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Die Erfindung betrifft eine schaltbare Kupplung, insbesondere für eine Fluidpumpe eines Fahrzeugs, mit einer Federeinrichtung, welche an einer Kupplungsnabe einer Antriebswelle und an einer Kupplungsnabe einer Abtriebswelle anlegbar angeordnet und mit einer Steuerhülse verbunden ist.
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Weiterhin betrifft die Erfindung eine schaltbare Pumpe, insbesondere eine Fluidpumpe wie beispielsweise eine Kühlmittelpumpe, für ein Kraftfahrzeug, wobei die Pumpe ein Gehäuse umfasst, in dem ein auf einer Abtriebswelle angeordnetes Pumpenrad drehbeweglich angeordnet ist.
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Eine ähnliche Kupplung für eine Büromaschine ist aus der
DE 26 22 538 B1 bekannt. Bei dieser Schlingfederkupplung ist eine selbstöffnende Schlingfeder an den Kupplungsnaben der Antriebswelle und der Abtriebswelle angeordnet, wobei zum Übertragen der Drehbewegung von der Antriebswelle auf die Abtriebswelle die Rotation der Steuerbüchse durch ein Betätigungsglied gestoppt wird.
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Es ist weiterhin durch die
EP 2 280 182 A1 eine Kupplung mit einer Schraubenfeder bekannt, bei der zur Herstellung einer Wirkverbindung zwischen Antriebswelle und Abtriebswelle eine der Abtriebswelle zugeordnete Mantelhülse gegen eine Schulter der Antriebswelle gedrückt wird.
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Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine schaltbare Kupplung und eine schaltbare Fluidpumpe der eingangs genannten Art gegenüber dem Stand der Technik zu verbessern, wobei die Anzahl der Teile gering ist, der Schaltvorgang vorzugsweise mechanisch erfolgt, die Kupplung beziehungsweise die Kupplung und die Fluidpumpe in einem einfach abzudichtenden Gehäuse integrierbar sind, die Masse der Kupplung möglichst gering ist und/oder die Funktionssicherheit der Kupplung auch bei einem Ausfall der Schaltsteuerung hoch ist.
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Diese Aufgabe wird gelöst mit einer Kupplung gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Die Unteransprüche betreffen besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung.
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Erfindungsgemäß ist also eine Kupplung vorgesehen, bei der die Federeinrichtung zur Übertragung der Drehbewegung der Antriebswelle auf die Abtriebswelle selbstschließend an den Kupplungsnaben anliegt. Die Federeinrichtung liegt an der Kupplungsnabe der Antriebswelle kraftschlüssig an und wird von dieser mitgenommen. Eine der Rotation entgegenwirkende Kraft in der Abtriebswelle bewirkt, dass die Federeinrichtung zusammengezogen wird, ihren Durchmesser verringert und somit der Kraftschluss zwischen Federeinrichtung und Antriebswelle sowie Abtriebswelle vergrößert wird. Dies ermöglicht, dass ohne eine Einwirkung von außen die Kupplung stets geschlossen ist und somit die Funktionssicherheit insbesondere bei einem Ausfall der Betätigungseinrichtungen hoch ist. Die Übertragung des Drehmoments fällt bei der erfindungsgemäßen Kupplung einzig bei einem Bruch der Federeinrichtung aus.
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Es hat sich als günstig erwiesen, dass die Federeinrichtung aus zumindest einem Federelement besteht. Dieses ist vorzugsweise eine Schraubenfeder, die als selbstschließende Schlingfeder beziehungsweise Torsionsfeder wirkt. Vorzugsweise hat das Federelement einen rechteckigen Querschnitt, bei dem zumindest eine der Langseiten parallel zu den Oberflächen der Kupplungsnaben beziehungsweise der Drehachse orientiert ist. Der rechteckige Querschnitt ermöglicht eine hohe Kraftübertragung zwischen der Federeinrichtung und den Kupplungsnaben bei zugleich geringer Punkt- oder Linienpressung. Dies schont das Material und verlängert so die Lebensdauer, insbesondere der aus Gründen der Gewichtsminimierung aus einem Kunststoff gefertigten Kupplungsnaben. Die Steuerhülse umschließt die Federeinrichtung sowie die beiden Kupplungsnaben konzentrisch und ist bevorzugt auch aus einem Kunststoff gefertigt.
