DE102018125569A1

DE102018125569A1 - Wälzlagerung und Wasserpumpe

Info

Publication number: DE102018125569A1
Application number: DE102018125569.1A
Authority: DE
Inventors: Elmar Mause
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2018-10-16
Filing date: 2018-10-16
Publication date: 2020-04-16

Abstract

Vorgeschlagen sind eine Wälzlagerung (3) und eine Wasserpumpe (1) mit der Wälzlagerung. Diese umfasst ein Innenteil (6) mit einer oder mehreren Innenlaufbahnen (10, 11) und ein relativ zum Innenteil verdrehbares Außenteil (8) mit einer oder mehreren Außenlaufbahnen (12, 13) sowie eine oder mehrere Wälzkörperreihen (14, 15), die jeweils auf einer der Innenlaufbahnen und auf einer der Außenlaufbahnen abwälzen. Das Außenteil hat eine geschlossene Axialstirnseite (17) und eine offene Axialstirnseite (16), gegenüber der das Innenteil hervorsteht, wobei eine oder mehrere der Wälzkörperreihen Kugelreihen sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Wälzlagerung, umfassend ein Innenteil mit einer oder mehreren Innenlaufbahnen und ein relativ zum Innenteil verdrehbares Außenteil mit einer oder mehreren Außenlaufbahnen sowie eine oder mehrere Wälzkörperreihen, die jeweils auf einer der Innenlaufbahnen und auf einer der Außenlaufbahnen abwälzen, wobei das Außenteil eine geschlossene Axialstirnseite und eine offene Axialstirnseite hat, gegenüber der das Innenteil hervorsteht.
Die Erfindung betrifft auch eine Wasserpumpe mit einer solchen Wälzlagerung.
Eine Wälzlagerung der eingangs genannten Art ist von Nadellagern mit einseitig geschlossenem Außenring bekannt, die in der Wälzlagertechnik als Nadelbüchsen bezeichnet sind. Zur Aufnahme von Axialkräften können solche Lager auch mit Axial-Nadellagern kombiniert werden.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Wälzlagerung der eingangs genannten Art anzugeben, die mit konstruktiv möglichst einfachen Mitteln sowohl Radial- als auch Axialkräfte aufnehmen kann.
Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich dadurch, dass eine oder mehrere der Wälzkörperreihen Kugelreihen sind. Die Wälzlagerung kann zweireihig mit der Bauform Kugel - Kugel oder mit der Bauform Kugel - Rolle sein. Jede Kugelreihe kann zur Aufnahme der Axialkräfte entweder als Rillen- oder als Schrägkugellager in der Bauform Drei- oder Vierpunktlager ausgeführt sein.
Das Innenteil ist entweder eine drehfest zu befestigende Achse oder eine drehanzutreibende Welle. Im ersten Fall ist das Außenteil eine drehanzutreibende Nabe und im zweiten Fall ein drehfest zu befestigendes Gehäuse.
Die Lösung der Aufgabe ergibt sich ebenfalls durch eine elektrische Wasserpumpe, die eine der beiden vorstehend genannten Antriebskonfigurationen der Wälzlagerung, einen die Nabe beziehungsweise die Welle drehantreibenden Elektromotor und ein mit der Nabe beziehungsweise der Welle drehfest verbundenes Flügelrad umfasst.
Anders als bei herkömmlichen elektrischen Wasserpumpen, deren Welle auf beiden Seiten des als drehfester Außenring ausgebildeten Außenteils übersteht und einerseits den Elektromotor und andererseits das Flügelrad aufnimmt, beschränkt sich die Abdichtung des Lagerinneren der erfindungsgemäßen Wasserpumpe auf die offene Axialstirnseite des Außenteils, gegenüber der das Innenteil, d.h. die Achse oder die Welle hervorsteht.
Die Konstruktion der Wasserpumpe mit nur einseitig vorstehender Achse bzw. Welle hat neben dem wesentlich geringeren Herstell- und Montageaufwand für die Abdichtung noch weitere Vorteile:

