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Die Erfindung betrifft eine Wasserpumpe für ein Kraftfahrzeug und ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Wasserpumpe.
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Insbesondere bei Hybridfahrzeugen mit einem Verbrennungsmotor und einer elektrischen Antriebsmaschine ist es sinnvoll, elektromechanische Wasserpumpen zu verwenden, die sowohl über einen Riemen- oder Kettentrieb einerseits als auch über einen elektrischen Antrieb andererseits angetrieben werden können.
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Dabei erlaubt der elektrische Antrieb, dass die Wasserpumpe auch bei ausgeschaltetem Verbrennungsmotor oder im Start-Stopp-Zustand aktiv ist, wodurch eine lokale Überhitzung vermieden werden kann und Nebenkühlkreise durch Nachlauf-Kühlpumpen ersetzt werden können. Der elektrische Betrieb ist dafür konzipiert, einen Kühlmitteldurchfluss im Betrieb zu reduzieren, was eine CO2-Einsparung mit sich bringen kann. Wenn die Wasserpumpe im elektrischen Modus fährt, reduziert sich ihre hydraulische Leistung. Die Drehzahl des Pumpenlaufrades kann unabhängig von der Motordrehzahl bestimmt werden. Die Möglichkeit, eine einzige Pumpe mit einer zentralen Steuerung einzusetzen kann den Verzicht auf eine Reihe von Komponenten im Motorraum (wie beispielsweise Rohrleitungen, Kupplungen und Zusatzpumpen) ermöglichen, was zu einer erheblichen Gewichts- und Platzersparnis führt.
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Im mechanischen Betrieb mit dem Riemen- oder Kettentrieb nutzt eine solche Wasserpumpe die Antriebskräfte des Verbrennungsmotors, um die hohen Kühlleistungen zu erreichen, die für die hohen Anforderungen während des Fahrzeugbetriebs benötigt werden. Bei den aktuellen Spannungspegeln in der Fahrzeugverkabelung (12 V und 48 V) sind gängige elektrische Wasserpumpen häufig nicht ausreichend, um die Kühlanforderungen, beispielsweise bei Volllast des Verbrennungsmotors, zu erfüllen.
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Elektromechanische Wasserpumpen erlauben einen unmittelbaren und einfachen Wechsel zwischen elektrischem und mechanischem Betrieb.
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Dabei nehmen sie allerdings einen größeren Bauraum in Anspruch als gängige rein mechanisch angetriebene oder gängige rein elektrisch angetriebene Wasserpumpen. Vor diesem Hintergrund wurde bei der Entwicklung bisherige elektromechanische Wasserpumpen darauf geachtet, die Wasserpumpe in einem möglichst kleinbauenden Gehäuse zu kapseln.
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Bei bekannten elektromechanischen Wasserpumpen konnten derartige Gehäusekonstruktionen allerdings nicht über die gesamte Lebensdauer des Kraftfahrzeugs den Kräften standhalten, die durch den Riemen des Riemenantriebs oder die Kette des Kettentriebs in einer Biegerichtung zur Längsachse der Antriebswelle des Pumpenrads eingebracht werden.
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Beispielsweise ist aus der Druckschrift
DE 10 2017 118 264 A1 bekannt eine Kühlmittelpumpe für eine Verbrennungsmaschine mit: einer Pumpenwelle, die mit einem Pumpenlaufrad drehfest verbunden ist, und in einem Pumpengehäuse drehbar gelagert ist; einem Übertragungsrotor zur Übertragung einer mechanischen Antriebsleistung auf die Pumpenwelle; und einem Elektromotor zur Erzeugung einer elektrischen Antriebsleistung an der Pumpenwelle.
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Die Druckschrift
DE 10 2016 202 438 A1 zeigt ein Temperatursteuersystem für ein Fahrzeugkühlsystem, das Folgendes umfasst: ein Gehäuse; eine Laufradwelle, die in dem Gehäuse positioniert ist; ein Laufrad, das mit der Welle zur Umwälzung des Kühlmittels in dem Fahrzeugkühlsystem verbunden ist; eine Überholkupplung in dem Gehäuse zur Drehung der Laufradwelle; einen Elektromotor, der in dem Gehäuse zur Drehung des Laufrads positioniert ist.
