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Die vorliegende Anmeldung ist eine Teilfortführung der am 19. Dezember 2013 eingereichten US-Patentanmeldung mit der lfd. Nr. 14/135,280 (DKT12180A) (BWA 0427 PUS), bei der es sich um eine nicht vorläufige Anmeldung der am 24. Dezember 2012 eingereichten US-Patentanmeldung Nr. 61/745,647 handelt. Die vorliegende Anmeldung ist auch mit der US-Patentanmeldung mit der lfd. Nr. 61/474,862 und US-Patentanmeldung mit der lfd. Nr. 61/474,928 verwandt, die beide am 13. April 2011 eingereicht wurden.
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TECHNISCHES GEBIET
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Es werden Reibungskupplungsantriebsanordnungen, insbesondere für Fahrzeugnebenaggregate, wie zum Beispiel Kühlmittelpumpen, offenbart.
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HINTERGRUND
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Nebenaggregate, wie zum Beispiel Wasserpumpen und Kühllüfter, finden in Fahrzeugen, wie zum Beispiel Automobilen und Lastwagen mit Verbrennungsmotoren, häufig Anwendung. Die Nebenaggregate werden in der Regel durch einen direkt oder indirekt an der Kurbelwelle des Motors befestigten Riemen angetrieben und arbeiten somit mit einem gewissen Prozentanteil der Motordrehzahl. Die Wasserpumpen weisen ein Laufrad auf, das zum Zirkulieren des Motorkühlmittels von dem Motor zum Kühler und zurück verwendet wird, um das Kühlmittel innerhalb akzeptabler Temperaturgrenzen zu halten. Kühllüfter weisen einen Lüfter mit Schaufeln auf, der einem Kühler Atmosphärenluft zuführt, um zum Beispiel das Motorkühlmittel zu kühlen.
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Es werden heute Anstrengungen unternommen, den Energieverbrauch von Motornebenaggregaten, wie zum Beispiel Wasserpumpen und Lüfterantrieben, zu reduzieren, um die Kraftstoffökonomie zu verbessern und Emissionen zu reduzieren. Somit wäre es vorzuziehen, wenn solche Nebenaggregate so hergestellt werden könnten, dass sie im Betrieb weniger Energie verbrauchen oder nur bei Bedarf betrieben werden, um die Last am Motor zu reduzieren und wiederum die Kraftstoffökonomie zu verbessern und unerwünschte Emissionen vom Motor zu reduzieren.
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KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Es wird eine Fahrzeugnebenaggregatantriebsanordnung, wie zum Beispiel eine Kühlerpumpe oder ein Lüfterantrieb, mit einem verbesserten Trockenreibungskupplungsmechanismus offenbart. Das Nebenaggregat kann einen EIN-AUS-Betrieb mit einer elektromagnetisch betriebenen Reibungskupplung aufweisen, die ein Wellenglied gezielt drehen kann. Die Komponenten für den Betrieb sind als Teil einer ein Riemenscheibenglied enthaltenden Mehrkomponentenanordnung enthalten. Die Riemenscheibe wird durch einen auf dem Riemenscheibenglied positionierten Motorriemen mit einer Eingangsdrehzahl gedreht. Im Gebrauch als Wasserpumpe ist eine mit dem Laufrad der Wasserpumpe verbundene Welle in der Anordnung positioniert und wird durch einen Reibungskupplungsmechanismus auf EIN-AUS-Weise gesteuert. Analog dazu wird im Gebrauch als Lüfterantrieb der Betrieb des Nebenaggregatantriebs durch einen Reibungskupplungsmechanismus auf EIN-AUS-Weise gesteuert.
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Die Reibungskupplungsanordnung ist innerhalb der Anordnung dazu positioniert, einen mechanischen Betrieb durch das Riemenscheibenglied selektiv zu gestatten. Die Trockenreibungskupplungsanordnung wird durch Ein- und Ausschalten eines Solenoiden aktiviert. Wenn der Solenoid ausgeschaltet ist (das heißt nicht erregt ist), dann wird die Kupplung eingerückt, und somit ist die Kupplung ausfallsicher. Mehrere Federn drücken eine Ankerplatte, wodurch eine Reibplatte zwischen der Ankerplatte und einem Deckelglied eingeklemmt wird. Drehmoment wird durch beide Seiten der Reibplatte übertragen. Die Kupplung wird durch Drehen am Solenoid ausgerückt.
