weist als Mitnehmerkörper quer
zur Drehachse angeordnete Mitnehmerstifte auf, das andere Kupplungselement
ist als ein in der Nabe des Antriebsrades angeordneter Kupplungstopf
mit Ausnehmungen zur Aufnahme der Mitnehmerstifte des ersten Kupplungselementes
ausgebildet. Über eine Betätigungseinrichtung
ist das axial verschiebbare Kupplungselement entgegen der Kraft
einer Rückstellfeder axial in eine Auskoppelstellung verschiebbar.
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Aus
der
JP 60-111016 A ist
eine Wasserpumpe für eine wassergekühlte Brennkraftmaschine
bekannt, wobei das Laufrad der Wasserpumpe über eine temperaturabhängige
Kupplung miteinander verbunden ist. Ab einer vordefinierten Temperatur wird
das Laufrad mittels Federn, welche ihre Form in Abhängigkeit
der Temperatur ändern, von der Antriebsachse getrennt oder
mit dieser verbunden.
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Die
WO 2007/048380 A1 beschreibt
eine als Zahnradpumpe ausgebildete Schmierölpumpe, wobei
ein Zahnrad über einen thermisch aktivierbaren Aktuator
mit einer Antriebswelle verbindbar ist.
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In
der
JP 2005-233044
A wird eine Kühlmittelpumpe geoffenbart, welche
einen mit einer Antriebswelle verbundenen Permanentmagnet aufweist.
Der Permanentmagnet erzeugt ein auf eine Hülse mit einem
Leitelement einwirkendes Rotationsfeld, wobei die Hülse
mit dem Laufrad der Pumpe verbunden ist. Mit einer Stopeinrichtung
kann das Laufrad angehalten werden.
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Aus
der
DE 102 35 721
A1 ist eine regelbare Kühlmittelpumpe bekannt,
bei der das Flügelrad schaltbar in Verbindung mit einer
Reibpaarung von der Pumpenwelle angetrieben werden kann. Die kraftschlüssige
Kupplung ist dabei elektromagnetisch betätigbar.
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Die
DE 197 52 372 A1 beschreibt
eine direkt von der Kurbelwelle angetriebene regelbare Kühlmittelpumpe,
bei der das Flügelrad frei drehbar auf der Welle angeordnet
ist. Bei Erreichen der Betriebstemperatur wird durch die Anpresskraft
eines Thermoelementes das Flügelrad von der Antriebswelle
mitgenommen.
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Kraftschlüssige
Kupplungen haben den Nachteil, dass relativ hohe Anpresskräfte
erforderlich sind, um eine schlupffreie Antriebsverbindung zu gewährleisten.
Dies erfordert erhöhten Raumbedarf.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, auf möglichst einfache Weise und
mit geringem Raumbedarf eine schaltbare Kühlmittelpumpe
zu realisieren.
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Erfindungsgemäß wird
dies dadurch erreicht, dass die Schaltkupplung eine vorzugsweise
durch eine Bremsscheibe gebildete Bremseinrichtung aufweist, welche
mit dem axial verschiebbaren Kupplungselement vorzugsweise axial
verschiebbar ist und in zumindest einer Auskuppelstellung auf das Laufrad
einwirkt. Die Schaltkupplung kann dabei ein erstes Kupplungselement
und ein zweites Kupplungselement aufweisen, welche durch axiale
Relativbewegung zueinander formschlüssig verbindbar oder
trennbar sind, und wobei zumindest eines der beiden Kupplungselemente
axial verchiebbar ist.
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Durch
die Formschlussverbindung zwischen den beiden Kupplungselementen
kann das Einkuppeln bereits mit relativ geringen Kräften
erfolgen. Dies kann vorteilhafterweise dadurch geschehen, dass auf
das axial verschiebbare Kupplungselement in Richtung der Einkuppelstellung
eine Rückstellfeder einwirkt. Wegen der Formschlussverbindung kann
die Rückstellfeder relativ klein dimensioniert werden.
