DE102011077030A1

DE102011077030A1 - Regelbare Kühlmittelpumpe

Info

Publication number: DE102011077030A1
Application number: DE102011077030A
Authority: DE
Inventors: Markus POPP; Sebastian Hurst; Michael Weiss
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2011-06-07
Filing date: 2011-06-07
Publication date: 2012-12-13
Also published as: WO2012167953A1; US20140037432A1; CN103688061A

Abstract

Kühlmittelpumpe für einen Kühlkreislauf, einer Brennkraftmaschine mit einem Pumpengehäuse (1), in welchem eine antreibbare Welle (2a) gelagert ist, an deren einem Ende ein Laufrad (4) befestigt ist, welches in einen Saugraum (7) hineinragende Flügel (6) aufweist und mit einer Deckscheibe (9) verbunden ist, wobei durch die Rotation des Laufrades (4) gemeinsam mit der Deckscheibe (9) Fluid über einen Saugstutzen (10) des Pumpengehäuses (1) in den Saugraum (7) saugbar und über die Flügel (6) in das Pumpengehäuses (1) beförderbar ist, wobei zwischen Laufrad (4) und Deckscheibe (9) eine über eine Stelleinheit (3) axial verschiebbar Leitscheibe (12) angeordnet ist, welche eine zum Laufrad (4) korrespondierenden Kontur und eine in Richtung des Laufrads (4) orientierte Auskragung (13) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitscheibe (12) mindestens eine Öffnung (11) aufweist.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kühlmittelpumpe, für einen Kühlkreislauf einer Brennkraftmaschine, mit einem Pumpengehäuse. In welchem eine antreibbare Welle gelagert ist, an deren einem Ende ein Laufrad befestigt ist, welches in einen Saugraum hineinragende Flügel aufweist und mit einer Deckscheibe verbunden ist. Auf Grund der Rotation der Deckscheibe und des Flügel aufweisenden Laufrades wird Fluid über einen Saugstutzen des Pumpengehäuses in den Saugraum gesaugt und über die Flügel weiter in das Pumpengehäuse befördert. Zwischen Laufrad und Deckscheibe ist eine über eine Stelleinheit axial verschiebbar Leitscheibe angeordnet. Die Leitscheibe weist eine zum Laufrad korrespondierende Kontur und eine in Richtung des Laufrads orientierte Auskragung auf.
Hintergrund der Erfindung
Um eine schnelle Erwärmung des Verbrennungsmotors zu erreichen und die Motortemperatur gezielt einzustellen, sollte die Kühlmittelpumpe schaltbar und im besten Fall regelbar sein. Dies wird gezielt durch die Einstellung des Förderstroms erreicht. Um den Förder- bzw. den Volumenstrom einzustellen, wird die Leitscheibe innerhalb des Flügelrades axial in der Pumpe verschoben. Dies muss über einen Aktuator geschehen, welcher möglichst bauraumneutral, vorzugsweise in Axialrichtung, verbaut ist. Ein Kühlmittelpumpe gemäß der vorgenannten Gattung ist aus der Druckschrift DE 10 2008 046 424 A1 bekannt.
Versuche haben gezeigt, dass die resultierenden hydraulischen Kräfte auf die Leitscheibe über 150N je nach Drehzahl, Stellposition und Pumpenausführung annehmen können. Dieser Kraftbedarf muss von einem Aktuator aufgebracht werden, welcher bei sämtlichen Drehzahlen, Temperaturen und Wiederholhäufigkeiten die Verstellung der Leitscheibe garantieren muss. Dieser Umstand bedingt eine gewisse Größe bzw. ein gewisses Grundprinzip an Aktuatorik. Aus diesem Grund wird meist ein teurer Aktuator mit hohem Bauraumbedarf verwendet.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine schalt- bzw. regelbare Kühlmittelpumpe zur Verfügung zu stellen, deren Aktuator keine zusätzlichen Kosten oder Bauraum benötigt, um die Kräfte zur Verstellung der Leitscheibe aufzubringen.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Leitscheibe mindestens eine Öffnung aufweist. Durch die vorhandene Öffnung wird der effektive Druckunterschied zwischen Leitscheibenvorder- und Leitscheibenrückseite reduziert, was wiederum die zur Verschiebung der Leitscheibe benötigte Axialkraft reduziert. Der Strömungsaustausch zwischen Leitscheibenvorder- und Leitscheibenrückseite wird erleichtert. Das hinter der Leitscheibe radial geförderte Fluid weist einen flügelradtypischen Fliehdruck auf. Zusammen mit einem gewissen Stauanteil, welcher nach Eintritt durch die Bohrungen beim axialen Auftreffen auf die Flügelradrückwand entsteht, wird ein mittlerer Druck hinter der Leitscheibe generiert. Das unter Druck stehende Fluid weist somit eine Kraftkomponente auf, welche in Richtung „Leitscheibe schließen“ führt. Die Richtung „Leitscheibe schließen“ beschreibt die axiale Verschiebung der Leitscheibe in Richtung Deckscheibe. Dies hat eine Reduzierung der resultierende Kraft in Richtung „Leitscheibe öffnen“ zu Folge. Die Richtung „Leitscheibe öffnen“ beschreibt die axiale Verschiebung der Leitscheibe in Richtung Laufrad. Dadurch wird der Aktuator, in seiner Verfahrfunktion, bezüglich der aufzubringenden Kraft entlastet.