1. die besonders bei elektrischem Pumpenantrieb kritische Verlustleistung des Lagers infolge der dichtungsbedingten Lagerreibung ist kleiner
2. das Risiko eines vorzeitigen Lagerausfalls infolge eindringender Leckage ins Lagerinnere ist praktisch ausgeschlossen
3. die relativ kurze Welle ist kostengünstig herstellbar
4. die relativ kurze Welle hat ein kleines Trägheitsmoment

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den Figuren, in denen Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Wasserpumpen und deren Wälzlagerungen zur Verwendung in einem Kühlkreislauf eines Kraftfahrzeugs vereinfacht im Längsschnitt dargestellt sind. Sofern nicht anders erwähnt, sind dabei gleiche oder funktionsgleiche Bauteile oder Merkmale mit gleichen Bezugszahlen versehen. Es zeigen:

1: ein erstes Ausführungsbeispiel einer Wasserpumpe mit einem Elektromotor, der als Innenläufer das als Nabe ausgebildete Außenteil der Wälzlagerung antreibt;
2: ein zweites Ausführungsbeispiel einer Wasserpumpe mit einem Elektromotor, der als Außenläufer das als Welle ausgebildete Innenteil der Wälzlagerung antreibt;
3: eine erste Variante einer zweireihigen Wälzlagerung der Bauform Kugel - Rolle;
4: eine zweite Variante einer zweireihigen Wälzlagerung der Bauform Kugel - Rolle;
5: eine dritte Variante einer zweireihigen Wälzlagerung der Bauform Kugel - Rolle;
6: eine erste Variante einer zweireihigen Wälzlagerung der Bauform Kugel - Kugel;
7: eine zweite Variante einer zweireihigen Wälzlagerung der Bauform Kugel - Kugel;
8: eine dritte Variante einer zweireihigen Wälzlagerung der Bauform Kugel - Kugel;
9: eine vierte Variante einer zweireihigen Wälzlagerung der Bauform Kugel - Kugel;
10: eine fünfte Variante einer zweireihigen Wälzlagerung der Bauform Kugel - Kugel;
11: eine sechste Variante einer zweireihigen Wälzlagerung der Bauform Kugel - Kugel.