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Besonders
vorteilhaft ist es, wenn das eine Kupplungselement zumindest einen
Mitnehmerkörper aufweist, und wenn das andere Kupplungselement
als Kupplungsteller der Kupplungstopf ausgebildet ist und eine Ausnehmung
zur Aufnahme des Mitnehmerkörpers aufweist.
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Eine
besonders kompakte Bauweise kann erreicht werden, wenn der Mitnehmerkörper
durch zumindest einen quer zur Drehachse angeordneten Mitnehmerstift
oder durch eine Klaue gebildet ist.
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Um
das Laufrad vom Antriebsstrang zu trennen, ist vorgesehen, dass
das axial verschiebbare Kupplungselement über eine Betätigungseinrichtung axial
in eine Auskoppelstellung verschiebbar ist. Die Betätigung
kann dabei rein mechanisch, elektromagnetisch, hydraulisch oder
pneumatisch erfolgen.
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In
einer besonders einfachen Ausführungsvariante der Erfindung
ist vorgesehen, dass die Schaltkupplung zwischen dem Laufrad und
der Antriebswelle angeordnet ist, wobei ein Kupplungselement, vorzugsweise
das erste Kupplungselement, drehfest oder drehelastisch mit dem
Laufrad verbunden oder durch das Laufrad gebildet ist.
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Alternativ
dazu kann auch vorgesehen sein, dass die Schaltkupplung zwischen
einem Antriebsrad, vorzugsweise einem Riemenrad, und der mit dem
Laufrad drehfest verbundenen Antriebswelle angeordnet ist, wobei
ein Kupplungselement, vorzugsweise das erste Kupplungselement, drehfest
oder drehelastisch mit dem Antriebsrad verbunden oder durch das
Antriebsrad gebildet ist.
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Zwischen
dem ersten Kupplungselement und dem Laufrad bzw. Riemenrad kann
ein Torsionsdämpfer angeordnet sein.
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Um
zu vermeiden, dass im ausgekoppelten Zustand das Laufrad zu Folge
von hydrodynamischen Kräften verdreht wird, kann vorgesehen
sein, dass die Schaltkupplung eine vorzugsweise durch eine Bremsscheibe
gebildete Bremseinrichtung aufweist, welche mit dem axial verschiebbaren
Kupplungselement vorzugsweise axial verschiebbar ist und in zumindest
einer Auskuppelstellung auf das Laufrad einwirkt. In einer besonders
einfachen Ausführung der Erfindung ist dabei vorgesehen,
dass die Bremseinrichtung synchron mit dem axial verschiebbaren
Kupplungselement verschiebbar ist. Besonders vorteilhaft ist es
dabei, wenn das Laufrad axial verschiebbar gelagert ist und durch
die Bremseinrichtung in einer Auskuppelstellung axial gegen das Gehäuse
der Kühlmittelpumpe gedrückt werden kann, so dass
das Laufrad blockiert ist.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert.
Es zeigen:
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1 eine
erfindungsgemäße Kühlmittelpumpe in einem
Längsschnitt im eingekuppelten Zustand in einer ersten
Ausführungsvariante;
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2 diese
Kühlmittelpumpe im Längsschnitt im ausgekuppelten
Zustand;
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3 eine
erfindungsgemäße Kühlmittelpumpe im Längsschnitt
in einer zweiten Ausführungsvariante;
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4 diese
Kühlmittelpumpe im eingekuppelten Zustand;
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5 die
Kühlmittelpumpe in einem Schnitt gemäß der
Linie V-V in 1; und
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6 ein
Detail der erfindungsgemäßen Kühlmittelpumpe
in einer Ausführungsvariante in einer Schrägansicht.