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Aus der
DE 101 28 059 C1 ist bekannt eine regelbare, mit einer Riemenscheibe, einem zuschaltbaren Elektromotor und einer Rücklaufsperre versehene Kühlmittelpumpe. Auf der im Pumpengehäuse gelagerten, die Lagerstelle/n in Richtung Strömungsraum überragenden Pumpenwelle ist eine das Pumpengehäuse überragende Hülse angeordnet, wobei sich zwischen dieser Hülse und der Pumpenwelle eine Rücklaufsperre befindet. Auf dieser Hülse ist neben einem drehfest mit der Hülse verbundenem Rotor eines Elektromotors, dessen Stator im Pumpengehäuse verankert ist, drehfest, auf dem das Pumpengehäuse überragenden Bereich der Hülse, das Flügelrad der Kühlmittelpumpe angeordnet.
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Die Druckschrift
DE 103 14 526 A1 zeigt eine rein elektrisch betriebene Kühlmittelpumpe.
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Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine Wasserpumpe und ein Verfahren zur Montage einer Wasserpumpe zu verbessern.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Wasserpumpe mit den Merkmalen von Anspruch 1 und ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen von Anspruch 10. Die abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird eine Wasserpumpe für ein Kraftfahrzeug angegeben, die zumindest aufweist:
- a) ein Pumpenrad, das mittels einer Antriebswelle antreibbar ist. Das Pumpenrad ist insbesondere drehfest mit der Antriebswelle verbunden, beispielsweise mit dieser verpresst.
- b) einen mechanischen Antrieb, insbesondere einen Riemen- oder Kettentrieb, der mit der Antriebswelle drehfest verbindbar und/oder verbunden ist. Insbesondere ist bei dem mechanischen Antrieb eine Antriebsscheibe drehfest mit der Antriebswelle verbindbar. Normalerweise kann die Antriebsscheibe durch den Antriebsriemen oder die Antriebskette eines Verbrennungsmotors des Kraftfahrzeugs angetrieben werden, wenn der Verbrennungsmotor in Betrieb ist. In diesem Fall kann eine hohe Pumpleistung erreicht werden, wenn der Verbrennungsmotor mit hoher Last betrieben wird.
- c) einen elektrischen Antrieb mit einem Rotor, der mit einer konzentrisch um die Antriebswelle angeordneten Hohlwelle drehfest verbunden ist, die zur Übertragung einer Drehbewegung des Rotors in der Drehrichtung des mechanischen Antriebs, insbesondere mittels eines Freilaufs, mit der Antriebswelle drehfest verbindbar und/oder verbunden ist. Der Freilauf ist insbesondere dazu eingerichtet, eine Drehbewegung des Rotors in der Drehrichtung des mechanischen Antriebs auf die Antriebswelle zu übertragen. Der Freilauf ist gemäß einer Ausführung radial außen mit der Hohlwelle verpresst und radial innen mit der Antriebswelle verpresst, sodass die Hohlwelle insbesondere mittels des Freilaufs an der Antriebswelle gelagert ist. Der Rotor ist gemäß einer Ausführung mit der Hohlwelle verpresst. Ein Stator des elektrischen Antriebs ist gemäß einer Ausführung gehäusefest an einem Gehäuse der Wasserpumpe abgestützt. Die Hohlwelle weist gemäß einer Ausführung an ihrem Innenmantel einen Freilaufpresssitz für den Freilauf und an ihrem Außenmantel einen Rotorpresssitz für den Rotor auf, wobei eine Erstreckung des jeweiligen Presssitzes sich insbesondere durch seinen längsaxial den Positionsbereich entlang der Hohlwelle definiert. Gemäß einer Ausführung sind der Freilaufpresssitz und der Rotorpresssitz sind voneinander bzgl. einer Längsachse der Hohlwelle beabstandet und hinsichtlich einer Verformung der Hohlwelle, insbesondere hinsichtlich einer Verformung durch Presskräfte der Presssitze, entkoppelt.
