DE102015210908A1

DE102015210908A1 - Elektromotorisch angetriebene Flüssigkeitspumpe

Info

Publication number: DE102015210908A1
Application number: DE102015210908.9A
Authority: DE
Inventors: Thomas Peterreins
Original assignee: Buehler Motor GmbH
Current assignee: Buehler Motor GmbH
Priority date: 2015-06-15
Filing date: 2015-06-15
Publication date: 2016-12-15
Also published as: WO2016202334A1; EP3308023A1; CN107810329B; US20180100503A1; US10451057B2; CN107810329A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektromotorisch angetriebene Flüssigkeitspumpe, insbesondere Ölpumpe oder Reduktionsmittelpumpe, mit einem Elektromotor (1), einer Verdrängerpumpe, insbesondere Zahnradpumpe (2) und einem zwischen dem Elektromotor (1) und der Verdrängerpumpe angeordneten Lagerschild (3). Es ist Aufgabe der Erfindung bei einer elektromotorisch angetriebenen Flüssigkeitspumpe für eine wirtschaftlich herstellbare, Fertigungsungenauigkeiten tolerierbare und hohe Radialkräfte aufnehmende Lagerung zu sorgen. Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektromotorisch angetriebene Flüssigkeitspumpe, insbesondere Ölpumpe oder Reduktionsmittelpumpe, mit einem Elektromotor (1), einer Verdrängerpumpe, insbesondere Zahnradpumpe (2) und einem zwischen dem Elektromotor (1) und der Verdrängerpumpe angeordneten Lagerschild (3).
Bei Verdrängerpumpen für Flüssigkeiten werden vorteilhafterweise hydrodynamische Gleitlager eingesetzt, um hohe Radialkräfte abzufangen und gleichzeitig eine kostenoptimierte Lagerung zu bilden.
Im Stand der Technik wird eine präzise Bohrung im Lagerdeckel der Pumpe verwendet, weil für hydrodynamische Gleitlager ein axial gleichmäßiger Lagerspalt erforderlich ist. Diese erfordert, dass nur wenig Versatz und wenig Verkippung der Welle stattfinden. Wird jedoch eine integrierte Motorpumpe gebaut, so sind die Anforderungen an die genaue Ausrichtung der Welle am Ort des Lagers durch lange Toleranzketten und Herstellprozessungenauigkeiten der beteiligten Einzelteile nicht erfüllbar.
Aus der DE 101 44 653 B4 ist eine gattungsgemäße Pumpe bekannt, bei der zwischen Elektromotor und Pumpe ein Lagerschild angeordnet ist, das am Durchgang für eine Verbindungswelle zwischen Permanentmagnetrotor und Pumpe mit einem Sintergleitlager versehen ist, welches bei hohen Drehzahlen als hydrodynamisches Lager wirkt. Dadurch ist die Pumpe für unterschiedliche Flüssigkeiten, auch für Öl und für unterschiedliche Drehzahlen geeignet.
Es ist Aufgabe der Erfindung bei einer elektromotorisch angetriebenen Flüssigkeitspumpe für eine wirtschaftlich herstellbare, Fertigungsungenauigkeiten tolerierbare und hohe Radialkräfte aufnehmende Lagerung zu sorgen.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Dadurch, dass das Lagerschild (3) ein Kalottenlager (4) aufnimmt, das unter einer Krafteinwirkung F begrenzt schwenkbar ist, können Fertigungsungenauigkeiten auf einfache Weise ausgeglichen werden. Da das Kalottenlager (4) eine Verbindungswelle (5) zwischen dem Elektromotor (1) und der Zahnradpumpe (2) aufnimmt, wobei zwischen dem Innendurchmesser des Kalottenlagers (4) und der Verbindungswelle (5) ein ringförmiger flüssigkeitsgefüllter Lagerspalt (6) verbleiben kann und die Anordnung aus Kalottenlager (4), Verbindungswelle (5) und flüssigkeitsgefülltem Lagerspalt (6) im Betrieb als hydrodynamisches Gleitlager wirkt, lassen sich hohe Radialkräfte abfangen. Da Kalottenlager bei herkömmlichen Elektromotoren in großer Zahl verwendet werden, welche sich zudem auf einfache Weise montieren lassen, ist auch eine sehr wirtschaftliche Fertigung möglich. Auch Gleitlager mit Sonderformen fallen unter den Schutzbereich der Erfindung.
Weiterbildungen der Erfindung werden in den Unteransprüchen dargestellt. Wie bei Kalottenlagern üblich, ist auch bei der vorliegenden Erfindung eine Klemmfeder zur Herstellung einer Klemmkraft zwischen Lager und Lagerschild vorgesehen. Das Kalottenlager ist dabei durch die Klemmfeder an eine zumindest bereichsweise kegelförmige, facettenförmige oder hohlkugelförmige Anlagefläche des Lagerschildes angedrückt.