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Die
Kühlmittelpumpe 1 weist ein Laufrad 2 auf,
welches über einen Antriebsstrang 3 angetrieben
wird. Die Antriebswelle 4 des Antriebsstranges 3 ist über
ein Pumpenlager 5 im Gehäuse 6 der Kühlmittelpumpe 1 drehbar
gelagert. Im Antriebsstrang 3 ist eine formschlüssige
Schaltkupplung 7 angeordnet, welche ein erstes Kupplungselement 8 und
ein zweites axial verschiebbares Kupplungselement 9 aufweist,
wobei im in 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel
das erste Kupplungselement 8 als Kupplungsteller oder Kupplungstopf 12 und
das zweite Kupplungselement 9 zumindest einen in den 1 bis 5 als
Mitnehmerstift 13 ausgebildeten Mitnehmerkörper
aufweist, welcher quer zur Drehachse 10 des Laufrades 2 angeordnet
ist. Alternativ zum Mitnehmerstift 13 kann der Mitnehmerkörper auch
als Klaue 13a ausgebildet sein, welche in eine entsprechend
geformte Ausnehmung 17 des Kupplungstellers oder Kupplungstopfes 12 eingreift.
Ein als Klaue 13a ausgebildeter Mitnehmerkörper
ist in 6 gezeigt.
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In
dem in den 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispiel
ist das erste Kupplungselement 8 fest mit dem Laufrad 2 verbunden
und das zweite Kupplungselement 9 axial verschiebbar angeordnet. Dabei
wird der Mitnehmerstift 13 über eine Rückstellfeder 11 gegen
den Kupplungstopf 12 gedrückt. Das Laufrad 2 ist über
ein Gleitlager 14 auf der Antriebswelle 4 drehbar
gelagert. Mit Bezugszeichen 15 ist eine axiale Sicherung
bezeichnet.
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Im
normalen Betrieb drückt die Rückstellfeder 11 den
Mitnehmerstift 13 gegen den Kupplungstopf 12 und
damit das Laufrad 2 gegen die axiale Sicherung 15.
Der Mitnehmerstift 13 ist dabei in einem Langloch 16 in
der Antriebswelle 4 angebracht. Der Kupplungstopf 12 ist
mit dem Laufrad 2 fest verbunden, beispielsweise mitgespritzt
und mit einer entsprechenden, als Gegenkontur zum Mitnehmerstift 13 geformten
Ausnehmung 17 zur Aufnahme des Mitnehmerstiftes 13 ausgestattet,
damit der Mitnehmerstift 13 formschlüssig in die
Ausnehmung 17 des Kupplungstopfes 12 eingreifen
kann.
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Um
bei kaltem Kühlmedium ein schnelleres Aufheizen zu erreichen
und damit auch den Schadstoffausstoß zu verringern, wird
das Laufrad 2 vom Antriebsstrang 3 entkoppelt. Über
die hydraulische oder pneumatische Betätigungseinrichtung 18 wird dabei
eine Druckstange 19 in axialer Richtung gegen die Federkraft
der Rückstellfeder 11 vom Kupplungstopf 12 wegbewegt
und damit der Kraftfluss unterbrochen. Der Kupplungstopf 12 weist
zumindest im Bereich des Mitnehmerstiftes 13 einen Rand 12a auf, welcher
zylindrisch und in Umfangsrichtung geschlossen ausgebildet sein
kann. Der Rand 12a stellt eine Sicherung für den
Mitnehmerstift 13 dar und verhindert, dass der Mitnehmerstift 13 durch
auftretende Fliehkräfte radial aus der Antriebswelle 4 herausgeschleudert
werden kann. Die axiale Erstreckung des Randes 12a ist
so bemessen, dass dieser auch bei maximal geöffneter Schaltkupplung
den Mitnehmerstift 13 ausreichend sichert.