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Wenn der Solenoid eingeschaltet ist (das heißt erregt ist), überwindet die Solenoidkraft die Kraft der Federn und zieht die Ankerplatte gegen die Riemenscheibe zurück. Eine Rückstellfeder drückt die Reibplatte von dem Deckel weg und hält sie gegen einen Anschlag, wodurch auf beiden Seiten der Reibplatte Luftspalte erzeugt werden. In diesem Betriebszustand sind der Eingang (die Riemenscheibe) und der Ausgang (die Welle) getrennt, wodurch eine Wechselwirkung (zum Beispiel Lagerwiderstand) zwischen dem Eingang und dem Ausgang beseitigt wird.
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Weitere Aufgaben, Merkmale und Vorzüge der Erfindung sind unten in der folgenden Beschreibung der Erfindung bei Betrachtung in Verbindung mit den Zeichnungen und den angehängten Ansprüchen angeführt.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist eine Querschnittsansicht einer Fahrzeugwasserpumpenanordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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2 ist eine auseinander gezogene Ansicht der Anordnung von 1.
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2A ist eine auseinander gezogene Ansicht eines Teils der Anordnung von 1.
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3 ist eine Querschnittsansicht der in den 1 und 2 gezeigten Anordnung, wobei die Komponenten in der ausgerückten Solenoidposition gezeigt werden.
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4 ist eine Querschnittsansicht der in den 1 und 2 gezeigten Anordnung, wobei die Komponenten in der eingerückten Solenoidposition gezeigt werden.
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5 ist eine Querschnittsansicht einer Fahrzeugkühllüfteranordnung gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung.
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BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Zum besseren Verständnis der Grundzüge der vorliegenden Erfindung soll nunmehr auf die in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsformen Bezug genommen werden, und für ihre Beschreibung werden spezielle Formulierungen verwendet. Es versteht sich aber, dass dadurch keine Einschränkung des Schutzbereichs der Erfindung beabsichtigt ist. Die Erfindung umfasst jegliche Alternativen und andere Modifikationen der dargestellten Vorrichtungen und beschriebenen Verfahren und weitere Anwendungen der Grundzüge der Erfindung, die für einen Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet der Erfindung normalerweise auf der Hand liegen würden.
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Die hierin beschriebenen vorliegenden Erfindungen betreffen insbesondere Reibungskupplungsanordnungen, die insbesondere für Kühlmittelpumpen und Kühllüfter verwendet werden. Die Kühlmittelpumpen zirkulieren das Kühlmittel in einem Motor, wie zum Beispiel einem Verbrennungsmotor eines Automobils. (Die Begriffe "Wasserpumpe" und "Kühlmittelpumpe" werden hierin austauschbar verwendet.) Die Kühllüfter werden zum Drücken oder Ziehen von Luft durch einen Kühler zum Unterstützen des Reduzierens der Temperatur des Motorkühlmittels verwendet.
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Die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, wie sie hier beschrieben werden, sind besonders zur Verwendung mit Lastwagen, Personenkraftwagen und Geländewagen ausgeführt.
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In den 1–4 wird eine Ausführungsform einer Nebenaggregatanordnung, die zum Betrieb einer Kühlpumpe verwendet wird, gezeigt. Sie wird durch die Bezugszahl 200 allgemein bezeichnet. Die Anordnung enthält ein Gehäuse 202 und ein Laufrad 204, das zum Zirkulieren des Motorkühlfluids im Fahrzeug verwendet wird.
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Das Gehäuse 202 enthält ein Basisglied 206 und ein Deckelglied 208, die durch mehrere Befestigungselemente, wie zum Beispiel Schraubbolzen 210, aneinander befestigt werden können. Ein solenoidbetätigter Reibungskupplungsmechanismus 212 ist im Gehäuse positioniert. Ein zentrales Wellenglied 214 ist mittig im Gehäuse positioniert und wird zum Drehen des Laufrads 204 verwendet. Das Laufrad ist in einem (nicht gezeigten) Gehäuse positioniert und ist durch eine Montageanordnung 216 mit dem Wellenglied 214 verbunden. Das untere Ende 214L der Welle ist auf beliebige herkömmliche Weise an der Anordnung 216 befestigt.
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Das zusammengebaute Gehäuse enthält ein Riemenscheibenglied 220. Das Riemenscheibenglied ist zum Antrieb durch einen Motorriemen, entweder direkt oder indirekt durch die Motorkurbelwelle, ausgeführt. Obgleich die Außenfläche 223 des Riemenscheibenglieds in den Zeichnungen glatt ist, kann sie zum Eingriff oder Zusammenfügen mit dem Motorriemen eine beliebige herkömmliche Form aufweisen.
