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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Hybrid-Kühlmittelpumpe mit einem auf einer Laufwelle angeordneten Laufrad, das über eine Kupplungseinrichtung mit einer Antriebswelle antriebsverbindbar ist, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Hybrid-Kühlmittelpumpe.
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Aus der
DE 11 2012 001 194 T5 ist eine gattungsgemäße Hybrid-Kühlmittelpumpe mit zwei Betriebsmodi bekannt, nämlich einem Elektromotorbetrieb und einem mechanischen mit Riemenscheiben angetriebenem Betrieb. Eine Reibungskupplung ist innerhalb eines Motorgehäuses positioniert und enthält eine nachlassende Feder, die einen parasitären Kupplungsenergieverbrauch minimiert. Hierdurch soll insbesondere der Stromverbrauch eines Motorhilfsaggregats reduziert werden können.
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Aus der
US 2011/0123365 A1 ist eine weitere Kühlmittelpumpe bekannt.
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Generell ist es bekannt, Hybrid-Kühlmittelpumpen mechanisch über einen Zahnrad-/Riementrieb mittels eines Verbrennungsmotors anzutreiben oder aber über ein in der Hybrid-Kühlmittelpumpe integrierten Elektromotor. Damit die beiden Antriebe sich nicht gegenseitig behindern, muss eine Kupplungseinrichtung vorgesehen werden. Eine solche Hybrid-Kühlmittelpumpe hat dabei den Vorteil, dass ein Antrieb auch ohne Drehzahl des Verbrennungsmotors oder bei sehr geringer Motordrehzahl ermöglicht wird. In diesem Fall treibt der Elektromotor die Hybrid-Kühlmittelpumpe an, wobei dieser Elektromotor für eine lediglich geringe Leistung ausgelegt sein muss, da bei einer hohen Leistungsanforderung, verbunden mit einer hohen geforderten Kühlleistung, der Verbrennungsmotor ohnehin mit hohen Drehzahlen läuft.
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Bei der aus dem Stand der Technik bekannten Hybrid-Kühlmittelpumpe ist zu einem Umschalten des mechanischen Antriebs und dem elektrischen Antrieb eine Reibkupplung vorgesehen, welche jedoch vergleichsweise aufwändig und teuer ist. Zudem wird dabei der Elektromotor nicht mechanisch von der Antriebswelle entkoppelt und dreht somit „blind“ mit. Dies erzeugt unnötige Verlustleistung.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, für eine Hybrid-Kühlmittelpumpe der gattungsgemäßen Art eine verbesserte oder zumindest alternative Ausführungsform anzugeben, welche einerseits kostengünstiger realisiert werden kann und andererseits eine zusätzlich gesteigerte Funktionalität aufweist.
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Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, bei einer Hybrid-Kühlmittelpumpe mit einem elektrischen und mechanischen Antrieb eine Kupplungseinrichtung vorzusehen, welche einerseits kostengünstig baut und welche andererseits wahlweise einen elektrischen oder mechanischen Antrieb oder gar keinen Antrieb, das heißt ein völliges Auskuppeln ermöglicht. Die erfindungsgemäße Hybrid-Kühlmittelpumpe besitzt dabei ein auf einer Laufradwelle angeordnetes Laufrad, welches über besagte Kupplungseinrichtung mit einer Antriebswelle antriebsverbindbar ist. Diese Antriebswelle ist nunmehr als sogenannte "Cam in Cam"-Welle ausgebildet und besitzt eine Außenwelle sowie eine koaxial dazu angeordnete Innenwelle. Die Kupplungseinrichtung ist erfindungsgemäß in zumindest drei Schaltstellungen schaltbar, wobei in einer ersten Schaltstellung das Laufrad drehfest mit der Außenwelle verbunden ist, wogegen es in einer zweiten Schaltstellung drehfest mit der Innenwelle antriebsverbunden ist. In