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Um eine Kraftübertragung zwischen der Federeinrichtung und der Steuerhülse zu ermöglichen, hat die Steuerhülse eine zur Federeinrichtung hin orientierte Ausnehmung. In die Ausnehmung greift eine radial von den Kupplungsnaben weg abgewinkelte Haltenase des Federelements ein. Die Federeinrichtung kann aus mehreren Federelementen bestehen, was eine hohe Federkraft bei zugleich geringer Höhe des Federquerschnitts ermöglicht. Bei einer Federeinrichtung aus mehreren Federelementen weist die Steuerhülse mehrere Ausnehmungen auf, wobei jedem Federelement eine Ausnehmung zugeordnet ist. Die Ausnehmungen sind in einer bevorzugten Ausführungsform in einer zur Drehachse normalen Ebene angeordnet und über den Umfang der Steuerhülse gleichmäßig verteilt. Die Ausnehmungen sind als Bohrungen oder parallel zur Drehachse orientierte Nuten gestaltet.
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Die Federeinrichtung besteht aus wenigstens einem Federelement, vorzugsweise aus einem Paket mit mehreren Federelementen. Die Anzahl der Federelemente in der Federeinrichtung bei mehreren Federelementen beträgt praktischerweise zwei, drei oder ein ganzzahliges Vielfaches dieser Zahlen. Bei der Steuerhülse haben sich zwei Ausführungsformen als sinnvoll erwiesen: eine mit sechs Ausnehmungen zur Aufnahme der Haltenasen der Federeinrichtung und eine bevorzugte Steuerhülse mit zwölf Ausnehmungen. Hierdurch ist es möglich, eine Form der Steuerhülse flexibel mit unterschiedlichen Federeinrichtungen einzusetzen. Die Steuerhülse mit sechs Ausnehmungen ist geeignet für Federeinrichtungen mit einer, zwei, drei oder sechs Federelementen. Die Steuerhülse mit zwölf Ausnehmungen kann eingesetzt werden bei Federeinrichtungen mit einem, zwei, drei, vier, sechs oder zwölf Federelementen.
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Die Steuerhülse ist mit der Federeinrichtung verbunden und dreht mit den Kupplungsnaben und der Federeinrichtung frei mit. Vorteilhaft ist es, dass zur Sperrung der freien Rotation der Steuerhülse die Kupplung einen beweglichen Steuerstift und die Steuerhülse zumindest ein Anlageelement für den Steuerstift aufweist. Der Steuerstift ist relativ zu der Steuerhülse beweglich. Wird der Steuerstift auf die Steuerhülse zu bewegt, gelangen Steuerstift und Steuerhülse in Kontakt. Mit der Berührung der Steuerhülse wirkt der um die Drehachse drehfest gelagerte Steuerstift auf die Steuerhülse und mindert deren Drehbewegung, insbesondere bis zum Stillstand. Die Berührung von Steuerstift und Steuerhülse ist als Reibeinrichtung mit zwei aufeinander wirkenden Reibflächen oder als eine Rasteinrichtung mit Rasthaken und einer dem Rasthaken zugeordneten Hinterschneidung ausgeführt. Vorzugsweise ist das Anlageelement als ein rasthakenförmiger Vorsprung und/oder eine keilförmige Ausnehmung ausgeführt, wobei der Steuerstift an dem eine Hinterschneidung für den Steuerstift bildenden Anlageelement die Steuerhülse berührt. Der Steuerstift hat bevorzugt einen runden Querschnitt, was eine einfache Abdichtung einer Durchdringung des Gehäuses ermöglicht. Es hat sich darüber hinaus als praktisch erwiesen, dass der Steuerstift translatorisch in Richtung seiner Steuerlängsachse beweglich ist, wobei die Steuerlängsachse radial, tangential oder sekantial zu der Drehachse orientiert ist. Hierdurch wird es möglich, die Bewegung der Steuerhülse unter Aufwendung kleiner Kräfte zu sperren. Bei einer anderen Ausführungsform kann der Steuerstift in einer Kippbewegung oder einer Schwenkbewegung um eine Steuerdrehachse bewegt werden.