Als vorteilhaft hat sich erwiesen, mehr als eine Öffnung in die Leitscheibe einzubringen. Dabei können die Öffnungen unterschiedliche Formen aufweisen, z.B. strömungsoptimierte Formen zur Ausnutzung von Strömungseffekten oder radiale, auf der Leitscheibe verlaufende Öffnungen oder fertigungsoptimierte Formen zur günstigeren Herstellung. Unabhängig von der Ausführungsform, ist die wirkungsvollste Anordnung der Öffnungen im Bereich nahe der Leitscheibendrehachse.
Des Weiteren ist in der Diagrammdarstellung in 4 gezeigt, wie sich die Fluidkräfte in Abhängigkeit des Öffnungsgrades der Leitscheibe verhalten. Im Idealfall beträgt die Fluidkraft Null, dadurch könnte der Aktuator die Leitscheibe ohne zusätzlichen Kraftaufwand axial verfahren. Bei einer Leitscheibe ohne Öffnungen ist das erreichen einer Fluidkraft von Null, wie dem Diagramm zu entnehmen ist, nicht möglich. Je höher die Anzahl der Öffnungen umso schneller sinkt das Kräfteniveau. Allerdings zeigt das Diagramm auch, dass das Kräfteniveau ab einem bestimmten Öffnungsgrad der Leitscheibe und einer bestimmten Anzahl an Öffnungen, ein negatives Vorzeichen annimmt. Ein negatives Kräfteniveau bzw. negative Fluidkräfte bedeuten, dass die Leitscheibe in Richtung der Deckscheibe verfährt und somit den Fluiddurchfluß innerhalb der Wasserpumpe unterbindet. Dies gilt es zu vermeiden. Damit der Aktuator ausreichend Kraft gegen die negativen Fluidkräfte aufbringen kann, müsste er stärker bzw. größer dimensioniert werden, was wiederum zusätzliche Kosten verursachen würde.
Um dies zu verhindern, kann die Stelleinheit optional eine Feder aufweisen. Die Feder bewirkt dabei, dass die Leitscheibe indirekt über die Welle in Richtung „Leitscheibe öffnen“ druckbeaufschlagt wird. Diese Ausführungsform stellt eine Fail-Safe-Lösung dar. Wenn der Aktuator ausfällt und die Leitscheibe auf Grund von einer negativen Fluidkraft in Richtung „Leitscheibe schließen“ gezogen wird, was eine Verringerung des Kühlmittelflusses zur Folge hat, erzeugt die Feder einen Gegendruck, um die Leitscheibe am Schließen zu hindern. Bei dieser Ausführungsform müsste man allerdings die gesamten Kräftekurven um die Vorspannung der Feder erhöhen. Dadurch würde die zuvor gewonnene Kräftereduzierung teilweise wieder aufgehoben.
Um einen gebräuchlichen und kostengünstigen Aktuator verwenden zu können, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, den Öffnungsrad der Leitscheibe und die Anzahl der Öffnungen innerhalb der Leitscheibe so abzustimmen. Dadurch stellt sich eine auf die Leitscheibe einwirkende Fluidkraft von 20–50 N einstellt, welche die Leitscheibe in Richtung Laufrad drückt und somit die Kühlmittelpumpe öffnet. Damit sollen negative Fluidkräfte verhindert werden, was wiederum den Einsatz eine Fail-Safe-Feder überflüssig macht. In Konkretisierung der Erfindung ist es deshalb vorgeschlagen, dass das Laufrad eine zusätzliche Verschlusskontur aufweist, welche in Richtung der Leitscheibe zeigt und das die Verschlusskontur mit der zumindest einen Öffnung der Leitscheibe in Eingriff bringbar ist und diese teilweise oder ganz verschließt.
Im Weiteren ist es vorgesehen, dass die Verschlusskontur stiftartig ausgeführt ist, wobei die Verschlusskontur mehr als ein stiftartiges Verschlusselement aufweist und die einzelnen Verschlusselemente sich in ihren Abmaßen (Länge und/oder Durchmesser) voneinander unterscheiden.
Die axial gestufte Verschlusskontur kann im umspritzten Laufrad oder in dessen Einlegeteil angeordnet sein. Erfindungsgemäß weisen die Stifte verschiedene Längen auf, so dass beim Verschieben der Leitscheibe in Richtung der Verschlusskontur zuerst eine Öffnung durch ein längeres, stiftartiges Verschlusselement verschlossen wird und beim weiteren Verfahren der Leitscheibe in Richtung der Verschlusskontur eine weitere Öffnung von einem kürzeren, stiftartigen Verschlusselement verschlossen wird. Ebenso denkbar wären auch Verschlusselemente mit unterschiedlichen Durchmessern und den dazu korrespondierenden Öffnungen in der Leitscheibe.
Eine weitere Möglichkeit der Erfindung besteht darin, dass zumindest ein Verschlusselement gestuft ausgeführt ist, dadurch ist es möglich, die Öffnung partiell zu verschließen.
Nach einer Weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Stelleinheit einen Aktuator umfasst, welcher unabhängig von der Drehzahl des Laufrades aktuiert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den 1 bis 4 dargestellt, die nachfolgend detailliert beschrieben sind, wobei sich die Erfindung nicht auf diese Ausführungsbeispiele beschränkt.

