DE112012001194T5

DE112012001194T5 - Hybridkühlmittelpumpe

Info

Publication number: DE112012001194T5
Application number: DE112012001194T
Authority: DE
Inventors: Joshua L. Roby
Original assignee: BorgWarner Inc
Current assignee: BorgWarner Inc
Priority date: 2011-04-13
Filing date: 2012-04-10
Publication date: 2013-12-05
Also published as: WO2012142016A2; WO2013101287A3; US20140023526A1; US20140322041A1; DE112012001165T5; CN103502670A; CN107035516A; CN103502670B; WO2013089820A2; CN103459799A; US9217476B2; DE112012001212T5; CN103459873B; WO2013101287A2; WO2012142016A3; US20160131198A1; DE112012001219T5; CN103518064A; DE112012001210T5; CN103459877A

Abstract

Eine Hybridkühlmittelpumpe mit zwei Betriebsmodi, einem Elektromotorbetrieb und einem mechanischen mit Riemenscheiben angetriebenen Betrieb. Eine Reibungskupplungsanordnung ist innerhalb des Motorgehäuses positioniert und enthält eine nachlassende Feder, die einen parasitären Kupplungsenergieverbrauch minimiert.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der US-Patentanmeldung mit der laufenden Nr. 61/474,862, die mit der US-Patentanmeldung mit der laufenden Nr. 61/474,876 mit dem Titel „Pulley Assemblies For A Vehicle Accessories” (DKT 11001), US-Patentanmeldung mit der laufenden Nr. 61/474,928 mit dem Titel „Friction Clutch Assemblies” (DKT 11002), der US-Patentanmeldung mit der laufenden Nr. 61/474,907 mit dem Titel „Compression Spring Members” (DKT 11003) und der US-Patentanmeldung mit der laufenden Nr. 61/474,895 mit dem Titel „Control Systems For Friction Clutch Assemblies” (DKT 11004), die alle am 13. April 2011 eingereicht wurden, verwandt ist.
TECHNISCHES GEBIET
Es wird eine Wasserpumpe, die zwei Betriebsmodi aufweist, einen direkten mechanischen Betrieb mit Riemenscheiben und einen Elektromotorbetrieb, offenbart.
HINTERGRUND
Wasserpumpen werden in wassergekühlten Motoren verwendet, hauptsächlich zum Betrieb von Fahrzeugen wie Autos und LKWs mit Verbrennungsmotoren. Die Wasserpumpen werden in der Regel durch einen Riemen angetrieben, der an der Kurbelwelle des Motors angebracht ist, und arbeiten somit mit einem gewissen Prozentsatz der Motordrehzahl. Die Pumpen weisen ein Laufrad auf, das benutzt wird, um das Motorkühlmittel von dem Motor zum Kühlkörper hin und zurück zu zirkulieren, um das Kühlmittel innerhalb akzeptabler Temperaturgrenzen zu halten.
Heutzutage werden Anstrengungen unternommen, um den Stromverbrauch von Motorhilfsaggregaten, wie zum Beispiel Wasserpumpen, zu reduzieren, um die Kraftstoffwirtschaftlichkeit zu verbessern und Emissionen zu reduzieren. Es wäre somit bevorzugt, wenn derartige Hilfsaggregate, einschließlich Wasserpumpen, bei variablen Drehzahlen oder mit weniger Energie betrieben werden könnten, um die Motorlast zu reduzieren und damit die Kraftstoffwirtschaftlichkeit zu verbessern und unerwünschte Emissionen aus dem Motor zu reduzieren.
KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Es wird eine verbesserte Wasserpumpe offenbart. Die Wasserpumpe hat zwei Betriebsmodi, einen ersten Modus, der mechanisch durch den Motorhilfsaggregatriemen angetrieben wird, und einen zweiten Modus, der durch einen Elektromotor, zum Beispiel einen bürstenlosen Gleichstrommotor (BLDC – Brushless DC Motor), betrieben wird.
Die Komponenten für die zwei Betriebsmodi sind innerhalb eines Gehäuses enthalten, welches das Riemenscheibenelement als Teil des Gehäuses enthält. In dem Gehäuse ist eine Welle positioniert, die mit dem Laufrad der Wasserpumpe verbunden ist und durch den einen Betriebsmodus oder den anderen gesteuert wird, je nach bestimmten Faktoren.
Das Gehäuse dreht sich bei der Eingangsdrehzahl angetrieben durch den Motorhilfsaggregatriemen, der auf dem Riemenscheibenelement positioniert ist. Eine Reibungskupplung ist innerhalb des Gehäuses bereitgestellt, um selektiv die Wasserpumpe mechanisch durch das Riemenscheibenelement anzutreiben. Eine Magnetspule wird dazu verwendet, den Betrieb der Reibungskupplung zu steuern.
