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Die Erfindung betrifft eine Pumpe mit einem Antrieb und einem Triebsstrang zwischen dem Antrieb und der Pumpe, wobei der Triebstrang eine Viskokupplung und eine auf die Viskokupplung einwirkende mechanische Regeleinrichtung zum Regeln der Pumpendrehzahl in Abhängigkeit vom Pumpendruck umfasst,wobei die Viskokupplung zwei in Bezug zueinander drehbare Kupplungselemente umfasst, von denen eines mit dem Antrieb und das andere mit der Pumpe verbunden ist, und die Regeleinrichtung die Menge eines von der Pumpe zwischen die Kupplungselemente zugeführten Fluids in Abhängigkeit vom Pumpendruck verändert. Insbesondere betrifft die Erfindung eine von einer Brennkraftmaschine angetriebene Ölpumpe.
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Aus der Druckschrift
DE 602 14 120 T2 ist bereits eine durch eine Brennkraftmaschine angetriebene Wasserpumpe bekannt, in deren Triebstrang eine elektronisch gesteuerte Viskokupplung angeordnet ist, mit der sich die Drehzahl der Pumpe zur Verbesserung der Emissionen und zur Verringerung des Kraftstoffverbrauchs der Brennkraftmaschine steuern lässt.
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Da elektronische Steuerungen aber eine gewisse Störanfälligkeit aufweisen, ist eine solche Kupplung für einen Einsatz im Triebstrang einer Ölpumpe einer Brennkraftmaschine nicht oder nur schlecht geeignet, da eine Störung der Ölversorgung zu schweren Schäden an der Brennkraftmaschine führen kann.
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Als Ölpumpen von Brennkraftmaschinen werden üblicherweise Regelölpumpen eingesetzt, bei denen die Fördermenge in Abhängigkeit vom Pumpendruck geregelt wird. Jedoch weisen Regelölpumpen einen schlechteren Wirkungsgrad als Konstantölpumpen auf, so dass zur Verbesserung des Wirkungsgrades ein Einsatz von Konstantölpumpen erwünscht ist.
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Aus der Druckschrift
DE 197 46 814 A1 ist zudem eine Pumpeneinrichtung bekannt, mit einem Pumpenaggregat und Pumpenantriebsmitteln mit einer druckgesteuerten Flüssigkeitsreibungskupplung, die antriebsseitig an eine Antriebsquelle und abtriebsseitig an das Pumpenaggregat angekoppelt ist und die über einen Steuerdruckanschluss mit einem Kupplungsmomente bestimmenden Steuerdruck beaufschlagbar ist. Dabei ist vorgesehen, dass der Steuerdruckanschluss der Flüssigkeitsreibungskupplung über eine verbindende Steuerleitung an die Druckseite des Pumpenaggregates angeschlossen ist.
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Aus der Druckschrift
DE 199 38 285 A1 ist eine Einrichtung zur Regelung des Schmieröldruckes einer Brennkraftmaschine mit einem thermostatisch überwachten Öldruckregelventil bekannt, dessen Ventilkörper durch eine Druckfeder in Schließrichtung beaufschlagt ist, wobei der Ventilkörper in Abhängigkeit von der Ölfördermenge und der Öltemperatur eine Öffnung im Öldruckregelventil freigibt, über die das Öl auf der Saugseite der Ölpumpe zurückströmen kann. Es ist vorgesehen, dass das thermostatisch geregelte Öldruckregelventil Mittel aufweist, durch die der Ventilkörper die Öffnung im Öldruckregelventil mit steigender Schmieröltemperatur später freigibt und umgekehrt, so dass der Öldruck im kalten Betriebszustand der Brennkraftmaschine abgesenkt wird. Weiterhin offenbart die Druckschrift
DE 32 36 957 A1 ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Sicherstellung eines Zwangsschmierung und die Druckschrift
WO 2008/101136 A1 eine Zusatzheizanlage für Kraftfahrzeuge.