- d) ein Gehäuse, an dem der mechanische Antrieb und der elektrische Antrieb gelagert sind. Das Gehäuse weist einen ersten Gehäuseteil auf, an dem der elektrische Antrieb gelagert ist, und einen zweiten Gehäuseteil auf, an dem der mechanische Antrieb gelagert ist. Das Gehäuse weist im Normalfall einen dritten Gehäuseteil auf, welcher insbesondere zusammen mit dem ersten Gehäuseteil eine Führung für das mittels der Wasserpumpe geförderte Wasser aufweist und/oder ausbildet.
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Mit der Teilung des Gehäuses in einen Gehäuseteil für den elektrischen Antrieb und einen Gehäuseteil für den mechanischen Antrieb ergeben sich deutlich größere Freiheitsgrade, den Gehäuseteil für den mechanischen Antrieb so zu gestalten, dass der Kräfteeintrag aus dem Abrollen beispielsweise des Riemens auf der Riemenscheibe ausreichend und insbesondere auch dauerfest abgestützt werden kann.
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Durch die getrennte Ausführung des ersten Gehäuseteil des zweiten Gehäuseteil kann neben einer robusteren Gestaltung des zweiten Gehäuseteil gemäß einer Ausführung auch eine Anbindung an den ersten Gehäuseteil erfolgen, die radial bezüglich einer Längsachse der Antriebswelle der Wasserpumpe in einem äußeren Bereich, zumindest nicht in einem Innenbereich erfolgt. Wenn genügend Verbindungselemente verwendet werden, treten auf diese Weise auch in einem - mit einer kleinen Wandstärke ausgebildeten - ersten Gehäuseteil keine Belastungsspitzen auf, die ein Versagen des Gehäuses nach sich ziehen.
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Der Erfindung liegt unter anderem die Erkenntnis zugrunde, das einteilige Gehäusebestandteile aufgrund von Fertigungsbeschränkungen (zumindest, wenn gewisse Ziel Kosten erreicht werden sollen) weniger flexibel ausgestattet werden können, um lokal unterschiedliche Wandstärken zu realisieren. Zudem ist es bei einem einstückigen Gehäusebestandteil (zumindest nicht zu einem für die Serienfertigung benötigten Kostenniveau) natürlich nicht möglich, unterschiedliche Materialien zu verwenden, die unterschiedliche Steifigkeit aufweisen können und darüber punktuell einen größeren Krafteintrag abstützen können.
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Die Erfindung basiert nun unter anderem auf der Idee, denjenigen Gehäusebestandteil, der die beiden Antriebe abstützt, zu trennen, um den unterschiedlichen Anforderungen an die Kraftaufnahme gewichtsoptimiert und ausfallsicher gerecht zu werden.
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Um eine größere Kraftaufnahme sicherzustellen, weist gemäß einer Ausführung der erste Gehäuseteil einen anderen Werkstoff auf als der zweite Gehäuseteil. Insbesondere weist der erste Gehäuseteil eine Aluminiumlegierung oder einen Kunststoffwerkstoff auf, und/oder der zweite Gehäuseteil weist eine Eisenlegierung, insbesondere eine Stahllegierung oder ein Gusseisen auf. Natürlich kann der zweite Gehäuseteil auch eine Aluminiumlegierung aufweisen.
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Gemäß einer Ausführung besteht der erste Gehäuseteil aus einer Aluminiumlegierung und/oder der zweite Gehäuseteil besteht aus einer Stahllegierung.
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Zusätzlich oder alternativ weist gemäß einer Ausführung der zweite Gehäuseteil eine größere durchschnittliche Wandstärke auf als der erste Gehäuseteil, wobei unter einer durchschnittlichen Wandstärke insbesondere ein Mittelwert mehrerer Wandstärken in Bereichen zu verstehen ist, die sich nicht an einem anderen Bauteil abstützen oder ein solches lagern.