Die Wasserpumpe wird normal durch den Elektromotor durch den Großteil seines Betriebsbereiches angetrieben. Wenn Spitzenkühlung benötigt wird, übernimmt der mechanische Betriebsmodus die Aufgabe, und die Wasserpumpe wird direkt durch das Riemenscheibenelement angetrieben. Die Reibungskupplung enthält ein nachlassendes Federglied, welches die von der Kupplung verbrauchte elektrische Energie minimiert. Die Hybridkühlmittelpumpe hat eine variable Drehzahlregelung, die zu einer Verwendung von weniger Energie, der Verbesserung der Kraftstoffwirtschaftlichkeit und der Reduzierung von Emissionen führt.
Die Riemenscheibenanordnung besteht aus zwei Teilen, nämlich einem Riemenscheibenelement und einem Kupplungsgehäuseglied. Diese Konfiguration stellt eine Verteilung der Riemenlast zwischen separaten Lager bereit, was die überhängenden Lagerlasten minimiert.
Weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung finden sich in der folgenden Beschreibung der Erfindung bei Ansicht in Kombination mit den Zeichnungen und Ansprüchen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 veranschaulicht eine Wasserpumpe gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
2 zeigt eine Querschnittsansicht der in 1 gezeigten Wasserpumpe.
3 zeigt eine Explosionsansicht der Komponenten der Wasserpumpe wie in 1 und 2 gezeigt.
4 veranschaulicht eine Reibungskupplungsausführungsform, die gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann.
5 zeigt eine Explosionsansicht der Reibungskupplung, wie sie in 4 gezeigt ist.
6 zeigt eine Ausführungsform einer Druckfeder, die mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann.
7 zeigt eine Seitenansicht des Druckfederglieds, wie es in 6 gezeigt ist.
8 zeigt eine vergrößerte Ansicht eines Abschnitts des Druckfederglieds im nichtgedrückten Zustand.
9 zeigt eine vergrößerte Ansicht eines Abschnitts des Druckfederglieds im gedrückten Zustand.
10 zeigt eine Last-Ablenkung-Kurve einer Ausführungsform eines Druckfederglieds zur Verwendung mit der vorliegenden Erfindung.
11 veranschaulicht eine alternative Ausführungsform eines Druckfederglieds, welche mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann.
12 zeigt eine weitere alternative Ausführungsform eines Druckfederglieds, die mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann.
13 veranschaulicht schematisch die Betriebsmodi einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
14 zeigt schematisch eine weitere Ausführungsform eines Druckfedermechanismus, die mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann.
15 UND 16 veranschaulichen eine planare bzw. Seitenansicht eines der Knicktragelementglieder, die mit der in 14 gezeigten Ausführungsform verwendet wird.
17 veranschaulicht schematisch einen elektromagnetischen Kupplungsmechanismus.
18 veranschaulicht schematisch ein Magnetspulensteuersystem.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Zum Zweck der Förderung und des Verständnisses der Prinzipien der vorliegenden Erfindung wird nun Bezug auf die in den Zeichnungen veranschaulichten Ausführungsformen genommen und zu ihrer Beschreibung eine spezifische Sprache verwendet. Es versteht sich dennoch, dass damit keine Eingrenzung des Umfangs der Erfindung beabsichtigt ist. Die Erfindung enthält beliebige Alternativen und andere Modifikationen der veranschaulichten Einrichtungen und beschriebenen Verfahren und weitere Anwendungen der Prinzipien der Erfindung, die dem Durchschnittsfachmann der Technik, auf die sich die Erfindung bezieht, normal einfallen würden.
Die hier beschriebenen vorliegenden Erfindungen betreffen insbesondere verbesserte Hybridkühlmittelpumpen, mit denen das Kühlmittel in einem Motor, zum Beispiel einem Verbrennungsmotor eines Autos, zirkuliert wird. Die vorliegende Erfindung kann jedoch auch für andere Motorhilfsaggregatseinrichtungen verwendet werden. Genauer gesagt können viele hier beschriebene Komponenten, Mechanismen und Systeme, darunter unter anderem die Druckfeder, die mittels Magnetspule angesteuerte Reibungskupplung und/oder das PWM-Regelsystem, bedeutende Verwendungen bei anderen Einrichtungen und Systemen aufweisen.
Als Kühlmittelpumpe wird die Pumpe unter den meisten Bedingungen elektrisch angetrieben. Sie kann jedoch auch mechanisch betätigt werden, wenn mehr Kühlung benötigt wird. Somit wird die Wasserpumpe, wenn das Fahrzeug unter den meisten normalen Bedingungen gefahren wird, durch den Elektromotor angetrieben und betrieben.