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Das Wellenglied 214 wird durch ein Lagersatzglied 230 drehbar im Gehäuse 202 gestützt. Obgleich nur ein Lagersatz 230 gezeigt wird, können mehr als ein Satz von Lagern oder übereinander gestapelte Lager verwendet werden.
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Der Reibungskupplungsmechanismus 212 enthält eine Ankerplatte 232, eine Reibplatte 234 und zwei kreisförmige Ringe aus Reibmaterial 236, 238. Die Ankerplatte 232 ist vorzugsweise aus einem magnetischen Metallmaterial, wie zum Beispiel kohlenstoffarmem Stahl, hergestellt. Die Reibplatte 234 ist vorzugsweise aus einem unmagnetischen Material, wie zum Beispiel rostfreiem Stahl, hergestellt.
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Das Reibmaterial 236, 238 kann irgendein herkömmliches Reibmaterial sein, das heutzutage in Reibungskupplungen verwendet wird, und kann vollständige Ringe, Ringsegmente oder einfach Reibmaterialstücke sein, die allgemein dort positioniert sind, wo die Ringe 236, 238 in den Zeichnungen gezeigt werden. Die Reibmaterialien sind zum Beispiel durch Verbinden unter Verwendung eines Haftvermittlers fest an den beiden Seiten der Reibplatte angebracht.
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Das Deckelglied 208, das vorzugsweise aus einem unmagnetischen Material, wie zum Beispiel rostfreiem Stahl, hergestellt ist, ist durch Verbindungsstiftglieder, wie zum Beispiel Befestigungselemente oder Schraubbolzen 210, direkt mit dem Riemenscheibenglied 220 verbunden. Die Enden der Befestigungselemente können zum Zusammenfügen mit entsprechenden Gegen-Gewinden in Öffnungen 221 in dem Riemenscheibenglied 220 mit einem Gewinde versehen sein. Wenn die Riemenscheibe durch einen (nicht gezeigten) Motorriemen gedreht wird, dreht sich somit das Deckelglied 208 mit der gleichen Eingangsdrehzahl.
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Das Riemenscheibenglied 220 ist vorzugsweise aus einem magnetischen Metallmaterial, wie zum Beispiel kohlenstoffarmem Stahl, hergestellt. Das Riemenscheibenglied dreht sich frei um Lager 240. Obgleich die Lager beliebiger Art sein können, die eine ausreichende Langlebigkeit und Leistung besitzt, kann ein Paar übereinander angeordneter Lager 240 verwendet werden, wie in den Zeichnungen gezeigt.
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Der Betrieb der Reibungskupplungsanordnung wird durch eine Solenoidanordnung 250 durchgeführt. Die Solenoidanordnung enthält eine Magnetspule 252, die im Basisglied 206 des Gehäuses 202 positioniert ist. Das Magnetspulenglied umfasst eine torusförmige Spule aus Kupferdrähten, während das Solenoidgehäuse vorzugsweise aus einem magnetischen Material, wie zum Beispiel kohlenstoffarmem Stahl, hergestellt ist. Das Magnetspulenglied 252 ist vorzugsweise im Gehäuseglied 206 vergossen.
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Ein Mutternglied 260 ist auf das Ende des Wellenglieds 2114 geschraubt oder auf andere Weise daran befestigt. Das Reibplattenglied 234 ist mit dem Mutternglied 260 verbunden, wie zum Beispiel verkeilt. Wie in 2 gezeigt, weist das Mutternglied mehrere Keilverzahnungsglieder 261 auf, die in entsprechende Kerben 235 in der Mitte des Reibplattenglieds 234 passen. Auf diese Weise drehen sich die Muttern- und Reibplattenglieder mit dem Wellenglied 214. Das Mutternglied 260 und das Wellenglied 214 klemmen ein Anschlagglied 270 und das Lagerglied 230 fest zusammen. Das Wellenglied 214 und alle daran befestigten Komponenten werden durch das Lagerglied 230 axial positioniert. Das Anschlagglied 270 ist vorzugsweise aus einem unmagnetischen Material, wie zum Beispiel rostfreiem Stahl, hergestellt.
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Zur Befestigung des Lagerglieds 230 in einer axialen Position im Gehäuse 206 werden ein Wellenfederglied 280 und ein Lagerhalterglied 282 verwendet. Das Lagerhalterglied 282 ist, wie durch Bezugszahl 284 gezeigt, über ein Gewinde am Gehäuse 206 befestigt.