1 zeigt eine elektrische Wasserpumpe 1 zur Verwendung in einem Kühlkreislauf eines Kraftfahrzeugs. Der Kühlkreislauf kann der Kühlung eines Verbrennungsmotors oder eines Batteriesystems dienen. Die Wasserpumpe 1 umfasst ein Wasserpumpengehäuse 2, eine Wälzlagerung 3, ein Flügelrad 4 und einen Elektromotor 5, der das Flügelrad 4 mittels der Wälzlagerung 3 antreibt.
Die Wälzlagerung 3 umfasst ein Innenteil 6, das als drehfest im Wasserpumpengehäuse 2 befestigte Achse 7 ausgebildet ist, und ein relativ zum Innenteil 6 verdrehbares Außenteil 8, das als vom Elektromotor 5 drehangetriebene Nabe 9 ausgebildet ist. Die Wälzlagerung 3 ist mit zwei unmittelbar auf der Achse 7 eingearbeiteten Innenlaufbahnen 10 und 11 und zwei in der Nabe 9 eingearbeiteten Außenlaufbahnen 12 und 13 zweireihig. Beide Wälzkörperreihen 14 und 15, die (innenringfrei) auf den Innenlaufbahnen 10, 11 und auf den Außenlaufbahnen 12, 13 abwälzen, sind vorliegend Kugelreihen.
Die Nabe 9 hat eine offene Axialstirnseite 16 und seitens des Flügelrads 4 eine geschlossene Axialstirnseite 17. Die Achse 7 steht gegenüber der offenen Axialstirnseite 16 hervor, wobei der hervorstehende Abschnitt der Achse 7 im Wasserpumpengehäuse 2 befestigt ist. Die Nabe 9 ist mit einem Zapfen 18 versehen, der sich von der geschlossenen Axialstirnseite 17 ausgehend axial in die der Achse 7 abgewandte Richtung erstreckt und drehfest mit dem Flügelrad 4 gefügt ist. Eine lediglich an der offenen Axialstirnseite 16 vorgesehene Abdichtung der Wälzlagerung 3 ist nicht dargestellt.
Der Elektromotor 5 ist ein Innenläufer, der einen Stator 19 mit Magneten und einen darin drehbaren Rotor 20 mit Spulen umfasst. Der Stator 19 ist ortsfest im Wasserpumpengehäuse 2 angeordnet, und der Rotor 20 steht in drehfester Antriebsverbindung mit der Nabe 9. Die Drehbefestigung des Rotors 20 auf der Nabe 9 kann zugunsten niedriger Herstellkosten unmittelbar und beispielsweise durch eine Klebverbindung erfolgen, die zugleich die beiden Hälften des Außenteils 8 miteinander fügt.
Der das Flügelrad 4 umgebende Kühlwasserraum ist gegenüber der Wälzlagerung 3 mittels einer im Wasserpumpengehäuse 2 befestigten Dichtung 21 separiert. Die Dichtung 21 ist vorliegend eine Axial-Gleitringdichtung.
Der gegenüber der Nabe 9 hervorstehende Abschnitt der Achse 7 ist mit Mitteln zur Befestigung der Wasserpumpe 1 am Verbrennungsmotor versehen. Bei den Mitteln handelt es sich vorliegend um ein Außengewinde 22 zum Einschrauben der Achse 7 in ein Innengewinde des (nicht dargestellten) Motorblocks des Verbrennungsmotors.
Die Wälzlagerung 3 der in 2 dargestellten Wasserpumpe 1 umfasst eine drehanzutreibende Welle 23 als Innenteil 6 und ein drehfest im Wasserpumpengehäuse 2 zu befestigendes Gehäuse 24 als Außenteil 8 und ist ebenfalls zweireihig mit der Bauform Kugel - Kugel. Aufgrund der zu 1 kinematisch vertauschten Drehanordnung des Innenteils 6 relativ zum Außenteil 8 befindet sich bei diesem Ausführungsbeispiel die offene Axialstirnseite 16 seitens des Flügelrads 4, das mit dem gegenüber dem Gehäuse 24 hervorstehenden Abschnitt der Welle 23 drehfest gefügt ist.
Der Elektromotor 5 ist ein vergleichsweise drehmomentstarker Außenläufer, der einen Stator 19 mit Spulen und einen darauf drehbaren Rotor 20 mit Magneten umfasst. Der Stator 19 ist ortsfest im Wasserpumpengehäuse 2 angeordnet, und der Rotor 20 steht in drehfester Antriebsverbindung mit der Welle 23. Die Befestigung des Stators 19 auf dem Gehäuse 24 kann zugunsten niedriger Herstellkosten unmittelbar und beispielsweise ebenfalls durch eine Klebverbindung erfolgen, die zugleich die beiden Hälften des Gehäuses 24 miteinander fügt.
Der das Flügelrad 4 umgebende Kühlwasserraum ist gegenüber der Wälzlagerung 3 mittels einer im Wasserpumpengehäuse 2 befestigten Dichtung 21 separiert. Die Dichtung 21 ist ebenfalls eine Axial-Gleitringdichtung, die in diesem Ausführungsbeispiel auch das Innere der Wälzlagerung 3 vor eindringendem Kühlwasser schützt.
Das Gehäuse 24 ist mit Mitteln zur Befestigung der Wasserpumpe 1 versehen. Die Mittel erstrecken sich von der geschlossenen Axialstirnseite 17 des Gehäuses 24 ausgehend axial in die der Welle 23 abgewandte Richtung und umfassen ebenfalls ein Außengewinde 22 zum Einschrauben der Wasserpumpe 1 in einen (nicht dargestellten) Motorblock des Verbrennungsmotors. Vorliegend dient ein Außensechskant 25 als beispielhafte Eingriffskontur für das Einschraubwerkzeug.