Während der Kühlbedingungen im „schlechtesten Fall”, zum Beispiel wenn das Fahrzeug schwer beladen ist, wenn es einen Anhänger zieht, wenn es im Sommer einen Berg hinauffährt etc., ist die Wasserpumpe dazu ausgelegt, durch den Riemen direkt von dem Motor mechanisch angetrieben zu werden. Dies stellt unter solchen Bedingungen die notwendige Kühlung bereit.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung handelt es sich bei dem Elektromotor um einen bürstenlosen Gleichstrommotor (BLDC-Motor), und der Elektromotor ist innerhalb einer Riemenscheibenanordnung positioniert. Die Pumpe ist außerdem dazu ausgelegt, bei Bedarf durch den Motorriemen, zum Beispiel einem Serpentinenriemen, der an der Kurbelwelle des Motors angebracht ist, mechanisch angetrieben zu werden.
Die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wie sie hier beschrieben ist, ist insbesonders zur Verwendung bei LKWs, Pkws und Geländefahrzeuge ausgelegt. Da die bevorzugte Ausführungsform auch eine variable Drehzahlregelung der Wasserpumpe bereitstellt, verwendet sie weniger Energie vom Motor und verbessert somit Kraftstoffwirtschaftlichkeit und reduziert Emissionen.
Eine Hybridwasserpumpenausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung ist in 1 gezeigt und wird allgemein durch das Bezugszeichen 20 angegeben. Die Hybridwasserpumpe enthält eine Riemenscheibenanordnung 22 und ein Wasserpumpengehäuse 24. Die Riemenscheibenanordnung 22 weist ein Kupplungsgehäuseglied 26 und ein Riemenscheibenelement 28 auf. Das Riemenscheibenelement 28 weist Umfangsrillen 30 zum Antrieb durch einen Riemen (nicht gezeigt) auf.
2 zeigt eine Querschnittsansicht der Wasserpumpe 20, und 3 zeigt eine Explosionsansicht der Komponenten der Wasserpumpe 20.
Die Wasserpumpe weist eine Laufradwelle 40 auf, die innerhalb der Riemenscheibenanordnung 22 positioniert ist und auch an einem Wasserpumpenlaufrad 42 angebracht ist. Die Laufradwelle 40 wird in dem Pumpengehäuse 24 durch ein Nadellager 44 und Mittenlager 84 festgehalten. Eine Kühlmitteldichtung 46 wird dazu verwendet, ein Auslaufen von in der Pumpe befindlichem Kühlmittel in die Riemenscheibenanordnung zu vermeiden.
Ein Stator 50 des Elektromotors ist innerhalb eines Statorgehäuses 52 in der Riemenscheibenanordnung 22 positioniert. Eine Mutter, wie zum Beispiel eine Spannschlossmutter 54, wird dazu verwendet, das Statorgehäuse 52 an dem Pumpengehäuse 24 zu halten.
Ein zweites Nadellager 60 ist zwischen dem Riemenscheibenelement 28 und dem Pumpengehäuse 24 positioniert, damit die Riemenscheibenanordnung 22 relativ zum Pumpengehäuse frei rotieren kann.
Ein Rotor 70 des Elektromotors ist innerhalb eines Vorderlagerträgers 72 positioniert, der vorzugsweise aus einem Aluminiummaterial hergestellt ist. Der Elektromotor ist bevorzugt ein bürstenloser Gleichstrommotor(BLDC)-Elektromotor. Ein Magnetspulenglied 80 ist direkt neben dem Vorderlagerträger 72 positioniert. Neben der Vorderabdeckung des Elektromotorgehäuses 22 ist eine Reibungskupplungsanordnung 90 positioniert, die durch das Magnetspulenglied 80 betrieben wird. Das Lagerglied 84 ist zwischen dem Lagerträger 72 und der Laufradwelle 40 positioniert.
Ein Befestigungsglied wie zum Beispiel eine Sechskantmutter 92 befestigt die Riemenscheibenanordnung 22 an der Laufradwelle 40 über das Vorderlager 82. Wie insbesonders in 2 und 3 angegeben ist, besteht die Riemenscheibenanordnung 22 aus zwei Stücken, nämlich einem Riemenscheibenelement 28 und einem Kupplungsgehäuse 26. Diese Konfiguration stellt eine Verteilung der Riemenbelastung zwischen dem hinteren Nadellager 60 und dem vorderen Kugellager 82 bereit, womit überhängende Lagerbelastungen eliminiert werden. Somit sind die Lagerbelastungen minimiert, was zu einem robusteren und langlebigeren Produkt führt.