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Für eine einfache Montage ist gemäß einer Ausführung der zweite Gehäuseteil und oder der erste Gehäuseteil, insbesondere jeweils, einstückig ausgebildet.
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Gemäß einer Ausführung weist der zweite Gehäuseteil eine erste Lagermantelfläche zur Aufnahme eines Lagers zum Lagern des mechanischen Antriebs auf, an welcher sich der mechanische Antrieb mittels des Lagers abstützen kann.
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Gemäß einer Ausführung weist der zweite Gehäuseteil eine zweite Lagermantelfläche zur Aufnahme einer Magnetkupplung auf. Damit kann gedanklich anders als bei bekannten elektromechanischen Wasserpumpen - ein Magnetaktor einer Magnetkupplung gehäusefest montiert werden. Dadurch sinkt die rotatorisch bewegte Masse. Zudem ist eine weitere Verfahrensquelle der Wasserpumpe - nämlich ein schleifen des Magnetreaktors am Gehäuse und die damit verbundene Wärmeentwicklung - ausgeschaltet.
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Zur zuverlässigen Verbindung des ersten Gehäuseteil und des zweiten Gehäuseteil weist gemäß einer Ausführung der zweite Gehäuseteil eine Verbindungseinrichtung zum ersten Gehäuseteil auf, und insbesondere der erste Gehäuseteil eine dazu passende Verbindungseinrichtung zum zweiten Gehäuseteil.
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Insbesondere weist die Verbindungseinrichtung mehrere Schraubenaufnahmen zum Verschrauben der beiden Gehäuseteile miteinander auf, und insbesondere der erste Gehäuseteil dazu passende Schraubenaufnahmen.
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Vorteilhafterweise werden gemäß einer Ausführung der erste Gehäuseteil der zweite Gehäuseteil an einer Mehrzahl von Schraubenaufnahmen beider Gehäuseteile, insbesondere jeweils an sechs oder acht Schraubenaufnahmen, miteinander verbunden. Gemäß einer Ausführung sind die Schaumaufnahmen dabei radial mindestens so weit von einer Mittenlängsachse der Antriebswelle entfernt wie die Magnetaktoren der Magnetkupplung. Dadurch kann der flächenbezogene Krafteintrag in den ersten Gehäuseteil aufgrund der größeren Abstände zwischen den Schaumaufnahmen reduziert werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Kraftfahrzeug bereitgestellt, aufweisend einen Hybridantrieb mit einem Verbrennungsmotor, eine elektrische Antriebsmaschine und eine Wasserpumpe gemäß einer Ausführung der Erfindung.
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Weitere Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den Figuren.
- 1 zeigt eine bekannte, gattungsgemäße Wasserpumpe in einer allgemeinen schematischen Ansicht.
- 2 zeigt eine Wasserpumpe nach einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung in einer allgemeinen schematischen Ansicht.
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In 1 ist eine bekannte elektromechanische Wasserpumpe 1* für ein nicht dargestelltes Kraftfahrzeug gezeigt. Die Wasserpumpe 1* ist dazu eingerichtet, mittels eines Pumpenrades 2 Wasser und/oder gegebenenfalls ein anderes Kühlmittel aus einem Kühlkreislauf des Kraftfahrzeugs, das in der Darstellung der 1 von rechts entlang einer Längsachse L der Wasserpumpe 1* herangeführt wird, durch eine Rotation des Pumpenrades 2 um die Längsachse L mit einem höheren Druck zu beaufschlagen, wobei das Druck beaufschlagte Wasser radial außerhalb der Wasserpumpe 2 abgeführt werden kann. Die entsprechenden Rohrleitungen (nicht dargestellt) können das Wasser durch einen Pumpengehäuseteil 103 eines Gehäuses 100 der Wasserpumpe 1* abführen.