der dritten Schaltstellung ist das Laufrad von der Antriebswelle entkoppelt, das heißt weder mit der Innenwelle noch mit der Außenwelle antriebsverbunden. Mit der erfindungsgemäßen Kupplungseinrichtung kann somit eine deutlich gesteigerte Funktionalität der Hybrid-Kühlmittelpumpe erreicht werden, nämlich nicht nur der wahlweise elektrische oder mechanische Antrieb, sondern zudem auch überhaupt kein Antrieb, sondern ein Freilauf. Dies ist insbesondere dann von großem Vorteil, wenn der Verbrennungsmotor seine Betriebstemperatur noch nicht erreicht hat, beispielsweise bei einem Kaltstart, bei welchem ein Antrieb der Kühlmittelpumpe kontraproduktiv wirken würde.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung weist die Kupplungseinrichtung einen verstellbaren Schieber auf, der in der ersten Stellung mit einer Keilwellenverzahnung der Außenwelle kämmt und dadurch das Laufrad und die Außenwelle drehfest miteinander verbindet, wogegen er in der zweiten Stellung mit einer Keilwellenverzahnung der Innenwelle kämmt und dadurch das Laufrad und die Innenwelle drehfest miteinander verbindet. In der dritten Stellung kämmt der verstellbare Schieber weder mit der Keilwellenverzahnung der Außenwelle noch mit der Keilwellenverzahnung der Innenwelle, wodurch das Laufrad von der Antriebswelle entkoppelt ist. Durch die erfindungsgemäß ausgebildete Kupplungseinrichtung kann eine einfachst zu bedienende, äußerst verschleißfeste Kupplungseinrichtung geschaffen werden, die insbesondere im Vergleich mit der aus dem Stand der Technik bekannten trockenen oder geschmierten Reibkupplung deutliche Vorteile aufweist. Der Schieber selbst kann dabei hydraulisch, pneumatisch, elektrisch oder induktiv verstellt werden und zwar zwischen seinen zumindest drei Schaltstellungen.
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Zweckmäßig ist eine Federeinrichtung vorgesehen, die den Schieber in seine zweite Stellung vorspannt. Hierdurch kann auf vergleichsweise einfache Art und Weise eine sogenannten Fail-Safe-Funktion erreicht werden, die bei einem Ausfall einer Betätigungseinrichtung, welche den Schieber verstellt, bewirkt, dass der Schieber selbsttätig in seine zweite Stellung verstellt wird und dabei die Hybrid-Kühlmittelpumpe mechanisch mit der Innenwelle und damit mit einem Verbrennungsmotor koppelt. Eine derartige Federeinrichtung kann beispielsweise als Schraubenfeder oder als Tellerfeder ausgebildet sein.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung sind die Außenwelle in einem Gehäuse der Hybrid-Kühlmittelpumpe und die Innenwelle in der Außenwelle gelagert. Durch die sogenannte Cam-in-Cam-Lösung und die erfindungsgemäße Kupplungseinrichtung kann somit auch eine besonders kompakt bauende Lösung erreicht werden, die insbesondere bei einem immer geringer werdenden Bauraumangebot große Vorteile bietet. Eine Lagerung der Innenwelle in der Außenwelle bzw. der Außenwelle in einem Gehäuse der Hybrid-Kühlmittelpumpe kann dabei beispielsweise über Wälzlager, insbesondere Kugellager, realisiert werden, wodurch eine besonders leichtgängige Lagerung ermöglicht wird.
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Zweckmäßig ist zum Antrieb der Außenwelle ein Elektromotor vorgesehen. Ein derartiger Elektromotor kann dabei in ein Gehäuse der Hybrid-Kühlmittelpumpe eingebaut und somit in dieselbe integriert werden, wodurch kein zusätzlicher Bauraumbedarf für die Unterbringung des Elektromotors anfällt. Zugleich kann auch auf ein separates Gehäuse verzichtet werden, so dass der derart in der Hybrid-Kühlmittelpumpe integrierte Elektromotor durch das Gehäuse derselben geschützt ist.