Wie angegeben ist, wird die Wasserpumpe normal durch den Elektromotor angetrieben. Der Elektromotor wird durch eine Platine (nicht gezeigt), die mit Stiftkontaktgliedern 86 verbunden ist, elektrisch versorgt. Elektrische Leitungen und Drähte können im Gehäuse 25 und Leadframe 29 umspritzt sein, um die elektrischen Signale zu dem Stator 50 des Elektromotors und der Magnetspule 80 zu tragen. Die Platine ist weiterhin mit der elektronischen Steuereinheit (ECU – Electronic Control Unit) des Fahrzeugs durch das Fahrzeugkommunikationsnetzwerk wie ein CAN-Netzwerk verbunden. Die Pumpensteuerungsplatine könnte auch innerhalb der Riemenscheibenanordnung 22 hinter dem Statorgehäuse 52 positioniert sein und donutförmig sein.
Die Drehzahl des Motors und somit der Wasserpumpe wird je nach der für den Motor benötigten Kühlung ausgewählt. Sensoren leiten relevante Daten an die ECU, die daraufhin ein Signal an die Pumpensteuerung schickt und die erwünschte Drehzahl anfordert. Die Pumpensteuerung bestimmt dann, ob die gewünschte Drehzahl am besten mittels des Elektromotors oder durch Betätigung der Reibungskupplung und Antreiben des Laufrads direkt von der Riemenscheibe erreicht wird.
13 zeigt einen Graph 200, der die Funktionsmodi der Hybridpumpe schematisch veranschaulicht. In 13 ist die Drehzahl des Motors auf der X-Achse gezeigt und die Drehzahl des Laufrads ist auf der Y-Achse gezeigt. Beide Drehzahlen sind in Umdrehungen pro Minute (UPM) angegeben.
Bei 206 ist der hauptsächliche Elektroantriebsmodus des Hybridpumpenantriebs gezeigt. Das Peak-Drehmoment wird durch den Elektromotor erreicht 208. Der vollständige Riemenscheibenantrieb (auch „Riemenantrieb”) ist mit der Linie 210 gezeigt. Hier wird die Pumpe mechanisch mittels des Motors durch den Hilfsaggregatriemen angetrieben. Die Steigung der Linie 210 kann durch Modifizieren des Riemenscheibenverhältnisses zwischen der Motorkurbelwellenriemenscheibe und dem PumpenRiemenscheibenelement 28 geändert werden.
Bei 212 ist ein optionaler Elektroantriebsbereich gezeigt. Dieser Bereich stellt das Gebiet dar, in dem der Elektromotor ein „Overdrive”-Merkmal bereitstellen kann, bei dem die Pumpe bei größeren Drehzahlen als der mechanischen Eingangsdrehzahl gedreht werden kann. Die Gebiete 214 und 216 basieren auf dem Effizienzverlust im Elektroantriebsmodus beim Umwandeln von mechanischer Energie in elektrische Energie in der Lichtmaschine und dann zurück in mechanische Energie in dem Elektromotor. Obwohl die Pumpe in Gebieten 214 und 216 elektrisch betrieben werden könnte, ist es energieeffizienter, wenn die Pumpe in den mechanischen Antriebsmodus springt 210. Bei 202 ist die Pumpe AUS, und des Laufrad dreht sich nicht. In dieser Ausführungsform ist die Pumpe unabhängig von der Drehzahl des Motors AUS. Es ist ebenso möglich, die Pumpe elektrisch anzutreiben, wenn der Motor aus ist. Dies ist bei 220 gezeigt.
4 zeigt eine vergrößerte Ansicht der Reibungskupplung 90, während 5 eine Explosionsansicht der Komponenten der Reibungskupplung 90 zeigt. Die Reibungskupplung 90 enthält ein Kupplungsträgerglied 100, ein Fluxblechglied 102, ein Druckfederglied 104 und ein Reibbelagsträgerglied 106. Stücke des Reibbelagsmaterials 108 sind an ihrem äußeren Umfang an dem Träger 106 angebracht, wie in 4 gezeigt ist. Die Reibbelagsglieder 108 können aus einem herkömmlichen Reibmaterial bestehen und beliebige Größe und Form aufweisen. Obwohl das Reibbelagsmaterial mit mehreren separaten Gliedern gezeigt ist, wie in 4 und 5 gezeigt, kann der Reibbelag ein einziges Stück oder eine Reihe von separaten Gliedern sein, die um den Umfang des Reibbelagsträgerglieds 106 herum positioniert sind.
Das Reibbelagsmaterial wird mit der Verwendung der Hybridpumpe verschleißen. Während dieses Verschleißes wird sich die Leistungsfähigkeit der Reibungskupplung 90 aufgrund der Ausführung des Druckfederglieds 104, welches während des Verschleißes des Belagsmaterials mehr Kraft entwickelt, erhöhen.