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Das Anschlagglied 270 wird zum Anhalten der Axialbewegung des Reibplattenglieds 234, wenn die Solenoidanordnung 250 erregt ist, verwendet, wie unten erläutert. Eine Rückstellfeder 290 ist zwischen dem Mutternglied 260 und dem Reibplattenglied 234 positioniert und wirkt zum Zurückführen des Reibplattenglieds 234 in seine mechanisch ausgerückte Position, wenn die Solenoidanordnung 250 betätigt wird.
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Die Magnetspule 252 wird durch eine (nicht gezeigte) Leiterplatte elektrisch betrieben. Elektrische Leitungen und Drähte können im Gehäuse 206 umspritzt werden, um die elektrischen Signale zu dem Magnetspulenglied 252 zu führen. Ferner kommuniziert die Leiterplatte mit der elektronischen Steuereinheit (ECU) des Fahrzeugs durch das Fahrzeugkommunikationsnetz, wie zum Beispiel ein CAN-Netz. Die Steuerungsleiterplatte der Wasserpumpenanordnung könnte auch innerhalb des Gehäuses 206, möglicherweise mit einer Torusform, positioniert sein.
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Aktivierung der Wasserpumpe wird gemäß der für den Motor erforderlichen Kühlung gewählt. Sensoren führen der ECU relevante Daten zu, wobei diese dann ein Signal an die Pumpensteuerung sendet, das anfordert, dass die Pumpe aktiviert wird. Dann rückt die Pumpensteuerung die Reibungskupplung ein, die den Antrieb des Laufrads durch die Riemenscheibe gestattet.
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Ist keine Aktivierung der Wasserpumpe erforderlich, wird die Reibungskupplungsanordnung durch die Solenoidanordnung 250 in einer ausgerückten Position gehalten. Dies wird in 4 gezeigt. Wenn das Magnetspulenglied 252 elektrisch aktiviert ist, wird ein Flusskreislauf 300 erzeugt, der zum Ziehen der Ankerplatte 232 zu dem Magnetspulenglied unter Überwindung der Kraft der Schraubenfederglieder 302 wirkt. Wenn die Ankerplatte 232 zum Solenoid gezogen ist, hält die Rückstellfeder 290 die Reibplatte 234 gegen das Anschlagglied 270. In diesem Zustand stehen die Reibmaterialen an der Reibplatte 234 weder mit dem Deckelglied 208 noch mit der Ankerplatte 232 in Kontakt.
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Die Anzahl von Schraubenfedern 302 und ihrer Vorspannkraft wird gemäß der in der Anordnung erforderlichen Kraft bestimmt. In den Zeichnungen werden sechs Schraubenfedern 302 gezeigt, aber es können in Abhängigkeit von der erforderlichen Kraft mehr oder weniger vorhanden sein.
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In diesem Deaktivierungsbetriebsmodus sind Luftspalte an den Außenseiten der Reibmaterialien an der Reibplatte vorhanden, und der Eingang (das Riemenscheibenglied) und der Ausgang (das Wellenglied) sind getrennt. Dadurch wird jegliche Wechselwirkung beseitigt, wie zum Beispiel Lagerwiderstand zwischen dem Eingang und dem Ausgang.
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Zur Erzeugung eines geeigneten Flusskreislaufs 300 weist das Riemenscheibenglied 220 mehrere Öffnungen 310 auf, die Luftspalte erzeugen. Dies wird insbesondere in 2A sowie 4 gezeigt. Die Öffnungen 310 bilden im Wesentlichen einen kreisförmigen offenen Ring. Mit den Luftspalten ist das Riemenscheibenglied für elektromagnetische Zwecke im Grunde ein kreisförmiger Außenring 312 und ein getrennter kreisförmiger Innenring 314. Die Größe, Form und Anzahl von Öffnungen oder Schlitzen 310 ist nicht kritisch, solange sie den Zweck des Erzeugens einer Unterbrechung des Magnetflusses erfüllen.
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Der Flusskreislauf 300 wird in 4 gezeigt. Er verläuft durch das Solenoidgehäuse 206, den Riemeneingriffsteil 223 des Riemenscheibenglieds 220, den kreisförmigen Außenringteil 312 des Riemenscheibenglieds und springt dann zu dem Ankerplattenglied 232 und dann zum kreisförmigen Innenringteil 314 des Riemenscheibenglieds 220 zurück, wo er zu dem Solenoidgehäuse zurückkehrt. Dieser Kreislauf zieht das Ankerglied dicht gegen das Riemenscheibenglied, so dass sich das Ankerglied mit dem Riemenscheibenglied und mit der gleichen Drehzahl dreht. In diesem Zustand ist das Wasserpumpenlaufrad 204 nicht aktiviert.