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Weiterhin wird die Aufgabe gelöst mit einer Pumpe gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 10.
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Erfindungsgemäß ist also eine schaltbare Pumpe wie eine Kühlmittelpumpe oder Wasserpumpe für ein Kraftfahrzeug vorgesehen, bei der in einem Gehäuse eine schaltbare Kupplung angeordnet ist, wobei die Kupplung entsprechend den vorstehend genannten Merkmalen ausgeführt ist. Eine Pumpe mit einer derartigen Kupplung ist einfach herzustellen, leicht zu montieren und wartungsarm. Durch die besondere Ausgestaltung der Kupplung hat die Pumpe eine hohe Betriebszuverlässigkeit, da bei einem Ausfall der Steuerung die Pumpe mit der Antriebswelle gekoppelt ist.
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Eine ideale Ausführungsform betrifft eine Pumpe, bei der neben der Antriebswelle nur der Steuerstift das dicht schließende Gehäuse durchdringt. Der Steuerstift ist sehr klein und hat einen kreisförmigen Durchmesser. Dies erlaubt eine einfache und langlebige Abdichtung an der Durchdringung. Eine Weiterbildung der Erfindung betrifft eine Pumpe, bei der lediglich die Antriebswelle das dicht schließende Gehäuse durchdringt. Von dem Gehäuse sind alle Elemente der Kupplung gekapselt. Die Elemente der Kupplung sind vorzugsweise aus einem Kunststoff gefertigt und sind in dem Gehäuse von dem mit der Pumpe zu transportierenden Fluid umspült.
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Vorzugsweise umfasst die Antriebswelle oder die Kupplungsnabe der Antriebswelle ein Zahnrad. Dieses Zahnrad ist zur Verbindung mit einem Antriebsaggregat, beispielsweise einer Kette, einem Riemen oder einer Zahnstange, außerhalb des Gehäuses angeordnet. Gemäß einer Ausführungsform ist das Zahnrad einstückig mit der Kupplungsnabe und/oder der Antriebswelle ausgeführt. Eine solche einstückige oder einteilige Ausführung reduziert die Anzahl der Einzelteile.
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Als ebenso günstig erwiesen hat sich die Ausgestaltung der Kupplungsnabe der Abtriebswelle beziehungsweise die Ausgestaltung der Abtriebswelle. Das Pumpenrad der Fluidpumpe ist von der Abtriebswelle und/oder der Kupplungsnabe der Abtriebswelle umfasst, insbesondere einstückig mit diesen ausgeführt.
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Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese zeigt in
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1 eine teilweise geschnittene schematische Darstellung einer Pumpe;
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2 eine schematische Darstellung der Pumpe in einer Ansicht;
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3 eine schematische Explosionsdarstellung der Pumpe;
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4 eine schematische Darstellung einer Kupplung für eine Pumpe;
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5 eine schematische Explosionsdarstellung der Kupplung;
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6 eine schematische Darstellung der Kupplung in einem geschlossenen Funktionszustand;
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7 eine schematische Darstellung der Kupplung in einem offenen Funktionszustand;
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8 eine schematische Darstellung einer Federeinrichtung der Kupplung;
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9 eine schematische Darstellung einer Steuerhülse der Kupplung.