Die Klemmfeder ist dabei so bemessen, dass eine axial auf das Kalottenlager wirkende Kraftkomponente größer ist als eine durch einen Flüssigkeitsdruck erzeugte axial wirkende Gegenkraft (F_P) auf das Kalottenlager. Dabei ist es wichtig, dass es auch nicht zu axialen Bewegungen kommt – auch nicht kurzzeitig, weil dies unangenehme Geräusche nach sich ziehen würde.
Andererseits darf die Klemmkraft auch nicht zu groß sein, damit ein Verkippen des Kalottenlagers als Toleranzausgleich aufgrund hydrodynamischer Kräfte möglich ist. Zumindest sollte sich das Lager spätestens nach einem erstmaligen Hochlauf auf hohe Drehzahlen und/oder einer Radialkraft von außen entsprechend der geometrischen Gegebenheiten ausrichten, wobei sich ein Fluidspalt zwischen Verbindungswelle und Kalottenlager einstellt.
Zweckmäßigerweise sollte das Kalottenlager, wie in vielen trockenen Anwendungen üblich, als Sintergleitlager ausgebildet sein und porenförmige Zwischenräume aufweisen, die mit Flüssigkeit, insbesondere Öl, füllbar sind. Diese Zwischenräume wirken als Schmierstoffdepot und können auch in Ausnahmefällen, in denen der Flüssigkeitsspiegel abfällt, für eine ausreichende Schmierung sorgen.
Eine kompakte Bauform erhält man, wenn Flüssigkeitspumpe und Elektromotor integriert sind. Hierfür kann z. B. das Motorgehäuse axial verlängert sein, um einen Aufnahmeraum für die Pumpe zu schaffen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
1 eine vereinfachte Schnittdarstellung durch einen Lagerbereich,
2 ein Kräftediagramm zu 1 und
3 eine stilisierte Darstellung eines erfindungsgemäßen Flüssigkeitspumpenmotors.
Hinweis: Bezugszeichen mit Apostroph und entsprechende Bezugszeichen ohne Apostroph bezeichnen namensgleiche Einzelheiten in den Zeichnungen und der Zeichnungsbeschreibung. Es handelt sich dabei um die Verwendung in einer anderen Ausführungsform, dem Stand der Technik und/oder die Einzelheit ist eine Variante. Die Ansprüche, die Beschreibungseinleitung, die Bezugszeichenliste und die Zusammenfassung enthalten der Einfachheit halber nur Bezugszeichen ohne Apostroph.
1 zeigt eine vereinfachte Schnittdarstellung durch einen Lagerbereich eines erfindungsgemäßen Elektromotors für eine Flüssigkeitspumpe, hier für eine Ölpumpe, mit einem Lagerschild 3, einer Verbindungswelle 5, einem Kalottenlager 4 und einer Klemmfeder 7. Die Klemmfeder 7 ist in eine zylindrische Vertiefung 9 des Lagerschilds 3 angeordnet und dabei durch einen kegelmantelförmigen Klemmringbereich 10 an der Innenfläche der Vertiefung 9 verklemmt. Neben dem Klemmringbereich 10 besteht die Klemmfeder 7 aus einem ringförmigen Anlagebereich 11 und einem kegelmantelförmigen Lagerhaltebereich 12. Der Anlagebereich 11 der Kalottenfeder 7 liegt an einer ringförmigen Anlagefläche am Ende der Vertiefung 9 an. Die Vertiefung 9 ist dabei so auf die Länge des Kalottenlagers 4 abgestimmt, dass der kegelmantelförmige Lagerhaltebereich 12 eine Kraft F_F auf das Kalottenlager 4 ausübt und dieses in eine kegelförmige Anlagefläche 8 des Lagerschilds 3 andrückt. Aufgrund der sphärischen Außenform des Kalottenlagers 4 liegt dieses nur kreislinienförmig an der kegelförmigen Anlagefläche 8 an. An diese Kreislinie schließen sich Freiräume 13, 14 an, welche ein Verkippen des Kalottenlagers 4 ermöglichen oder zumindest erleichtern. Die Kalottenfeder 4 weist eine Mehrzahl von hier nicht erkennbaren Kalottenfederfingern auf, welche die Elastizität der Kalottenfeder 7 erhöhen.
2 zeigt ein Kräftediagramm zu 1, mit einer Federkraft F_F, welche rechtwinklig zum Lagerhaltebereich 12 an einer Berührungskreislinie zwischen dem Lagerhaltebereich 12 der Kalottenfeder 7 und der sphärischen Außenkontur des Kalottenlagers 4 angreift, einer Berührkraft F_B, welche rechtwinklig zur kegelförmigen Anlagefläche 8 an der Berührungskreislinie zwischen dem kegelförmigen Anlagebereich und der sphärischen Außenkontur des Kalottenlagers 4 angreift, einer Flüssigkeitsdruckkraft/Öldruckkraft F_P, welche durch einen im Betrieb auftretenden Flüssigkeitsdruck/Öldruck in Axialrichtung auf das Kalottenlager 4 wirkt und einer Radialkraft F_R, welche zum großen Teil in der Pumpe erzeugt wird. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel beträgt der Winkel des Kraftvektors F_B zur Lotrechten 35°, der Winkel des Kraftvektors F_F zur Waagrechten 15°, der Kalottenkugeldurchmesser 20 mm, der Pumpendruck 6 bar, der Wellendurchmesser 8 mm, eine projizierte Fläche A_P 160 mm² als Angriffsfläche für den Flüssigkeitsdruck/Öldruck, einem Berührpunktabstand zur Achse r_B 8,2 mm, der Reibkoeffizient µ 0,1, die Kalottenlänge 15 mm, die durch den Flüssigkeitsdruck/Öldruck erzeugte Kraftkomponente F_P 96,3 N und die Radialkraft F_R 200 N. Diese Betrachtung muss nur in Radialkraftrichtung erfolgen.
Bei größten Lastkräften ergeben sich hierbei für die Federkraft 206 N, für die Berührkraft F_B 179 N, für das Verstellmoment 38,5 Ncm und eine für die Verstellung nötige Kraft F_Rn 51,3 N.
Falls keine Lastkräfte F_P und F_R auftreten, ergeben sich für die Federkraft 206 N, für die Berührkraft F_B 346 N, für das Verstellmoment 55,3 Ncm und die für die Verstellung nötige Kraft F_Rn 73,7 N.
3 zeigt eine stilisierte Darstellung eines erfindungsgemäßen Ölpumpenmotors, mit einem Elektromotor 1 und einer Zahnradpumpe 2, die hier als Gerotorpumpe ausgebildet ist. Der Elektromotor 1 weist einen bewickelten Stator 15 und einen Permanentmagnetrotor 16 auf. Zwischen dem Stator 15 und dem Permanentmagnetrotor 16 ist ein Spaltrohr 21 angeordnet, welches den Stator 15 gegenüber einem ölgefüllten Rotorraum 22 abdichtet. Eine Öffnung 23, hier als ringförmiger Zwischenraum zwischen einer Verbindungswelle 5 und einem Lagerschild 3 dargestellt, verbindet den Rotorraum 22 mit einem Pumpenraum 24. Die Verbindungwelle 5 ist im pumpenfernen Bereich des Elektromotors 1 in einem zweiten Motorlager 25 gelagert, welches in einem Motorgehäusedeckel 19 aufgenommen ist. Die Gerotorpumpe umfasst ein auf der Verbindungswelle 5 drehfest montiertes Innenzahnrad 17, dessen Außenverzahnung mit einer Innenverzahnung eines Außenzahnrads 18 in Eingriff ist. Durch die Drehbewegung des Innenzahnrads 17 im Außenzahnrad 18 ändert sich ein Pumpenvolumen, das von den Zähnen der Zahnräder 17, 18 und Außenwänden der Ölpumpe definiert wird, so dass eine Förderwirkung entsteht. Eine Außenwand wird durch ein Lagerschild 3 des Elektromotors 1 gebildet, eine zweite Außenwand durch einen Pumpengehäusedeckel 20. Weiter ist das Kalottenlager 4, die Klemmfeder 7 und die Vertiefung 9 dargestellt. Anstatt eines elektronisch kommutierten Gleichstrommotors könnte z. B. auch ein bürstenkommutierter Gleichstrommotor oder eine andere Art von Elektromotor verwendet werden.
4 zeigt eine stilisierte Darstellung einer Variation des erfindungsgemäßen Ölpumpenmotors, mit einem Elektromotor 1‘ und einer Zahnradpumpe 2‘, die hier ebenfalls als Gerotorpumpe ausgebildet ist. Der Elektromotor 1‘ weist einen bewickelten Stator 15‘ und einen Permanentmagnetrotor 16‘ auf. Zwischen dem Stator 15‘ und dem Permanentmagnetrotor 16‘ ist ein Spaltrohr 21‘ angeordnet, welches den Stator 15‘ gegenüber einem ölgefüllten Rotorraum 22‘ abdichtet. Eine Öffnung 23‘, welche hier als ringförmiger Zwischenraum zwischen einer Verbindungswelle 5‘ und einem Lagerschild 3‘ dargestellt ist, verbindet den Rotorraum 22‘ mit einem Pumpenraum 24‘. Die Verbindungwelle 5‘ ist im pumpenfernen Bereich des Elektromotors 1‘ in einem zweiten Motorlager 25‘ gelagert, welches in einem Gehäusetopf 26‘ aufgenommen ist. Die Gerotorpumpe umfasst ein auf der Verbindungswelle 5 drehfest montiertes Innenzahnrad 17‘, dessen Außenverzahnung mit einer Innenverzahnung eines Außenzahnrads 18‘ in Eingriff ist. Durch die Drehbewegung des Innenzahnrads 17‘ im Außenzahnrad 18‘ ändert sich ein Pumpenvolumen, das von den Zähnen der Zahnräder 17‘, 18‘ und Außenwänden der Ölpumpe definiert wird, so dass eine Förderwirkung entsteht. Eine Außenwand wird durch ein Lagerschild 3‘ des Elektromotors 1‘ gebildet, eine zweite Außenwand durch einen Pumpengehäusedeckel 20‘. Weiter ist das Kalottenlager 4‘, die Klemmfeder 7‘ und die Vertiefung 9‘ dargestellt.
Bezugszeichenliste