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Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Pumpe der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass die Störanfälligkeit verringert und die Pumpendrehzahl an die Mengenanforderung eines von der Pumpe versorgten Verbrauchers angepasst werden kann, wobei die Pumpe bei ihrer Inbetriebnahme sofort eine ausreichenden Fördermenge fördert.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Pumpe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 erreicht. Dabei ist vorgesehen, dass die Regeleinrichtung die beiden Kupplungselemente bis zum Erreichen eines vorbestimmten Pumpendrucks drehfest miteinander verriegelt.
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Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, ähnlich wie bei Regelölpumpen den Pumpendruck als Stellgröße zu verwenden, jedoch statt der Fördermenge der Pumpe deren Drehzahl mit Hilfe der auf die Viskokupplung einwirkenden mechanischen Regeleinrichtung in Abhängigkeit vom Pumpendruck zu verändern, so dass als Pumpe eine Konstantpumpe mit höherem Wirkungsgrad eingesetzt werden kann. Dadurch kann sich die Drehzahl der Pumpe selbsttätig an die benötigte Fördermenge anpassen, wobei eine Zunahme der benötigten Fördermenge zu einem Absinken des Pumpendrucks und damit zu einem Anstieg der Pumpendrehzahl führt, während andererseits eine Abnahme der benötigten Fördermenge zu einem Anstieg des Pumpendrucks und damit zu einem Absinken der Pumpendrehzahl führt. Unter dem Begriff Pumpendruck wird hier der Druck am Ausgang der Pumpe verstanden.
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Die Viskokupplung umfasst in an sich bekannter Weise zwei in Bezug zueinander drehbare Kupplungselemente, von denen eines mit dem Antrieb und das andere mit der Pumpe verbunden ist. Im Betrieb der Pumpe erfolgt die Drehmomentübertragung von dem mit dem Antrieb verbundenen Kupplungselement auf das mit der Pumpe verbundene Kupplungselement über ein Fluid zwischen den beiden Kupplungselementen, bei dem es sich vorzugsweise um das von der Pumpe geförderte Fluid, das heißt im Fall einer Ölpumpe um Schmieröl handelt.
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Die Erfindung sieht vor, dass zur Drehzahlregelung die Menge des zur Drehmomentübertragung dienenden Fluids zwischen den beiden Kupplungselementen der Viskokupplung veränderlich ist, vorzugsweise ebenfalls in Abhängigkeit vom Pumpendruck, indem bei sinkendem Pumpendruck Fluid zwischen die beiden Kupplungselemente zugeführt wird, um die Drehzahl des mit der Pumpe verbundenen Kupplungselements zu erhöhen bzw. an die Drehzahl des mit dem Antrieb verbundenen Kupplungselements anzunähern, während bei steigendem Pumpendruck Fluid aus der Viskokupplung abgeführt und die Zufuhr von Fluid zwischen die beiden Kupplungselemente unterbrochen wird, um die Drehzahl des mit der Pumpe verbundenen Kupplungselements zu senken.
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Um zu gewährleisten, dass die Pumpe bei ihrer Inbetriebnahme sofort eine ausreichende Fördermenge fördert, was insbesondere bei Ölpumpen von Brennkraftmaschinen von großer Bedeutung ist, verriegelt die Regeleinrichtung die beiden Kupplungselemente bis zum Erreichen eines vorbestimmten Pumpendrucks drehfest miteinander. Hierzu umfasst die Regeleinrichtung bevorzugt mindestens ein Verriegelungselement zur drehfesten Verriegelung der beiden Kupplungselemente, das diese vorzugsweise unter der Einwirkung einer Federkraft drehfest verriegelt, bis sich ein Pumpendruck aufgebaut hat. Vorteilhaft umfasst die Regeleinrichtung einen Regelkolben, der von dem sich aufbauenden Pumpendruck entgegen der Federkraft verschoben wird, um die beiden Kupplungselemente im Betrieb der Pumpe wieder zu entriegeln, so dass die Drehmomentübertragung wieder über das Fluid zwischen den beiden Kupplungselementen erfolgt.