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Die 1 bis 3 zeigen eine schaltbare Pumpe 1 für ein nicht weiter dargestelltes Kraftfahrzeug. Die Pumpe 1 besteht aus einem strömungsdichten Gehäuse 2, das von einer Antriebswelle 3 durchdrungen wird. Von dem Gehäusen ist nur ein Teil dargestellt. In dem Gehäuse 2 sind ein Pumpenrad 4 und eine Kupplung 5 angeordnet. Die Kupplung 5 dient dem Verbinden einer Kupplungsnabe 6 der Antriebswelle 3 mit einer Kupplungsnabe 7 einer Abtriebswelle 8. Das Pumpenrad 4 ist in der gezeigten Ausführung mit der Kupplungsnabe 7 und der Abtriebswelle 8 einstückig ausgeführt. Die Kupplung 5 hat zur Herstellung einer Wirkverbindung zwischen den Kupplungsnaben 6, 7 eine Federeinrichtung 9. Die Kupplung 5 umfasst weiterhin eine Steuerhülse 10, welche die Federeinrichtung 9 und die Kupplungsnaben 6, 7 konzentrisch umschließt. Zum Schalten der Pumpe 1 ist die Kupplung 5 schaltbar ausgeführt. Die in 1 gezeigte Schnittdarstellung zeigt die Kupplung 5 mit einer an den Kupplungsnaben 6, 7 anliegenden Federeinrichtung 9. Zum Lösen der Wirkverbindung zwischen den beiden Kupplungsnaben 6, 7 umfasst die Kupplung 5 einen Steuerstift 11, welcher durch Anlegen an der Steuerhülse 10 eine Aufweitung der Federeinrichtung 9 und somit ein Lösen der Wirkverbindung zwischen den beiden Kupplungsnaben 6, 7 bewirkt. An der Antriebswelle 3 ist ein Zahnrad 12 zur Verbindung mit einem nicht weiter dargestellten Antriebsaggregat angeordnet, wobei das Zahnrad 12 und die Antriebswelle 3 gegen eine Verdrehung relativ zueinander gesperrt sind. Die Antriebswelle 3 und die Abtriebswelle 8 haben eine gemeinsame Drehachse 13, zu der die Kupplungsnaben 6, 7 konzentrisch mit demselben Durchmesser angeordnet sind. Die Federeinrichtung 9 besteht aus zumindest einem in 8 gezeigten Federelement 14. In der dargestellten Ausführungsform besteht die Federeinrichtung 9 aus drei Federelementen 14.
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Die 4 und 5 zeigen eine Kupplung 5, beispielsweise für eine Pumpe 1, in einem gekuppelten Funktionszustand. Bei der geschlossenen Kupplung 5 stehen die Antriebswelle 3 und das Pumpenrad 4 in einer Wirkverbindung. Die Kupplung 5 besteht im Wesentlichen aus der Federeinrichtung 9, welche sowohl an der Kupplungsnabe 6 der Antriebswelle 3 als auch an der Kupplungsnabe 7 der Abtriebswelle 8 des Pumpenrads 4 anliegt. Mittels der Federeinrichtung 9 wird die mit einem Pfeil angedeutete Drehbewegung 15 der Antriebswelle 3 auf das Pumpenrad 4 übertragen.
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Die 6 und 7 zeigen die Funktionsweise der Kupplung 5. Unter der Steuerhülse 10 ist die Federeinrichtung 9 angeordnet. Die Federeinrichtung 9 besteht aus mehreren schraubenförmigen Federelementen 14 und stellt das schaltende Verbindungselement zwischen Antriebswelle 3 und Abtriebswelle 8 dar. Zur Schaltung der Kupplung 5 hat diese einen Steuerstift 11, der radial zu der Drehachse 13 beweglich ist.