6 zeigt eine vergrößerte Ansicht einer Ausführungsform eines Druckfederglieds 104. Das Federglied 104 ist ein „nachlassendes” Federglied, da sich die Kraft, die erforderlich ist, um es zusammenzudrücken, nach Erreichen eines bestimmten Spitzenpunkts mit der Zeit verringert.
Das Federglied 104 weist mehrere Löcher oder Öffnungen auf, damit es an das Reibbelagsträgerglied und das Kupplungsträgerglied angebracht werden kann. In dieser Hinsicht sind auf dem Druckfederglied 104 eine Reihe von vier Löchern 110 bereitgestellt, um mit den Öffnungen 112 in dem Reibbelagsträgerglied 106 übereinzustimmen. Mehrere Nieten 114 oder dergleichen werden dazu verwendet, das Druckfederglied 104 an dem Reibbelagsträgerglied 106 zu befestigen. Das Druckfederglied kann mit dem Reibbelagsträgerglied durch beliebige herkömmliche Verfahren, wie zum Beispiel durch Schweißen, Hartlöten, Gewindeverbindungen etc. verbunden werden.
Die zweite Reihe von Öffnungen in dem Druckfederglied enthalten vier Öffnungen 120. Dieser Öffnungen passen zu entsprechenden Vorsprungsgliedern 122 auf dem Kupplungsträgerglied 100. Die Vorsprungsglieder 122 werden deformiert oder gestaucht, wenn die Reibungskupplungsanordnung 90 zusammengebaut wird, um die Komponenten der Reibungskupplungsanordnung sicher zusammen zu halten.
Wenn sich die Reibungskupplungsanordnung 90 in der eingerückten Position befindet, wird Drehmoment durch die Reibbelagsglieder 108 von der Riemenscheibenanordnung 22 auf den Reibbelagsträger 106 übertragen. Der Reibbelagsträger überträgt das Drehmoment dann durch das Druckfederglied 104 auf das Kupplungsträgerglied 100, das die Laufradwelle dreht.
Die Druckfedergliedausführungsform 104 weist ein Außenringglied 130 und ein Innenringglied 132 auf. Die zwei Ringglieder 130 und 132 sind mittels mehrerer Verbindungsglieder 134, 135, 136 und 137 miteinander verbunden. Vergrößerte Abschnitte des Druckfederglieds 90 sind in 8 und 9 gezeigt. Wenn das Federglied 104 in der Reibungskupplungsanordnung 90 eingebaut ist, werden das Außen- und Innenringglied 130 bzw. 132 festgehalten und fixiert, so dass sie sich während des Betriebs der Reibungskupplungsanordnung nicht radial zueinander oder voneinander weg bewegen können.
8 zeigt das Druckfederglied in der nichtgedrückten Position. Diese ist auch in 6 und 7 gezeigt.
Wenn das Federglied 90 in die in 10 gezeigte Position 142 gedrückt wird, drückt das Federglied das Reibbelagsträgerglied 106 und die Reibbelagsglieder 108 gegen die konische Reibfläche 109 (2) innerhalb des Kupplungsgehäuseglieds 26, was den mechanischen Betrieb der Wasserpumpe verursacht. Das Kupplungsgehäuseglied 26 kann aus Aluminium bestehen, und die konische Reibfläche kann mit verschiedensten Materialien wie zum Beispiel niedriggekohltem Stahl thermisch spritzbeschichtet sein.
Wenn die Reibungskupplungsanordnung 90 durch die Magnetspule 80 bestromt wird, wird das Fluxblech 102 von der Magnetspulenanordnung aufgrund der in dem Luftspalt zwischen dem Magnetspulenkern 81 und dem Fluxblech entstandenen Kraft angezogen. Während der Bewegung des Fluxblechs 102 in Richtung der Magnetspule, wird das Druckfederglied 104 zusammengedrückt, wodurch das Reibbelagsträgerglied 106 und die Reibglieder von ihren eingerückten Positionen gegen die Innenfläche des Kupplungsgehäuseglieds 26 getrennt werden. In dem gedrückten Zustand sind die Verbindungsglieder 134, 135, 136 und 137 geknickt und verzerrt, wie in 9 schematisch gezeigt ist. In dieser Position wird die Wasserpumpe nur durch den Elektromotor betrieben.
Das Fluxblech 102 ist mittels Laschen 107 fest an dem Reibbelagsträger 106 angebracht. (4). Das Fluxblech und der Reibbelagsträger können durch eine beliebige herkömmliche Verbindungstechnik wie zum Beispiel Schweißen, Schrauben, Nieten oder dergleichen verbunden werden.