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Die Erfindung beruht weiter auf dem allgemeinen Gedanken, ein Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor und einer zuvor beschriebenen Hybrid-Kühlmittelpumpe zu schaffen, wobei die Außenwelle der Kupplungseinrichtung der Hybrid-Kühlmittelpumpe mit einem Elektromotor und die Innenwelle mechanisch mit dem Verbrennungsmotor antriebsverbunden sind, oder umgekehrt. Hierdurch kann eine kostengünstige, jedoch in ihrer Funktionalität deutlich gesteigerte Hybrid-Kühlmittelpumpe in einem Kraftfahrzeug verwendet werden, welches insbesondere während einer Kaltstartphase aufgrund der Möglichkeit, die Hybrid-Kühlmittelpumpe vollständig von einer Antriebswelle zu entkoppeln, Vorteile hinsichtlich eines Emissionsverhaltens und eines Kraftstoffverbrauchs bietet.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
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Dabei zeigen, jeweils schematisch,
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1 eine Schnittdarstellung durch eine erfindungsgemäße Hybrid-Kühlmittelpumpe,
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2 eine Ansicht auf einen Teil der Hybrid-Kühlmittelpumpe,
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3 eine Außenwelle, eine Innenwelle, eine Laufradwelle sowie einen Schieber einer erfindungsgemäßen Kupplungseinrichtung, jeweils in einer perspektivischen und einer Seitenansicht,
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4 eine Seitenansicht und eine Schnittdarstellung durch die Kupplungseinrichtung beim mechanischen Antrieb, das heißt bei mit der Innenwelle antriebsverbundener Laufradwelle,
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5 eine Darstellung wie in 4, jedoch bei elektrisch angetriebener Hybrid-Kühlmittelpumpe, das heißt bei mit der Außenwelle verbundener Laufradwelle.
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Entsprechend den 1 und 2, weist eine erfindungsgemäße Hybrid-Kühlmittelpumpe 1, welche beispielsweise in einem Kraftfahrzeug 2 angeordnet sein kann, ein auf einer Laufradwelle 3 angeordnetes Laufrad 4 auf, welches über eine Kupplungseinrichtung 5 mit einer Antriebswelle 6 antriebsverbindbar ist. Über das Laufrad 4 wird das Kühlmittel gefördert. Die Antriebswelle 6 besitzt eine Außenwelle 7 sowie eine koaxial dazu angeordnete Innenwelle 8. Letztere ist dabei über ein Riemenrad 9 mit einem Verbrennungsmotor 10 antriebsverbunden. Die Außenwelle 7 ist mittels eines Elektromotors 11 antreibbar. Erfindungsgemäß ist nun die Kupplungseinrichtung 5 in zumindest drei Schaltstellungen schaltbar, wobei in einer ersten Schaltstellung das Laufrad 4 drehfest mit der Außenwelle 7 verbunden ist und dadurch beispielsweise mittels des Elektromotors 11 angetrieben werden kann. Diese Situation ist beispielsweise in 5 dargestellt. In der zweiten Schaltstellung hingegen ist das Laufrad 4 drehfest mit der Innenwelle 8 antriebsverbunden, was beispielsweise gemäß der 4 dargestellt ist, so dass in diesem Fall das Laufrad 4 mechanisch über den Verbrennungsmotor 10 angetrieben werden kann. In der dritten Schaltstellung ist das Laufrad 4 von der Antriebswelle 6 entkoppelt, das heißt weder mit der Außenwelle 7 noch mit der Innenwelle 8 antriebsverbunden. In diesem dritten Schaltzustand befindet sich das Laufrad 4 somit im Leerlauf bzw. Freigang.
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Um die Schaltstellungen realisieren zu können, weist die Kupplungseinrichtung 5 einen Schieber 12 (vgl. die 1 bis 5) auf, der in der ersten Stellung mit einer Keilwellenverzahnung 13 der Außenwelle 7 kämmt und dadurch das Laufrad 4 und die Außenwelle 7 drehfest miteinander verbindet. Diese erste Stellung ist dabei gemäß der 5 dargestellt, wobei in dieser Stellung das Laufrad 4 elektromotorisch über den Elektromotor 11 angetrieben werden kann. In der zweiten Stellung hingegen kämmt der Schieber 12 mit einer Keilwellenverzahnung 13' (vgl. 3) der Innenwelle 8 und verbindet dadurch das Laufrad 4 und die Innenwelle 8 drehfest miteinander. In dieser Stellung kann das Laufrad 4 somit über das Riemenrad 9 durch den Verbrennungsmotor 10 angetrieben werden. Anstelle des Riemenrades 9 kann selbstverständlich auch ein Zahnrad angeordnet sein. In der dritten Stellung befindet sich der Schieber 12 in einer zwischen der ersten und zweiten Stellung gelegenen Stellung und kämmt somit weder mit der Keilwellenverzahnung 13 der Außenwelle 7 noch mit der Keilwellenverzahnung 13' der Innenwelle 8. In diesem Zustand bzw. in dieser Stellung ist somit das Laufrad 4 von der Antriebswelle 6 entkoppelt. Um eine formschlüssige und damit eine drehmomentübertragende Verbindung mit der Keilwellenverzahnung 13, 13' der Außenwelle 7 bzw. der Innenwelle 8 herstellen zu können, besitzt der Schieber 12 eine hierfür komplementär ausgebildete außenliegende Keilwellenverzahnung 19, die in der ersten Stellung mit der innenliegenden Keilwellenverzahnung 13 der Außenwelle 7 kämmt, sowie eine innenliegende Keilwellenverzahnung 19', die in der zweiten Stellung des Schiebers 12 mit der außenliegenden Keilwellenverzahnung 13' der Innenwelle 8 kämmt.