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Bei dem Verriegelungselement kann es sich zweckmäßig um eine Kugel handeln, die sich auf einer verjüngten Umfangsfläche oder Schräge eines unter der Einwirkung der Federkraft stehenden, vorzugsweise drehfest mit einem der Kupplungselemente verbundenen Verriegelungsorgans abstützt und von der verjüngten Umfangsfläche oder Schräge in formschlüssigen Eingriff mit dem anderen Kupplungselement gedrückt wird, wenn das Verriegelungsorgan durch den Pumpendruck direkt oder indirekt über den Regelkolben entgegen der Federkraft verschoben wird.
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Vorteilhaft können der Regelkolben und/oder das Verriegelungsorgan axial verschiebbar im Inneren einer hohlen Pumpenantriebswelle untergebracht sein, welche die Pumpe drehfest mit dem zweiten Kupplungselement verbindet und gleichzeitig zur Zufuhr von Fluid zwischen die Kupplungselemente dient.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen
- 1 eine teilweise weggeschnittene perspektivische Ansicht einer Viskokupplung im Triebstrang einer Konstantölpumpe einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs beim Start der Brennkraftmaschine;
- 2 eine andere teilweise weggeschnittene perspektivische Ansicht der Viskokupplung aus 1;
- 3 eine Ansicht entsprechend 1, jedoch kurz nach dem Start der Brennkraftmaschine;
- 4 eine Ansicht entsprechend 1 und 3, jedoch nach dem Erreichen eines Soll-Pumpendrucks.
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Die in der Zeichnung dargestellte Viskokupplung 1 dient zur Regelung der Drehzahl einer von einer Brennkraftmaschine (nicht dargestellt) eines Kraftfahrzeugs angetriebenen Konstantölpumpe (nicht dargestellt), beispielsweise einer Außenzahnradpumpe, welche die Brennkraftmaschine im Betrieb aus einem Ölsumpf mit Schmieröl versorgt. Die Viskokupplung 1 ist innerhalb eines Kurbelraums der Brennkraftmaschine angeordnet, wobei sie jedoch nicht oder nur teilweise in das Schmieröl im Ölsumpf eingetaucht ist.
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Wie am besten in den 1, 3 und 4 dargestellt, umfasst die Viskokupplung 1 ein erstes Kupplungselement 2 und ein zweites Kupplungselement 3. Das erste Kupplungselement 2 ist drehfest mit einem über eine Antriebskette (nicht dargestellt) von der Brennkraftmaschine angetriebenen Zahnrad 4 verbunden, während das zweite Kupplungselement 3 drehfest mit einer über einen Teil ihrer Länge hohl ausgebildeten Antriebswelle 5 der Konstantölpumpe verbunden ist.
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Die beiden zur Drehachse 6 der Antriebswelle 5 koaxialen Kupplungselemente 2, 3 sind schalenförmig ausgebildet und umschließen gemeinsam einen ringförmigen Hohlraum 7. Wie am besten in 2 am Beispiel des zweiten Kupplungselements 3 dargestellt, weist jedes der beiden schalenförmigen Kupplungselemente 2, 3 innerhalb des Hohlraums 7 eine Vielzahl von Lamellen 8 auf, die jeweils paarweise zwischen sich Schmieröltaschen 9 begrenzen.
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Der Hohlraum 7 kann durch das hohle Innere der Antriebswelle 5 hindurch mit dem Galleriedruck der Brennkraftmaschine, d.h. dem Pumpendruck p der Konstantölpumpe, beaufschlagt werden, um Schmieröl ins Innere des Hohlraums 7 zuzuführen, und kommuniziert durch schmale, am äußeren Umfang der Viskokupplung 1 zwischen den beiden Kupplungselementen 2, 3 angeordnete Ringspalte 10 mit dem Kurbelraum, so dass sich der Hohlraum 7 durch die Ringspalte 10 hindurch in den Kurbelraum entleeren kann.
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Wenn der Hohlraum 7 ganz oder teilweise mit Schmieröl gefüllt ist und das erste Kupplungselement 2 über das Zahnrad 4 von der Brennkraftmaschine angetrieben wird, wird das Schmieröl innerhalb des Hohlraums 7 durch die Drehung der Lamellen 8 des ersten Kupplungselements 2 in Drehung versetzt. Das rotierende Schmieröl wirkt auf die Lamellen 8 des zweiten Kupplungselements ein und versetzt diese in Drehung, so dass zwischen dem ersten und zweiten Kupplungselement 2, 3 ein Drehmoment übertragen wird. Das übertragene Drehmoment ist umso größer, je größer die Differenz der Drehzahlen der beiden Kupplungselemente 2, 3 ist.