Der axiale Verstellweg der Kupplungsanordnung ist durch die Einrückung von Laschen 103 an dem Fluxblech 102 innerhalb von Ausnehmungen 101 an dem Kupplungsträgerglied 100 (5) begrenzt. Diese Grenze des axialen Verstellwegs verhindert, dass die Polplatte mit dem Magnetspulenkernglied 81 in Kontakt kommt, während sich die Poleplatte mit Laufraddrehzahl dreht und der Magnetspulenkern stationär ist.
Die Last/Ablenkung-Kurve des Druckfederglieds 104 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist in 10 gezeigt. Wie in 10 gezeigt ist, erreicht die Last/Ablenkung-Kurve 140 schnell eine maximale Menge an Kraft 140A und benötigt daraufhin weniger Kraft, um das Federglied weiterhin abzulenken, nachdem es anfängt, sich zu knicken und zu deformieren. Dies wird durch den zweiten Teil der Kurve 140B gezeigt. Dies bedeutet, dass wenn die Druckfeder den Punkt 140A erreicht hat, weniger Kraft dazu benötigt wird, die Feder weiterhin abzulenken und somit zu verhindern, dass die Reibungskupplungsanordnung das Innere des Gehäuses kontaktiert. In dieser Hinsicht ist die Kupplungseinrückposition an Punkt 142 gezeigt, die Arbeitslast der Feder wird durch die Linie 144 angegeben, die Arbeitslänge der Feder ist durch die Linie 146 gezeigt, und die Kupplungsausrückposition ist bei Punkt 148 gezeigt. Wenn die maximale Menge an Kraft, die zum Knicken oder Deformieren der Feder benötigt wird, erreicht ist, ist somit immer weniger Kraft nötig, um die Feder weiter abzulenken und somit den vollständigen Betrieb der Wasserpumpe durch den Elektromotor zu gestatten. Das nachlassende Federglied ermöglicht somit, dass der parasitäre Stromverbrauch der Kupplungsausrückmagnetspule 80 minimiert werden kann. Dies wird erreicht durch Pulsbreitenmodulation (PWM – Pulse Width Modulation) des der Magnetspule zugeführten Stroms. Um die Magnetspule zu deaktivieren, betreibt die Magnetspulenantriebsteuerung den Magnetantriebsfeldeffekttransistor (Magnetantriebs-FET) bei 100% PWM, so dass der Magnetspule der volle Strom zugeführt wird. Die Steuerung weist eine Stromerfassungstechnologie auf, so dass sie, wenn die Kupplung in ihrer völlig ausgerückten Position ist, die Stromänderung, die angibt, dass die Kupplung ausgerückt ist, erfassen kann. Zu dieser Zeit lässt die Steuerung die PWM auf ein kleineres Niveau, wie zum Beispiel 10%, fallen, so dass von der Magnetspule weniger Strom verbraucht wird. Da die Druckfeder 104 in dieser Position 148, wie in 10 gezeigt ist, viel weniger Kraft entwickelt und die Magnetschaltung viel effizienter ist, wenn der Luftspalt kleiner ist, ist das geringere Stromniveau dennoch ausreichend, um die Kupplung in der ausgerückten Position zu halten.
Es ist recht gewöhnlich bei Automobilhilfsaggregaten, wie zum Beispiel Kompressoren für Klimaanlagen, Pumpen etc., Kupplungen zu verwenden, die mittels Feder eingerückt und elektromagnetisch ausgerückt werden, um den Antrieb zu den Hilfsaggregatkomponenten selektiv an- und auszuschalten. Dies geschieht in der Regel, um Energie einzusparen, wenn die Einrichtung nicht benötigt wird. Diese Einrichtungen sind in der Regel dazu ausgelegt, durch Feder eingerückt zu werden, so dass die Hilfsaggregateinrichtung im Fall eines Steuerungsausfalls, wie zum Beispiel bei einem Verlust von elektrischer Energie, angetrieben werden. Dies geschieht durch eine „Ausfallsicherheits”-Funktion, was bedeutet, dass die Einrichtung in ihren „an”-Zustand zurückfällt, wenn sie unbestromt ist.
Der Hauptnachteil dieser „Ausfallsicherheits”-Kupplungsausführungen ist, dass sie kontinuierliche elektrische Energie benötigen, um die Einrichtung ausgerückt zu halten, wenn dies nicht benötigt ist. Für viele Hilfsaggregateinrichtungen kann dieser Zustand einen großen Prozentsatz ihres Betriebslebens darstellen. Ferner benötigen diese Einrichtungen oft 20+ Watt elektrischer Energie, was einen erheblichen Anteil der Lichtmaschinenleistung darstellen kann. Bei modernen Fahrzeugen, die eine große Zahl elektrischer Komponenten benutzen (Sitzheizung, Fensterentfroster, elektrische Sitze und viele andere Einrichtungen), ist es nicht ungewöhnlich, die maximale Energiekapazität der Lichtmaschine zu übersteigen.
Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung stellt ein Mittel zum Mäßigen dieses Problems bereit, indem die parasitäre Energie, die durch elektromagnetisch ausgerückte Kupplungen verbraucht wird, minimiert wird. Im Prinzip nutzt diese Anordnung die physikalische Beziehung zwischen der in dem Luftspalt eines Magnetkreises entwickelten Kraft und der Länge des Luftspalts aus. Diese Beziehung wird durch die folgende Gleichung beschrieben, wobei m₁ und m₂ jeweils die Feldstärken der zwei Pole des Magnetkreises sind, μ die magnetische Feldkonstante ist und r die Distanz zwischen den Polen ist. F = μ₀m₁m₂ / 4π²
Aus der Gleichung ist es ersichtlich, dass die Feldstärke mit dem Quadrat der Distanz zwischen den Magnetpolen abfällt. Ferner ist aus 17 ersichtlich, dass die zum Einrücken der Kupplung verwendete Federkraft sich linear vergrößern wird, wenn die Magnetspule bestromt ist und sich der Luftspalt schließt. Dies bedeutet, dass die Magnetspule in ihrer geschlossenen Position eine übermäßige Kapazität aufweisen wird, da sich die magnetische Feldstärke mit dem Quadrat der Distanz erhöht und sich die entgegengestellte Federkraft nur linear mit der Distanz erhöht. Da die Feldstärke der magnetischen Pole mit dem durch die Spule fließenden Strom und der Anzahl von Spulenwindungen korreliert ist, ist es ersichtlich, dass weniger Strom benötigt wird, um die Kupplung in der ausgerückten Position zu halten, als benötigt wird, um die Kupplung auszurücken. Falls die Kupplungseinrückungsfeder derart ausgelegt ist, dass die Feder nachlässt, während sie wie hier beschrieben zusammengedrückt wird, wird dieser Effekt weiterhin noch weiter ausgeprägt sein.
Um aus dieser Bedingung Kapital zu schlagen, verwendet die vorliegende Erfindung ein PWM(Pulse Width Modulation)-Steuersystem für die Magnetspule, wie in 18 gezeigt ist. Das PWM-Steuersystem verwendet einen PWM-Antrieb (in der Regel einen Feldeffekttransistor und unterstützenden Schaltkreis), um die Magnetspulenenergie mit sehr schneller Geschwindigkeit an- und auszupulsen, in der Regel in der Größe von ein paar hundert Hz. Da die Magnetspule eine relativ große Induktivität bereitstellt, welche den Strom daran hindert, sich momentan zu ändern, hat dies den Effekt, dass sich der durchschnittliche Strom, der der Magnetspule zugeführt wird, reduziert. Das durchschnittliche Stromniveau kann dann durch Variieren des Tastverhältnis des PWM-Antriebs gesteuert werden.
Mit dieser Methode wird der PWM-Antrieb dazu verwendet, 100% Tastverhältnis oder den vollen Strom an die Magnetspule zu liefern, um die maximale Kraft in dem Luftspalt zu erzeugen, um die Kupplung auszurücken. Wenn sich die Kupplung in der ausgerückten Position befindet, kann der Tastverhältnis auf ein viel niedrigeres Niveau reduziert werden, was im Effekt den durchschnittlichen Strom, der der Magnetspule zugeführt wird, reduziert und daraufhin den Energieverbrauch reduziert.
Der PWM-Antrieb kann ferner Stromerfassungstechnologie auf eine solche Art einbeziehen, dass ein Mikrocontroller dazu in der Lage ist, den der Magnetspule zugeführten Strom zu überwachen. Dies ist von Vorteil, da eine Stromspitze auf der Magnetspulenzuführleitung offensichtlich sein wird, wenn der bewegende Pol der Magnetspule die Verstellweggrenze erreicht. Diese Stromspitze kann als Signal für den Mikroprozessor verwendet werden, dass sich die Kupplung in ihrer eingezogenen Position befindet und der Tastverhältnis reduziert werden kann.
Eine alternative Form einer Druckfeder 160 ist in 11 gezeigt. In dieser Ausführungsform sind eine Reihe von Verbindungsgliedern 162 zwischen einem Außenring 164 und einem Innenring 166 positioniert. Wenn das Druckfederglied 160 in einer Reibungskupplungsanordnung verwendet wird, ist das Außen- bzw. Innenringglied 164 und 166 eingezwängt und fixiert. Die Innenverbindungsglieder 162 bestehen aus radialen Drucktragelementen 163 und tangentialen Flexarmen 165. Wenn die Feder zusammengedrückt wird, deformieren sich die tangentialen Flexarme, wodurch sich die radialen Spalte 167 schließen können, während die Feder flach wird.