Es zeigen:

Figur 1	eine Schnittdarstellung einer regelbaren Kühlmittelpumpe mit ge schlossener Leitscheibe und in die Leitscheibe eingebrachte Öff nungen,
Figur 2a	eine schematische Darstellung der Leitscheibe deren Öffnungen mittels Verschlusselementen verschlossen sind,
Figur 2b	eine schematische Darstellung der Leitscheibe wobei nur eine Öffnung durch ein Verschlusselement verschlossen ist,
Figur 2c	eine schematische Darstellung der Leitscheibe mit unverschlos senen Öffnungen,
Figur 3	eine Detailansicht der Leitscheibe mit einem gestuften Ver schlusselement und
Figur 4	ein Diagramm mit unterschiedlichen Fluidkraftkurven in Abhängig keit der Öffnungsanzahlen und dem Öffnungsgrad der Leitschei be.

Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt eine Kühlmittelpumpe für einen Kühlkreislauf einer Brennkraftmaschine mit einem Pumpengehäuse 1. In welchem eine antreibbare Welle 2a gelagert ist, an deren einem Ende ein Laufrad 4 befestigt ist. Das Laufrad 4 weist in den Saugraum 7 hineinragende Flügel 6 auf. Das Laufrad 4 und die Deckscheibe 9 sind miteinander verbunden. Bei der Rotation des Laufrades 4 wird Fluid über einen Saugstutzen 10 des Pumpengehäuses 1 in den Saugraum 7 befördert. Zwischen dem Laufrad 4 und der Deckscheibe 9 ist eine über eine Stelleinheit 3 axial verschiebbare Leitscheibe 12 angeordnet. Die Leitscheibe 12 weist eine zum Laufrad 4 korrespondierende Kontur und eine in Richtung des Laufrads 4 orientierte Auskragung 13 auf. Um eine schnelle Erwärmung des Verbrennungsmotors zu erreichen und die Motortemperatur gezielt einzustellen, muss die Kühlmittelpumpe regelbar bzw. schaltbar sein. Hierzu wird ein Volumenstrom bedarfsgerecht eingestellt. Um den Volumenstrom einzustellen wird die Leitscheibe 12 axial im Pumpengehäuse 1 verschoben. Die innerhalb zwischen Laufrad 4 und Deckscheibe 9 verschoben Leitscheibe 12 verändert den Öffnungsgrad und steuert somit den Durchlass des Volumenstroms. Die Stelleinheit 3 umfasst sowohl die Welle 2a und eine in der Welle 2a axial verschiebbare Schubstange 2b, sowie einen die Schubstange 2b aktuierenden Aktuator 14. Die Schubstange 2b steht in direkter Verbindung mit der Leitscheibe 12. Die Verschiebung der Leitscheibe 12 wird durch den Aktuator 14 gesteuert. Der Aktuator 14 soll möglichst bauraumneutral in die Kühlmittelpumpe integriert sein. Aus diesem Grund gilt es, die auf die Leitscheibe 12 aus dem Volumenstrom resultierenden Kräfte so gering wie möglich zu halten, um auch den Aktuator 14 bauraumgünstig auswählen zu können. Damit nun das Kräfteniveau auf die Leitscheibe 12 und somit auf den Aktuator 14 verringert