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Um die dazu benötigte Drehbewegung des Pumpenrad 2 zu erreichen, weist die Wasserpumpe 1* eine Antriebswelle 4 auf, die mittels eines elektrischen Antriebs 6 und/oder mittels eines als Riementrieb ausgeführten mechanischen Antriebs 8 auf.
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Der mechanische Antrieb 8 weist dabei einen Riemen 10 und eine Riemenscheibe 12 auf, die mittels des Riemens 10 mit einer Drehbewegung beaufschlagt werden kann. Die Riemenscheibe 12 ist mittels eines als Wälzlager ausgebildeten Riemenantriebslagers 14 an einem Antriebsgehäuseteil 104 gelagert.
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An der Riemenscheibe 12 ist drehfest ein Magnetaktor 16 einer Magnetkupplung 18 angeordnet, die in einem strombeaufschlagten Zustand eine Magnetkupplungsscheibe 20 drehfest mit der Riemenscheibe 12 verbindet. Dann kann eine Drehbewegung der Riemenscheibe 12 auf die Antriebswelle 4 übertragen werden, den die Kupplungsscheibe 20 ist drehfest, nötigenfalls aber axial verschiebbar mit der Antriebswelle 4 verbunden.
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Der elektrische Antrieb 6 weist einen Stator 22 und einen Rotor 24 auf. Der Rotor 24 ist mit einer konzentrisch um die Antriebswelle 4 angeordneten Hohlwelle 26 mittels einer Pressverbindung drehfest verbunden. Die Pressverbindung ist an einem Rotorpresssitz 28 angeordnet, der in der Darstellung links durch einen Rotoranschlag 30 begrenzt ist.
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Zwischen der Hohlwelle 26 und der Antriebswelle 4 ist ein Freilauf 32 angeordnet, der dazu eingerichtet ist, eine Drehbewegung des Rotors 24 in der Drehrichtung des mechanischen Antriebs 8 auf die Antriebswelle 4 zu übertragen, wobei die Hohlwelle 26 an ihrem Innenmantel einen Freilaufpresssitz 34 für den Freilauf und an ihrem Außenmantel den Rotorpresssitz 28 für den Rotor 24 aufweist.
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Die Antriebswelle 4 ist des Weiteren an einem als Wälzlager ausgebildeten Gehäuselager 36 an dem Gehäuse 100 gelagert und mittels einer Fluiddichtung 38 gegen das Wasser und/oder das Kühlmittel aus dem Kühlkreislauf abgedichtet. Zudem ist die Antriebswelle 4 mittelbar über Freilauf 32 und die Hohlwelle 26 mittels eines weiteren als Wälzlager ausgebildeten Gehäuselagers 40 an dem Gehäuse 100 gelagert.
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Durch die Möglichkeit, mittels der Magnetkupplung 16 eine Drehbewegung des mechanischen Antriebs 8 und mittels des Freilaufs 32 eine Drehbewegung des elektrischen Antriebs 6 separat auf die Antriebswelle aufzubringen, kann das Wasser unabhängig vom Betriebszustand des Verbrennungsmotors, nötigenfalls aber auch mit hoher Leistung im Kühlkreislauf gefördert und/oder mit Druck beaufschlagt werden.
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Nachfolgend ist mit Bezug auf 2 eine Wasserpumpe 1 nach einer beispielhaften Ausführung der Erfindung gezeigt. Für diejenigen Komponenten der Wasserpumpe 1, die denjenigen der bekannten Wasserpumpe 1* gemäß 1 zumindest im Wesentlichen entsprechende, wurden die gleichen Bezugszeichen wie in 1 verwendet.