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Als
weitere Besonderheit weist die Kühlmittelpumpe 1 eine
Bremseinrichtung 20 mit einer Bremsscheibe 21 auf,
welche zusammen mit der Druckstange 19 axial verschiebbar
ist. Die Bremsscheibe 21 wird bei zur Gänze geöffneter Schaltkupplung 7 gegen
das Laufrad 2 gedrückt, wie in 2 dargestellt
ist. Somit wird – nachdem der Mitnehmerstift 13 aus
der formschlüssigen Kontur des Kupplungstopfes 12 herausbewegt
wird – die Bremsscheibe 21 auf der Vorderseite
des Laufrades 2 angedrückt, wodurch das Laufrad 2 geringfügig
axial verschoben wird. Dies bewirkt, dass das Laufrad 2 mit
seiner Stirnkante 2a gegen das Gehäuse 6 gepresst
wird und somit – bei geöffneter Schaltkupplung 7 – vollkommen
stillsteht. Dies ermöglicht einen absoluten Stillstand
des Kühlmittelkreislaufes und verhindert, dass das Laufrad 2 zu
Folge des hydrodynamischen Effektes zwischen den beiden Kupplungselementen 8, 9 in
Rotation versetzt wird, wodurch ein Wasserdurchsatz in der Kühlmittelpumpe 1 von
einige Litern pro Minute erzeugt werden würde.
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Beim
Hochfahren der Kühlmittelpumpe 1 dagegen löst
sich die Bremsscheibe 21 vom Laufrad 2, wodurch
der Mitnehmerstift 13 durch den hydrodynamischen Effekt
den Kupplungstopf 12 samt dem Laufrad 2 beschleunigt.
Dadurch wird ein leichteres Einkuppeln des Mitnehmerstiftes 13 in
die Ausnehmung 17 des Kupplungstopfes 12 gewährleistet.
Zur Verbesserung des hydrodynamischen Effektes ist ein möglichst
geringes Spiel s von beispielsweise 0,5 mm zwischen dem Mitnehmerstift 13 und
dem Rand 12a des Kupplungstopfes 12 von Vorteil.
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Die 3 und 4 zeigen
ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Schaltkupplung 7 zwischen
einem Antriebsrad 22, beispielsweise einem Riemenrad, und
der Antriebswelle 4 zum Antrieb des Laufrades 2 angeordnet
ist. Ein als Mitnehmerstift 13 ausgebildetes erstes Kupplungselement 8 ist
dabei drehfest oder drehelastisch, z. B. über ein nicht
weiterdargestelltes Dämpfungselement, mit dem Antriebsrad 22 verbunden.
Der Mitnehmerstift 13 ist in einer Bohrung einer fest mit
dem Antriebsrad 22 drehverbundenen Scheibe 23 eingesetzt.
Ein im Ausführungsbeispiel als Kupplungstopf 12 ausgebildetes axial
verschiebbares zweites Kupplungselement 9 wird über
eine Rückstellfeder 11 in eine Einkuppelstellung
gedrückt. Der Kupplungstopf 12 grenzt an einen
Betätigungsraum 24 einer Betätigungseinrichtung 18,
in welchen eine Vakuumleitung 25 einmündet. Durch
Evakuieren des Betätigungsraumes 24 wird der Kupplungstopf 12 entgegen
der Kraft der Rückstellfeder 11 axial verschoben,
wodurch die Schaltkupplung 7 ausgekuppelt wird. Der drehbar
mit der Antriebswelle 4 verbundene Kupplungstopf 12 ist über
Lager 25, beispielsweise ein Nadellager, im Gehäuse 6 der
Kühlmittelpumpe 1 gelagert.
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Die
Ausführungsvarianten sind als nicht einschränkende
Beispiele zu verstehen. Insbesondere ist die Anordnung des Mitnehmerstiftes 13 bzw.
der Klaue 13a und des Kupplungstopfes 12 austauschbar.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10131792
C1 [0004]
- - KR 20040022854 A [0005]
- - JP 60-111016 A [0006]
- - WO 2007/048380 A1 [0007]
- - JP 2005-233044 A [0008]
- - DE 10235721 A1 [0009]
- - DE 19752372 A1 [0010]