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Zur Regelung der Pumpendrehzahl n der Konstantölpumpe in Abhängigkeit vom Pumpendruck p weist die Viskokupplung 1 eine mechanische Regeleinrichtung 11 auf, mit der sich die Menge des Schmieröls innerhalb des Hohlraums 7 und damit die Drehzahldifferenz der beiden Kupplungselemente 2, 3 in Abhängigkeit vom Pumpendruck regeln lässt.
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Die Regeleinrichtung 11 umfasst einen Regelkolben 12, der innerhalb der hohlen Antriebswelle 5 entgegen der Kraft einer Schraubendruckfeder 13 axial verschiebbar ist. Wie am besten in den 1, 3 und 4 dargestellt, weist der Regelkolben 12 einen der Konstantölpumpe zugewandten kurzen erweiterten Endabschnitt 14 auf, dessen Außendurchmesser dem Innendurchmesser einer zylindrischen Sacklochbohrung 15 in der Antriebswelle 5 entspricht. Die Sacklochbohrung 15 kommuniziert in einer Ausgangsstellung des Regelkolbens (1 und 2) durch eine erste und eine zweite Gruppe von radialen Bohrungen 16 bzw. 17 beiderseits des erweiterten Endabschnitts 14 mit dem Ausgang der Konstantölpumpe. Der zur Viskokupplung 1 benachbarte, von der Schraubendruckfeder 13 umgebene längere Abschnitt 18 des Regelkolbens 12 weist einen etwas kleineren Außendurchmesser auf, so dass das Schmieröl aus der Konstantölpumpe durch die erste und die zweite Gruppe von Bohrungen 16 bzw. 17 hindurch ins Innere der hohlen Antriebswelle 5 zugeführt werden kann.
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Die Schraubendruckfeder 13 stützt sich mit ihrem pumpenseitigen Stirnende gegen den erweiterten Endabschnitt 14 des Regelkolbens 12 und mit ihrem kupplungsseitigen Stirnende gegen ein ringförmiges Widerlager 19 ab, das in einen erweiterten Teil der Sacklochbohrung 15 radial einwärts vom zweiten Kupplungselement 3 eingesetzt ist und einen Hindurchtritt des ins Innere der Antriebswelle 5 zugeführten Schmieröls gestattet.
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Die Regeleinrichtung 11 umfasst weiter einen hohlen Stopfen 20, der von der Zahnradseite her in die Sacklochbohrung 15 eingesetzt, drehfest mit der Antriebswelle 5 verbunden und an seinem erweiterten zahnradseitigen Stirnende gegenüber dem ersten Kupplungselement 2 abgedichtet ist. Der hohle Stopfen 20 beherbergt im Inneren radial einwärts von den beiden Kupplungselementen 2, 3 einen Sperrkolben 21, der eine axiale Durchgangsbohrung 22 aufweist und innerhalb des hohlen Stopfens 20 axial verschiebbar ist. Der Sperrkolben 21 stützt sich mit seinem zahnradseitigen Stirnende gegen eine in den Stopfen 20 eingesetzte Schraubendruckfeder 23 ab, während er mit seinem entgegengesetzten Stirnende gegen das benachbarte kupplungsseitige Stirnende des Regelkolbens 12 anliegt, so dass er gemeinsam mit dem Regelkolben 12 verschoben wird.
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Das pumpenseitige Ende der Durchgangsbohrung 22 kommuniziert durch das Innere der Sacklochbohrung 15 hindurch mit der ersten Gruppe von Bohrungen 16, während das zahnradseitige Ende der Durchgangsbohrung 22 durch eine die Schraubendruckfeder 23 beherbergenden Ausnehmung 24 des Stopfens 20 und mehrere radial auswärts von der Ausnehmung 24 im Stopfen 20 und im ersten Kupplungselement 2 ausgesparte Schmierölkanäle 25, 26 mit dem Hohlraum 7 zwischen den beiden Kupplungselementen 2, 3 kommuniziert, so dass das durch die erste Gruppe von Bohrungen 16 hindurch ins Innere der hohlen Antriebswelle 5 zugeführte Schmieröl durch die Sachlochbohrung 15, die Durchgangsbohrung 22 und die Schmierölkanäle 25 und 26 in den Hohlraum 7 geleitet wird.