Die in den 3 bis 5 dargestellten Wälzlagerungen 3 haben anstelle der Bauform Kugel - Kugel die Bauform Rolle - Kugel. Wie bei der Ausführung gemäß 1 ist jeweils das Innenteil 6 eine stehende Achse 7 mit der innenringfreien Innenlaufbahn 10 für die als Nadelreihe ausgebildete Wälzkörperreihe 14 und mit der innenringfreien Innenlaufbahn 11 für die als Kugelreihe ausgebildete Wälzkörperreihe 15. Das Außenteil 8 ist dementsprechend eine drehangetriebene Nabe 9, die vorliegend einteilig ist.
Die Abdichtung des Lagerinneren erfolgt auf der dem Kühlwasserraum abgewandten Seite über eine Dichtung 26, die an der offenen Axialstirnseite 16 angeordnet ist. Die Dichtung 26 ist eine berührungslose Spaltdichtung, die praktisch reibungsfrei ist.
Die drei dargestellten Varianten unterscheiden sich durch die Mittel zur Befestigung der Achse 7 in einem (hier nicht dargestellten) Anschlussgehäuse. Die Varianten gemäß den 3 und 4 sind eingepresst oder eingeklebt, wobei das Einpressen über einen Bund 27 erfolgen kann. Die Befestigung der in 5 dargestellten Variante erfolgt über das Außengewinde 22 als Teil der bereits oben erläuterten Schraubverbindung der Achse 7 mit dem Anschlussgehäuse.
Die in den 6 bis 8 dargestellten Wälzlagerungen 3 haben die Bauform Kugel - Kugel, wobei gemäß 1 bei drehangetriebener Nabe 9 die Achse 7 im Anschlussgehäuse befestigt ist.
Bei der in 6 gezeigten Wälzlagerung 3 ist die Außenlaufbahn 13 der zweiten Wälzkörperreihe 15 durch einen Zwischenring 28 gebildet, der in der Nabe 9 verschieblich gelagert ist. Die Kraft einer axial zwischen der Nabe 9 und dem Zwischenring 28 eingespannten Feder 29 beaufschlagt den Zwischenring 28 in Richtung einer Abstandvergrößerung der beiden Außenlaufbahnen 12 und 13, die somit die Nabe 9 axial spielfrei in O-Anordnung auf der Achse 7 lagern. Durch das praktisch nicht vorhandene axiale Lagerspiel wird die Lebensdauer der Dichtung 21 gemäß 1 und folglich die Gesamtlebensdauer der Wasserpumpe 1 wesentlich erhöht.
Die Feder 29 ist vorliegend eine Druckfeder, die beispielsweise als Schraubenfeder, Tellerfeder, Tellerfederpaket oder Schraubentellerfeder ausgeführt sein kann. Die Vorspannkraft der Feder 29 ist so dimensioniert, dass eine dazu entgegen gerichtete Axialkraft zu keiner nennenswerten Verschiebung des Zwischenrings 28 führt. Lastwechselbedingte Axialschwingungen des Zwischenrings 28 können erforderlichenfalls durch die Einstellung der Lagerreibung im Kontakt zwischen dem Zwischenring 28 und der Nabe 9 gedämpft werden. Die Kugeln der beiden Wälzkörperreihen 14 und 15 haben im Hinblick auf die erforderliche Mindestwandstärke des Zwischenrings 28 unterschiedliche Durchmesser.
Die Wälzlagerungen 3 gemäß den 7 und 8 haben jeweils eine gebaute Nabe 9, die aus zwei Nabenteilen 30 und 31 axial gefügt ist. Diese Bauweise ermöglicht es, die jeweils in einem der Nabenteile 30, 31 abwälzenden Wälzkörperreihen 14 und 15 zugunsten der Tragzahl nahezu vollkugelig auszuführen. Die Achse 7 gemäß 7 ist im Anschlussgehäuse eingepresst oder eingeklebt. Die Achse 7 gemäß 8 ist im Anschlussgehäuse eingeschraubt.
Die in den 9 bis 11 dargestellten Wälzlagerungen 3 haben ebenfalls die Bauform Kugel - Kugel, wobei gemäß 2 bei drehangetriebener Welle 23 das Gehäuse 24 Anschlussgehäuse befestigt ist. Bei allen drei Varianten ist das Gehäuse 24 - analog zur geteilten Nabe 9 der 7 und 8 - mit zwei axial gefügten Gehäuseteilen 32 und 33 gebaut, wobei die beiden nahezu vollkugeligen Wälzkörperreihen 14 und 15 die Welle 23 ebenfalls in X-Anordnung lagern.
Die Gehäuseteile 32 weisen jeweils Mittel zur Befestigung des Gehäuses 24 im Anschlussgehäuse auf. Die Mittel erstrecken sich von der geschlossenen Axialstirnseite 17 jedes Gehäuseteils 32 ausgehend in die der Welle 23 abgewandte Richtung und sind bei den Wälzlagerungen 3 gemäß den 9 und 10 als Außengewinde 22 mit bzw. ohne Außensechskant 25 ausgebildet. Das Gehäuse 24 gemäß 11 hat eine Umlaufnut 34, die von einem aus Kunststoff bestehenden Wasserpumpengehäuse 2 umspritzt ist.
Bezugszeichenliste