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Generell kann der Schieber 12 hydraulisch, pneumatisch, induktiv elektrisch oder rein elektrisch verstellbar sein. Bereits diese nicht abschließende Aufzählung lässt erahnen, welche mannigfaltige Möglichkeiten zur Stellung des Schiebers 12 und damit Schalten der Kupplungseinrichtung 5 vorstellbar sind. Um eine sogenannte Fail-Safe-"Funktion" gewährleisten zu können, kann zudem eine Federeinrichtung 14 vorgesehen sein, die den Schieber 12 in seine Haltestellung vorspannt und dadurch das Laufrad 4 drehfest mit der Innenwelle 8 koppelt. In diesem Fall kann somit auch bei einem Ausfall der Betätigungseinrichtung bzw. des Elektromotors 11 ein Antrieb der Hybrid-Kühlmittelpumpe 1 mittels des Verbrennungsmotors 10 erfolgen.
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Die Außenwelle 7 ist dabei gegenüber einem Gehäuse 15 (vgl. 1) gelagert, wogegen die Innenwelle 8 in der Außenwelle 7 gelagert ist. Eine Lagerung kann dabei jeweils über entsprechende Wälzlager 16, insbesondere Kugellager, erfolgen, wodurch eine besonders leichtgängige Lagerung erzielt werden kann.
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Betrachtet man nochmals die 3, so kann man erkennen, dass die Außenwelle 7 ihre innenliegende Keilwellenverzahnung 13 und die Innenwelle 8 eine außenliegende Keilwellenverzahnung 13' aufweist, wogegen an der Laufradwelle 3 stirnseitig axial abstehende Führungselemente 17 angeordnet sind, auf welchen der Schieber 12 zwischen seinen drei Stellungen verstellbar, insbesondere verschiebbar ist. Die Führungselemente 17 sind dabei auch in den 1 und 3 zu sehen. Um darüber hinaus eine möglichst kompakt bauende Hybrid-Kühlmittelpumpe 1 schaffen zu können, kann vorgesehen sein, den Elektromotor 11 in das Gehäuse 15 der Hybrid-Kühlmittelpumpe 1 zu integrieren, so dass daraus die gemäß der 2 dargestellte Baueinheit resultieren kann.
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Mit der erfindungsgemäßen Hybrid-Kühlmittelpumpe 1 und insbesondere auch der erfindungsgemäßen Kupplungseinrichtung 5 ist es möglich, das Laufrad 4 wahlweise mit der Innenwelle 8 und damit mit dem Verbrennungsmotor 10 oder mit der Außenwelle 7 und damit dem Elektromotor 11 antriebsverbindbar zu koppeln oder aber von beiden Antriebsquellen zu entkoppeln, wodurch das Laufrad 4 im Leerlauf bzw. Freigang laufen kann. Die zuvor gemachten Aussagen bezüglich des elektrischen bzw. mechanischen Antriebs der Außenwelle 7 bzw. Innenwelle 8 können selbstverständlich auch umgekehrt unter die Erfindung fallen, so dass die Außenwelle 7 beispielsweise drehfest mit einem entsprechenden Riemenrad 9 und mechanisch mit dem Verbrennungsmotor 10 verbunden ist, wogegen die Innenwelle 8 elektromotorisch angetrieben wird. Der Antriebsbereich mit dem Elektromotor 11 und der Kupplungseinrichtung 5 ist dabei beispielsweise über eine Dichtung 18 vom hydraulischen Bereich, das heißt vom Laufrad 4 getrennt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 112012001194 T5 [0002]
- US 2011/0123365 A1 [0003]