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Die Regeleinrichtung 11 umfasst außerdem zwei Verriegelungskugeln 27, die jeweils in eine radiale Aussparung 28 des Stopfens 20 eingesetzt sind und dazu dienen, die beiden Kupplungselemente 2, 3 im Stillstand und beim Start der Brennkraftmaschine drehfest miteinander zu verriegeln. Zu diesem Zweck weist der Sperrkolben 21 radial einwärts von den beiden Kupplungselementen 2, 3 eine zur Abstützung der Verriegelungskugeln 27 dienende Umfangsfläche 29 auf, die sich in Richtung der Konstantölpumpe verjüngt.
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Im Stillstand der Brennkraftmaschine drücken die beiden Schraubendruckfedern 13 und 23 den Regelkolben 12 und den Sperrkolben 21 in die in 1 und 2 dargestellte Ausgangsstellung, in der die Umfangsfläche 29 des Sperrkolbens 21 mit ihrem größten Durchmesser radial einwärts von den radialen Aussparungen 28 des Stopfens 20 angeordnet ist, so dass die beiden Verriegelungskugeln 27 vom Sperrkolben 21 am weitesten radial nach außen gedrückt werden. Wie am besten in 2 dargestellt, greifen die Verriegelungskugeln 27 in dieser Stellung formschlüssig in kalottenförmige Vertiefungen 30 eines Mitnehmerprofils am gegenüberliegenden inneren Umfang des ersten Kupplungselements 2 ein, so dass dieses letztere drehfest mit dem Stopfen 20 und damit mit dem zweiten Kupplungselement 3 verriegelt wird.
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Dadurch wird sichergestellt, dass einerseits beim Start der Brennkraftmaschine das gesamte, von der Brennkraftmaschine aufgebrachte Drehmoment vom ersten Kupplungselement 2 auf das zweite Kupplungselement 3 übertragen wird, und dass sich andererseits beim Start der Brennkraftmaschine das zweite Kupplungselement 3 mit der Drehzahl des ersten Kupplungselements 2 dreht. Dies wäre ohne die Verriegelung der beiden Kupplungselemente 2, 3 nicht möglich, da sich der Hohlraum 7 im Inneren der Viskokupplung 1 im Stillstand der Brennkraftmaschine durch die Ringspalte 10 entleert, so dass er nach der Inbetriebnahme der Brennkraftmaschine zuerst wieder mit Schmieröl befüllt werden muss, bevor ein für einen Hochlauf der Pumpe erforderliches Drehmoment vom ersten Kupplungselement 2 über das Schmieröl im Hohlraum 7 auf das zweite Kupplungselement 3 übertragen werden kann. Durch die Verriegelung der beiden Kupplungselemente 2, 3 wird zudem die Konstantölpumpe bereits während des Starts der Brennkraftmaschine mit der Drehzahl des ersten Kupplungselements 2 angetrieben, wodurch von der Konstantölpumpe sofort Schmieröl aus dem Ölsumpf angesaugt und in ausreichender Menge zu den Schmierstellen der Brennkraftmaschine gefördert wird. Dies wäre ohne die Verriegelung ebenfalls nicht möglich, da bei leerem Hohlraum 7 das zweite Kupplungselement 3 nicht vom ersten Kupplungselement 2 angetrieben wird und somit die Pumpendrehzahl n Null beträgt.
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Das sofort beim Start der Brennkraftmaschine von der Konstantölpumpe geförderte Schmieröl wird auch zu den beiden Gruppen von Bohrungen 16, 17 zugeführt. Das durch die erste Gruppe von Bohrungen 16 in die Sacklochbohrung 15 strömende Schmieröl wird durch den Pumpendruck p in den Hohlraum 7 zwischen den beiden Kupplungselementen 2, 3 zugeführt, wie zuvor beschrieben, so dass sich der Hohlraum 7 mit Schmieröl füllt.