1: Wasserpumpe
2: Wasserpumpengehäuse
3: Wälzlagerung
4: Flügelrad
5: Elektromotor
6: Innenteil
7: Achse
8: Außenteil
9: Nabe
10: Innenlaufbahn
11: Innenlaufbahn
12: Außenlaufbahn
13: Außenlaufbahn
14: Wälzkörperreihe
15: Wälzkörperreihe
16: offene Axialstirnseite
17: geschlossene Axialstirnseite
18: Zapfen
19: Stator
20: Rotor
21: Dichtung
22: Außengewinde
23: Welle
24: Gehäuse
25: Außensechskant
26: Dichtung
27: Bund
28: Zwischenring
29: Feder
30: Nabenteil
31: Nabenteil
32: Gehäuseteil
33: Gehäuseteil
34: Umlaufnut

Claims

Wälzlagerung (3), umfassend ein Innenteil (6) mit einer oder mehreren Innenlaufbahnen (10, 11) und ein relativ zum Innenteil (6) verdrehbares Außenteil (8) mit einer oder mehreren Außenlaufbahnen (12, 13) sowie eine oder mehrere Wälzkörperreihen (14, 15), die jeweils auf einer der Innenlaufbahnen (10, 11) und auf einer der Außenlaufbahnen (12, 13) abwälzen, wobei das Außenteil (8) eine geschlossene Axialstirnseite (17) und eine offene Axialstirnseite (16) hat, gegenüber der das Innenteil (8) hervorsteht, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere der Wälzkörperreihen (14, 15) Kugelreihen sind.
Wälzlagerung (3) nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch zwei Wälzkörperreihen (14, 15) mit der Bauform Kugel - Kugel oder Kugel - Rolle.
Wälzlagerung (3) nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine an der offenen Axialstirnseite (16) verlaufende Dichtung (26), die als berührungslose Spaltdichtung ausgebildet ist.
Wälzlagerung (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Innenteil (6) eine drehfest zu befestigende Achse (7) ist und dass das Außenteil (8) eine drehanzutreibende Nabe (9) ist.
Wälzlagerung (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Innenteil (6) eine drehanzutreibende Welle (23) ist und dass das Außenteil (8) ein drehfest zu befestigendes Gehäuse (24) ist.
Wasserpumpe (1) aufweisend eine Wälzlagerung (3) nach Anspruch 4 oder 5, einen die Nabe (9) beziehungsweise die Welle (23) drehantreibenden Elektromotor (5) und ein mit der Nabe (9) beziehungsweise der Welle (23) drehfest verbundenes Flügelrad (4).
Wasserpumpe (1) nach Anspruch 6 soweit auf Anspruch 4 rückbezogen, dadurch gekennzeichnet, dass die Nabe (9) mit einem Zapfen (18) versehen ist, der sich von der geschlossenen Axialstirnseite (17) der Nabe (9) ausgehend axial in die der Achse (7) abgewandte Richtung erstreckt und mit dem Flügelrad (4) gefügt ist.
Wasserpumpe (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der gegenüber der Nabe (9) hervorstehende Abschnitt der Achse (7) Mittel zur Befestigung der Wasserpumpe (1) hat.
Wasserpumpe (1) nach Anspruch 6 soweit auf Anspruch 5 rückbezogen, dadurch gekennzeichnet, dass das Flügelrad (4) mit dem gegenüber dem Gehäuse (24) hervorstehenden Abschnitt der Welle (23) gefügt ist.
Wasserpumpe (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (24) Mittel zur Befestigung der Wasserpumpe (1) hat, wobei sich die Mittel von der geschlossenen Axialstirnseite (17) des Gehäuses (24) ausgehend axial in die der Welle (23) abgewandte Richtung erstrecken.