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3 zeigt die Situation, in der die Solenoidanordnung 250 nicht aktiviert ist. Dies ist der "ausfallsichere"(Fail-Safe-)Zustand. Dies bewirkt, dass die Wasserpumpe durch einen Motorriemen angetrieben und aktiviert wird. In dieser Situation zwingen die Schraubenfedern 302 das Ankerglied 232 in eine von dem Riemenscheibenglied und von der Solenoidanordnung weg verlaufende Richtung. Dies bewirkt, dass das Ankerglied 232 das Reibungsglied 236 berührt, das wiederum das Reibungsglied 238 dazu zwingt, die Innenfläche 209 des Deckelglieds 208 zu berühren. Da das Ankerglied, das Riemenscheibenglied und das Deckelglied alle aneinander befestigt sind, bewirkt dies, dass sich das Wellenglied 214 und das Laufradglied 204 mit der gleichen Drehzahl drehen.
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Ein Drehmomentübertragungspfad, der das Wellenglied mechanisch dreht, wird in 3 durch die Pfeile 320 gezeigt. In der eingerückten Kupplung wird das Reibplattenglied 234 zwischen dem Deckelglied 208 und dem Ankerglied 232 eingeklemmt, und Drehmoment wird durch beide Seiten der Reibplatte übertragen. Es gibt auch einen Drehmomentübertragungspfad von dem Riemenscheibenglied 220 durch das Befestigungselement 210, das Ankerplattenglied 232, das Reibplattenglied 234, das Mutternglied 290 und zu der Welle 214.
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5 zeigt schematisch die Verwendung der erfindungsgemäßen Reibungskupplung zum Betrieb eines Kühllüfters. Der Kühllüfternebenaggregatmechanismus wird durch die Bezugszahl 400 allgemein bezeichnet.
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Der Reibungskupplungsmechanismus 410 entspricht im Wesentlichen dem oben beschriebenen Reibungskupplungsmechanismus, der zum selektiven Drehen eines Wasserpumpenlaufrads verwendet wird. Bei dieser Ausführungsform wird der Reibungskupplungsmechanismus zur Drehung eines Kühllüfters verwendet. Die gleichen Komponenten werden durch die gleichen Bezugszahlen bezeichnet, wie in den anderen Figuren angeführt. Die Hauptunterschiede bestehen darin, dass das Wellenglied 214', wenn es aktiviert ist, eine Kühllüfteranordnung 420 dreht. Die Lüfteranordnung 420 enthält einen Kühllüfter 430 mit mehreren Schaufelgliedern 440 und einem zentralen Nabenglied 450. Das Nabenglied 450 ist fest an dem Wellenglied 214' angebracht, und der Lüfter 430 ist fest an dem Nabenglied 450 angebracht, so dass sich das Nabenglied und die Schaufeln drehen, wenn sich das Wellenglied dreht, und mit der gleichen Drehzahl. Es können jegliche herkömmlichen Mittel oder Mechanismen zum Aneinanderbefestigen der Komponenten derart, dass sie sich alle zusammen drehen, verwendet werden.
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Die vorliegenden Wasserpumpen- und Kühllüftervorrichtungen sind dazu ausgeführt, durch eine Feder in Eingriff zu stehen, so dass die Nebenaggregatvorrichtung im Falle eines Steuerungsversagens, wie zum Beispiel eines Verlusts von elektrischer Energie, angetrieben wird. Dies erfolgt zur Bereitstellung einer Fail-Safe-Funktion, was bedeutet, dass die Vorrichtung in ihren eingeschalteten Zustand zurückfällt, wenn sie nicht angetrieben wird. Sollte das elektrische System der Kühlmittelpumpe ausfallen, würde der Solenoid entregt werden, wodurch gestattet werden würde, dass die Schraubenfedern die Reibungskupplungsanordnung zum Einrücken zwingen würden. Deshalb würde die Pumpe in einem mechanischen Modus betrieben werden, in dem das Laufrad durch das Riemenscheibenglied über die Kupplungsanordnung angetrieben wird, wodurch eine Überhitzung verhindert wird.
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Obgleich die Erfindung unter Bezugnahme auf bevorzugte Ausführungsformen beschrieben worden ist, versteht sich, dass sie dadurch nicht eingeschränkt wird, da Änderungen und Modifikationen daran durchgeführt werden können, die innerhalb des vollen Schutzumfangs dieser Erfindung liegen, wie er durch die folgenden Ansprüche detailliert wird.