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Gleichzeitig wirkt das Schmieröl durch die zweite Gruppe von Bohrungen 17 hindurch mit dem Pumpendruck p auf die pumpenseitige Stirnfläche des Regelkolbens 12 ein, so dass dieser zusammen mit dem Sperrkolben 21 entgegen der Kraft der beiden Schraubendruckfedern 13 und 23 verschoben wird, sobald die vom Pumpendruck p ausgeübte Kraft die Federkraft der beiden Schraubendruckfedern 13 und 23 übersteigt. Bei der Verschiebung des Sperrkolbens 21 verringert sich der Durchmesser der verjüngten Umfangsfläche 29 radial einwärts von den Aussparungen 28 des Stopfens 20, wodurch die Verriegelungskugeln 27 nicht mehr in die in die kalottenförmigen Vertiefungen 30 des Mitnehmerprofils gedrückt werden.
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Wenn der Regelkolben 12 die in 3 dargestellte Stellung erreicht, in der die Verriegelungskugeln 27 ganz aus den kalottenförmigen Vertiefungen 30 des Mitnehmerprofils austreten, werden die beiden Kupplungselemente 2, 3 entriegelt. Anschließend erfolgt die Drehmomentübertragung ausschließlich über das Schmieröl im Hohlraum 7 zwischen den beiden Kupplungselementen 2, 3 der Viskokupplung 1.
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Wenn der Pumpendruck p der Konstantölpumpe weiter ansteigt und einen Soll-Pumpendruck pSoll erreicht, gelangt der Regelkolben 12 in die in 4 dargestellte Stellung, in welcher der erweiterte Endabschnitt 14 des Regelkolbens 12 die erste Gruppe von Bohrungen 16 verschließt und die Zufuhr von Schmieröl in den Hohlraum 7 der Viskopumpe 1 unterbricht. Da infolge der auf das Schmieröl im Hohlraum 7 einwirkenden Zentrifugalkraft Schmieröl durch die Ringspalte 10 zwischen den beiden Kupplungselementen 2, 3 aus dem Hohlraum 7 austritt, sinkt die Drehzahl des zweiten Kupplungselements und damit die Pumpendrehzahl n allmählich ab. Dadurch nimmt die Fördermenge der Pumpe ab und der Pumpendruck p sinkt unter den Pumpendruck pSoll. Das Absinken des Pumpendrucks p unter den Pumpendruck pSoll bewirkt wiederum, dass sich der Regelkolben 12 in Richtung der in 3 dargestellten Stellung verschiebt und die Schmierölzufuhr in den Hohlraum 7 der Viskokupplung 1 erneut freigegeben wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Viskokupplung
- 2
- Kupplungselement
- 3
- Kupplungselement
- 4
- Zahnrad
- 5
- Pumpenantriebswelle
- 6
- Drehachse
- 7
- Hohlraum
- 8
- Lamellen
- 9
- Schmieröltaschen
- 10
- Ringspalte
- 11
- Regeleinrichtung
- 12
- Regelkolben
- 13
- Schraubendruckfeder
- 14
- erweiterter Endabschnitt Regelkolben
- 15
- Sacklochbohrung
- 16
- erste Gruppe von Bohrungen
- 17
- zweite Gruppe von Bohrungen
- 18
- längerer Abschnitt Regelkolben
- 19
- Widerlager für Schraubendruckfeder
- 20
- Stopfen
- 21
- Sperrkolben
- 22
- Durchgangsbohrung Sperrkolben
- 23
- Schraubendruckfeder
- 24
- Aussparung Stopfen
- 25
- Schmierölkanal im Stopfen
- 26
- Schmierölkanal im ersten Kupplungselement
- 27
- Verriegelungskugel
- 28
- Ausnehmung im Stopfen
- 29
- verjüngte Umfangsfläche Sperrkolben
- 30
- kalottenförmige Vertiefungen Mitnehmerprofil