werden kann, werden erfindungsgemäß Öffnungen 11 in die Leitscheibe 12 eingebracht. Durch das Einbringen der Öffnungen 11 wird der effektive Druckunterschied zwischen Leitscheibenvorderseite (Fläche die der Deckscheibe zugewandt ist) und Leitscheibenrückseite (Fläche die dem Laufrad zugewandt ist) reduziert. Dies hat wiederum eine Reduzierung der auf die Leitscheibe 12 wirkenden Fluidkräfte des Volumenstroms zur Folge. Der Strömungsaustausch zwischen Leitscheibenvorder- und Leitscheibenrückseite wird somit erleichtert. Im Weiteren generiert das radial geförderte Fluid an der Leitscheibenrückseite ein Druckpolster. Dieser Druck führt zu einer Kraftkomponente in Richtung „Leitscheibe schließen“, was wiederum die resultierende Kraft in Richtung „Leitbscheibe öffnen“ reduziert und dadurch den Aktuator 14 in seiner Verfahrfunktion entlastet. Die Leitscheibe 12 ist geschlossen, wenn die Leitscheibenvorderseite an der Deckscheibe 9 anliegt und kein Volumenstrom mehr fließen kann. Der Öffnungsgrad der Leitscheibe 12 ist ein Indiz für die Menge des die Kühlmittelpumpe durchfließenden Volumenstroms. Im Diagramm aus 4 wird der Zusammenhangen zwischen der Anzahl der in die Leitscheibe 12 eingebrachten Öffnungen 11, dem Öffnungsgrad der Leitscheibe 12 und die auf die Leitscheibe 12 einwirkenden Fluidkräfte ersichtlich. Mit steigender Anzahl an Öffnungen 11, bei gleichem Öffnungsrad der Leitscheibe 12, nehmen die Kräftekurven ab. Ab einem bestimmten Öffnungsgrad kehren sich die Kräftekurven jedoch teilweise ins Negative um. Dies hat eine Krafteinwirkung auf die Leitscheibe 12 in Richtung „Leitscheibe schließen“ zur Folge, somit wird eine Fail-Safe-Lösung benötigt. Dies bedeutet, dass die Leitscheibe 12 nicht ungewollt geschlossen werden darf, solange eine Kühlung des Motors noch erforderlich ist. Eine Lösung dafür wäre, der Einsatz einer zusätzlichen Feder 8. Die Feder ist innerhalb der Stelleinheit 3 eingebracht und wirkt auf die Schubstange 2b ein. Diese Feder 8 muss eine Vorspannung aufweisen, so dass selbst bei Ausfall des Aktuators 14 die Leitscheibe 12 über die Schubstange 2b in Richtung des Laufrades 4 in eine Grundstellung zurück verschoben wird. Um diese negativen Kräfte durch eine sogenannte „Failsafe-Feder“ wieder aufzuheben, müsste man die gesamten Kräftekurven um die Vorspannung dieser Feder 8 erhöhen müssen. Dies hätte wiederum zur Folge, dass die durch die Öffnungen 11 erreichte Kräftereduzierung teilweise wieder eingebüßt werden würde. Was dazu führt, dass ein leistungsstarker und somit ein einen größeren Bauraum einnehmender Aktuator 14 zum Einsatz kommen müsste.