1: Elektromotor
2: Zahnradpumpe
3: Lagerschild
4: Kalottenlager
5: Verbindungswelle
6: Lagerspalt
7: Klemmfeder
8: Anlagefläche
9: Vertiefung
10: Klemmringbereich
11: Anlagebereich
12: Lagerhaltebereich
13: erster Freiraum
14: zweiter Freiraum
15: Stator
16: Permanentmagnetrotor
17: Innenzahnrad
18: Außenzahnrad
19: Motorgehäusedeckel
20: Pumpengehäusedeckel
21: Spaltrohr
22: Rotorraum
23: Öffnung
24: Pumpenraum
25: Motorlager
26: Gehäusetopf

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10144653 B4 [0004]

Claims

Elektromotorisch angetriebene Flüssigkeitspumpe, insbesondere Ölpumpe oder Reduktionsmittelpumpe, mit einem Elektromotor (1), einer Verdrängerpumpe, insbesondere Zahnradpumpe (2) und einem zwischen dem Elektromotor (1) und der Verdrängerpumpe angeordneten Lagerschild (3), dadurch gekennzeichnet, dass das Lagerschild (3) ein Kalottenlager (4) aufnimmt, das unter einer Krafteinwirkung begrenzt schwenkbar ist, welches Kalottenlager (4) eine Verbindungswelle (5) zwischen dem Elektromotor (1) und der Verdrängerpumpe aufnimmt, zwischen dem Innendurchmesser des Kalottenlagers (4) und der Verbindungswelle (5) ein ringförmiger flüssigkeitsgefüllter oder flüssigkeitsfüllbarer Lagerspalt (6) verbleiben kann und die Anordnung aus Kalottenlager (4), Verbindungswelle (5) und Lagerspalt (6) im Betrieb als hydrodynamisches Gleitlager wirken kann.
Elektromotorisch angetriebene Flüssigkeitspumpe nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Klemmfeder (7), welche das Kalottenlager (4) an eine zumindest bereichsweise kegelförmige, facettenförmige oder hohlkugelförmige Anlagefläche (8) des Lagerschildes (3) andrückt und sich in einer Aufnahme in Form einer im Wesentlichen hohlzylinderförmigen Vertiefung (9) des Lagerschilds (3) festklemmt.
Elektromotorisch angetriebene Flüssigkeitspumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Klemmfeder (7) so bemessen ist, dass eine axial auf das Kalottenlager (4) wirkende Kraftkomponente größer ist als eine durch einen Flüssigkeitsdruck erzeugte axial wirkende Gegenkraft (F_P) auf das Kalottenlager (4).
Elektromotorisch angetriebene Flüssigkeitspumpe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Klemmfeder (7) so bemessen ist, dass durch die Flüssigkeit zwischen dem Kalottenlager (4) und der Verbindungswelle (5) eine Kippkraft auf das Kalottenlager (4) wirken kann, deren Größe ausreicht, eine durch die Klemmfeder (7) erzeugte Reibkraft in der Lageraufnahme zu überwinden, ohne dass der Schmierfilm lokal von Kalottenlager (4) oder Verbindungswelle (5) durchdrungen wird.
Elektromotorisch angetriebene Flüssigkeitspumpe nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kalottenlager (4) ein Sintergleitlager mit porenförmigen Zwischenräumen ist.
Elektromotorisch angetriebene Flüssigkeitspumpe nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeitspumpe und der Elektromotor (1) zusammen integriert sind.