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6 zeigt den gekuppelten Funktionszustand. Durch den Drall der Federelemente 14 schmiegt sich die Federeinrichtung 9 selbstschließend an die Kupplungsnaben 6, 7 an. Die Federelemente 14 werden von der Antriebswelle 3 mitgezogen und verringern ihren Durchmesser, sodass sie sich mit den Kupplungsnaben 6, 7 kraftschlüssig verbinden. Die Steuerhülse 10 wird von der Federeinrichtung 9 mitgedreht, da die Federelemente 14 radial von den Kupplungsnaben 6, 7 weg abgewinkelte Haltenasen 16 aufweisen, welche in eine Ausnehmung 17 der Steuerhülse 10 eingreifen. Der Steuerstift 11 wird in diesem Funktionszustand entlang einer Steuerlängsachse 23 in eine von der Steuerhülse 10 entfernte Position bewegt 20 und berührt die Steuerhülse 10 nicht. Die Steuerhülse 10 kann sich so mit der Antriebswelle 3 drehen. Die Bewegung 20 des Steuerstifts 11 entlang der Steuerlängsachse 23 in die entfernte Position ist mit einem Pfeil angedeutet.
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7 zeigt den ausgekuppelten Funktionszustand. Hierbei ist der Steuerstift 11 entlang der Steuerlängsachse 23 an die Steuerhülse 10 heran bewegt 19 und berührt die Steuerhülse 10. Die Steuerhülse 10 wird von dem Steuerstift 11 gegen ein weiteres Verdrehen um die Drehachse 13 gehalten. Die Bewegung 19 des Steuerstifts 11 entlang der Steuerlängsachse 23 an die Steuerhülse 10 heran ist mit einem Pfeil angedeutet. Die Steuerhülse 10 hat mehrere Anlageelemente 18 für den Steuerstift 11. Durch das Festhalten der Steuerhülse 10 werden die Federelemente 14 der Federeinrichtung 9 entgegen ihrem Drall über die Haltenase 16 festgehalten. Die Federelemente 14 schrauben sich auf, wobei sich ihr Durchmesser vergrößert. Dadurch nimmt die Reibung der Federeinrichtung 9 an den Kupplungsnaben 6, 7 ab, bis die Mitnahme der Abtriebswelle 8 eliminiert ist. Die Kupplung 5 ist geöffnet und die Abtriebswelle 8 kommt zum Stillstand, während sich die Antriebswelle 3 weiterdreht.
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8 zeigt eine Federeinrichtung 9 bestehend aus einem Federelement 14. Das Federelement 14 ist eine Schraubenfeder mit rechteckigem Querschnitt 22. Dabei ist eine Langseite 21 des Federelements 14 parallel zu der Drehachse 13 orientiert. Das eine Ende des Federelements 14 weist radial von der Drehachse weg abgewinkelte Haltenasen 16 auf.
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9 zeigt die Steuerhülse 10. Die Steuerhülse 10 hat zahlreiche Anlageelemente 18 und mehrere Ausnehmungen 17. Die Ausnehmungen 17 und die Anlageelemente 18 sind über den Umfang der Steuerhülse 10 gleichmäßig verteilt. Die Anlageelemente 18 sind als rasthakenförmiger Vorsprung gestaltet und dienen der Anlage des Steuerstifts 11. Die Ausnehmungen 17 sind in der gezeigten Ausführungsform in eine Kante der Steuerhülse 10 eingearbeitet sowie radial zur Drehachse 13 hin orientiert und dienen der formschlüssigen Aufnahme der Haltenasen 16 der Federelemente 14.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Pumpe
- 2
- Gehäuse
- 3
- Antriebswelle
- 4
- Pumpenrad
- 5
- Kupplung
- 6
- Kupplungsnabe (Antrieb)
- 7
- Kupplungsnabe (Abtrieb)
- 8
- Abtriebswelle
- 9
- Federeinrichtung
- 10
- Steuerhülse
- 11
- Steuerstift
- 12
- Zahnrad
- 13
- Drehachse
- 14
- Federelement
- 15
- Drehbewegung
- 16
- Haltenase
- 17
- Ausnehmung
- 18
- Anlageelement
- 19
- Bewegung (Öffnen)
- 20
- Bewegung (Koppeln)
- 21
- Langseite
- 22
- Querschnitt
- 23
- Steuerlängsachse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 2622538 B1 [0003]
- EP 2280182 A1 [0004]