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In 2 ist eine Wasserpumpe 1 mit einem Gehäuse 200 gemäß einer beispielhaften Ausführung der Erfindung gezeigt. Die Wasserpumpe 1 gemäß 2 unterscheidet sich von der Wasserpumpe gemäß 1 insbesondere dadurch, dass das Gehäuse 200 anstatt eines einteilig ausgebildeten Antriebsgehäuseteil 104 einen ersten Gehäuseteil 201 zur Lagerung des elektrischen Antriebs 6 und einen damit mittels einer Verbindungseinrichtung 205 verbundenen zweiten Gehäuseteil 202 zur Lagerung des mechanischen Antriebs 8 aufweist. Darüber hinaus weist das Gehäuse 200 einen als Pumpengehäuseteil ausgebildeten dritten Gehäuseteil 203 auf, der mit dem ersten Gehäuseteil 201 fest verschraubt oder anders verbunden ist.
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Der zweite Gehäuseteil 202 weist eine deutlich größere Wandstärke X202 auf als die Wandstärke X201 des ersten Gehäuseteils 201. Damit ist natürlich nicht gemeint, dass beide Gehäuseteile 201 und 202 ausschließlich konstante Wandstärken aufweisen. Vielmehr dient die Darstellung der 2 nur als Erläuterung dafür, dass der zweite Gehäuseteil 202 robuster ausgebildet sein kann als erste Gehäuseteil 201.
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Die Verbindungseinrichtung 205 weist im Ausführungsbeispiel sechs Verschraubungen durch Schraubenausnehmungen 207 auf. Die Schraubenausnehmungen 207 sind radial außerhalb eines Mittelkreises der Erstreckung des Magnetaktors 16 angeordnet.
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Der zweite Gehäuseteil 202 weist eine erste Lagermantelfläche 209 auf, an der sich über ein Antriebslager 14 die Riemenscheibe 12 abstützt.
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Zudem weist der zweite Gehäuseteil 202 eine zweite Lagermantelfläche 211 auf, auf welcher der Magnetaktor 16 angeordnet ist.
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Der zweite Gehäuseteil 202 ist im Wesentlichen aus einer Stahllegierung ausgebildet, während der erste Gehäuseteil 201 im Wesentlichen aus einer Aluminiumlegierung ausgebildet ist.
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Mit den oben beschriebenen Merkmalen ist der zweite Gehäuseteil 202 deutlich robuster gegen den Krafteintrag aus dem Betrieb des Riemens 10 ausgebildet als der entsprechende Abschnitt des bekannten Antriebsgehäuseteils 104 nach 1. Mit der radial äußeren Anordnung der Schraubenverbindungen an den Schraubenausnehmungen 207 ist zudem sichergestellt, dass ein flächenbezogener Krafteintrag in den ersten Gehäuseteil 201 niedriger ausfällt als bei dem vergleichbaren Abschnitt des bekannten Antriebsgehäuseteils 104 nach 1.
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Bezugszeichenliste
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- 1*
- bekannte Wasserpumpe
- 2
- Pumpenrad
- 4
- Antriebswelle
- 6
- elektrischer Antrieb
- 8
- mechanischer Antrieb
- 10
- Riemen
- 12
- Riemenscheibe
- 14
- Riemenantriebslager
- 16
- Magnetaktor
- 18
- Magnetkupplung
- 20
- Magnetkupplungsscheibe
- 22
- Stator
- 24
- Rotor
- 26
- Hohlwelle
- 28
- Rotorpresssitz
- 30
- Rotoranschlag
- 32
- Freilauf
- 34
- Freilaufpresssitz
- 36
- Gehäuselager
- 38
- Fluiddichtung
- 40
- Gehäuselager
- 100
- Gehäuse
- 103
- Pumpengehäuseteil
- 104
- Antriebsgehäuseteil
- 1
- Wasserpumpe
- 200
- Gehäuse
- 201
- erster Gehäuseteil
- 202
- zweiter Gehäuseteil
- 203
- dritter Gehäuseteil
- 205
- Verbindungseinrichtung
- 207
- Schraubenausnehmung
- 209
- erste Lagermantelfläche
- 211
- zweite Lagermantelfläche
- L
- Längsachse
- X
- (insbesondere durchschnittliche) Wandstärke eines Gehäuseteils