Als erfindungsgemäße Weiterbildung wird deshalb ein variables zu- und abschalten der Öffnungen 11 der Leitscheibe 12 in Abhängigkeit des Öffnungsgrades vorgeschlagen. Dies wird durch eine Verschlusskontur 5 realisiert, welche in das mit Flügel 6 versehene Laufrad 4 eingebracht ist. Dies kann in das Stahleinlegeteil des Laufrades 4 oder in dessen Umspritzung selbst eingebracht sein, wie in den 2 bis 3 dargestellt. Durch das axiale Verfahren der Leitscheibe 12, in Richtung des Laufrades 4 greifen die stiftartig ausgebildeten Verschlusselemente 5a in eine oder in mehrere Öffnungen 11 ein und verschließen diese. In dem in 4 gezeigten Diagrammen ist eine idealisierte Kräftekurve 20 dargestellt. Die idealisierte Kräftekurve 20 zeigt eine nahezu gleichbleibende Krafteinwirkung auf die Leitscheibe 12 auf, unabhängig von deren Öffnungsgrad. Diese idealisierte Kräftekurve 20 kann nur umgesetzt werden, wenn nach Erreichung des jeweiligen markierten Arbeitspunktes S_x auf einen der nächst gelegenen Arbeitspunkte „gesprungen“ wird. Dies wird durch eine Veränderung der Anzahl der Öffnungen 11 der Leitscheibe 12, sowie dem Öffnungsgrad der Leitscheibe 12 erreicht. Umgesetzt wird dies, durch eine axial gestufte Verschlusskontur 5, welche stiftartige Verschlusselemente 5a aufweist. Die Verschlusselemente 5a greifen in die Öffnungen 11 der sich axial zwischen Laufrad 4 und Deckscheibe 9 verschiebenden Leitscheibe 12 ein. Auf Grund der sich verschiebenden Leitscheibe 12 ändert sich der Öffnungsgrad und auf Grund der Verschlusskontur 5, werden zudem unterschiedliche Anzahlen von Öffnungen 11 entweder freigegeben oder verschlossen. 2a zeigt die Leitscheibe 12 in einer geöffneten Position mit verschlossenen Öffnungen. Dies entspricht im Diagramm einem Arbeitsbereich von 100% Öffnungsgrad bis zum Arbeitspunkt S1. 3 zeigt eine gestuftes, stiftartiges Verschlusselement 5a, durch welche auch halb verschlossene Öffnungen 11 realisiert werden können. Dies entspricht im Diagramm dem Arbeitsbereich zwischen den Arbeitspunkten S1 bis S2. 2b in welcher die Leitscheibe 12 in Richtung „Schließen“ verschoben wurde, zeigt eine geschlossene Öffnung 11. Dies entspricht im Diagramm dem Arbeitsbereich zwischen den Arbeitspunkten S2 bis S3. 2c zeigt die Leitscheibe 12 in geschlossenem Zustand mit zwei unverschlossenen Öffnungen. Dies entspricht im Diagramm, je nach Öffnungsgrad, dem Arbeitsbereich zwischen den Arbeitspunkten S3 bis S4 bzw. 0% Öffnungsgrad. Bezugszahlenliste

1	Pumpengehäuse
2a	Welle
2b	Schubstange
3	Stelleinheit
4	Laufrad
5	Verschlusskontur
5a	Verschlusselement
6	Flügel
7	Saugraum
8	Feder
9	Deckscheibe
10	Saugstutzen
11	Öffnung
12	Leitscheibe
13	Auskragung
14	Aktuator
20	idealisierte Kräftekurve
S1	Arbeitspunkt 1
S2	Arbeitspunkt 2
S3	Arbeitspunkt 3
S4	Arbeitspunkt 4

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008046424 A1 [0002]

Claims

Kühlmittelpumpe für einen Kühlkreislauf, einer Brennkraftmaschine mit einem Pumpengehäuse (1), in welchem eine antreibbare Welle (2a) gelagert ist, an deren einem Ende ein Laufrad (4) befestigt ist, welches in einen Saugraum (7) hineinragende Flügel (6) aufweist und mit einer Deckscheibe (9) verbunden ist, wobei durch die Rotation des Laufrades (4) gemeinsam mit der Deckscheibe (9) Fluid über einen Saugstutzen (10) des Pumpengehäuses (1) in den Saugraum (7) saugbar und über die Flügel (6) in das Pumpengehäuses (1) beförderbar ist, wobei zwischen Laufrad (4) und Deckscheibe (9) eine über eine Stelleinheit (3) axial verschiebbar Leitscheibe (12) angeordnet ist, welche eine zum Laufrad (4) korrespondierenden Kontur und eine in Richtung des Laufrads (4) orientierte Auskragung (13) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitscheibe (12) mindestens eine Öffnung (11) aufweist.
Kühlmittelpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Laufrad (4) eine Verschlusskontur (5) aufweist, welche in Richtung der Leitscheibe (12) zeigt.
Kühlmittelpumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschlusskontur (5) mit der zumindest einen Öffnung (11) der Leitscheibe (12) in Eingriff bringbar ist und diese teilweise oder ganz verschließt.
Kühlmittelpumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschlusskontur (5) stiftartig ausgeführt ist.
Kühlmittelpumpe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschlusskontur (5) mehr als ein stiftartiges Verschlusselement (5a) aufweist, wobei die einzelnen Verschlusselemente (5a) sich in ihren Maßen voneinander unterscheiden.
Kühlmittelpumpe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Verschlusselement (5a) gestuft ausgeführt ist.
Kühlmittelpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stelleinheit (3) einen Aktuator (14) umfasst, welcher unabhängig von einer Drehzahl des Laufrades (4) aktuiert.
Kühlmittelpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stelleinheit (3) eine Feder (8) aufweist, durch welche die Leitscheibe (12) in eine Grundstellung zurückgestellt wird.