Eine weitere alternative Ausführungsform eines Druckfederglieds, die mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann, ist in 12 gezeigt. Das Federglied 104' ähnelt dem oben beschriebenen Federglied 104, hat aber kein Außen- oder Innenringglied. Stattdessen weist das Federglied 104' mehrere Verbindungsglieder 134', 135', 136' und 137' auf, die sich zwischen den Bereichen 105 der Öffnungen 110' und 120' erstrecken. Die letzteren Öffnungen 110' und 120' sind gleich den Öffnungen 110 und 120 in 4–6, befinden sich an der gleichen Stelle und haben die gleichen Funktionen und Zwecke.
Wenn das Druckfederglied 104' in einer Reibungskupplungsanordnung verwendet wird, deformieren und knicken sich die Verbindungsglieder 134', 135', 136' und 137' ähnlich wie die oben beschriebenen Verbindungsglieder 134–137, wodurch ein ähnliches „nachlassendes” Federglied bereitgestellt wird.
Ein weiteres Druckfederglied (nicht gezeigt) kann dem Federglied 104 in 6 ähneln, aber nur ein Innenringglied oder ein Außenfederglied (d. h. nicht beide) umfassen, zusammen mit mehreren Verbindungsgliedern.
In 14 ist ein weiterer „nachlassender” Druckfedermechanismus gezeigt, wobei eine seiner Komponenten in 15 und 16 gezeigt ist. Dieser Mechanismus 250 hat eine Reihe von drei „Knicktragelement”-Federgliedern 252, 253, 254. Die drei Tragelementfederglieder werden auch kollektiv mit der Bezugszahl 258 bezeichnet. Wie in 14 gezeigt ist, sind die Tragelementglieder 252–254 dazu ausgelegt, an einem Innenringglied 260 und einem Außenringglied 262 angebracht zu werden. Wenn die Tragelementglieder in einem Reibungskupplungsmechanismus, wie zum Beispiel dem oben beschriebenen Reibungskupplungsglied 90, verwendet werden, werden die Ringglieder durch ein Kupplungsträgerglied und einen Reibbelagsträger ersetzt.
Wenn die Tragelementfederglieder 258 an Außenringgliedern oder Trägergliedern angebracht sind, werden Befestigungsglieder (nicht gezeigt) in den ausgerichteten Öffnungen 270 und 280 positioniert und befestigt. Bei den Befestigungsgliedern kann es sich um beliebige einer herkömmlichen Art handeln, doch bevorzugt um Nieten. Die Öffnungen können auch über stauchbare Vorsprungsglieder in einer oben diskutierten Art positioniert sein.
Wie in 15 und 16 gezeigt ist, ist jedes der Tragelementfederglieder 252–254 bevorzugt ein dünnes Stück aus Federstahlmaterial mit der gezeigten Form und Struktur. Die Tragelementfederglieder haben aus einer Seitenansicht, wie in 16 gezeigt, eine gekrümmte Form mit flachen Bereichen 272, 274, 276, wo sich die Befestigungslöcher 273, 275, 277 befinden.
Der Druckfedermechanismus 250 oder zumindest die Gruppe 258 der Knicktragelementfederglieder kann auf die gleiche Art und für die gleichen Zwecke wie die oben beschriebenen Druckfederglieder 104, 104' und 164 verwendet werden. Die Tragelementfederglieder 258 können unter Lasten knicken und sich deformieren, wenn bei Betrieb der Wasserpumpe das Außen- und Innenringglied (oder das Kupplungsträgerglied und Reibbelagsträgerglied) zueinander hin gedrückt werden.
Wie oben angegeben, stellt die vorliegende Erfindung eine „Ausfallsicherheit”-Reibungskupplungsausführung bereit. Würde das elektrische System des Fahrzeugs ausfallen, würde die Magnetspule nicht mehr bestromt sein, wodurch die Feder 104 die Reibungskupplungsanordnung in das Kupplungsgehäuse einrücken kann. Daher würde die Pumpe in einem mechanischen Modus betrieben werden, wobei das Laufrad von der Riemenscheibe durch die Kupplungsanordnung angetrieben wird. Die Kupplung ist somit eingerückt, wann immer Zirkulation des Kühlmittels benötigt wird.
Ein weiteres Ausführungsmerkmal der vorliegenden Erfindung ist ihre modulare Anordnungskonfiguration. Es ist gängig, dass sich Kühlmittelpumpengehäuse in Form und Konfiguration weit von Anwendung zu Anwendung unterscheiden. Um dieser breiten Variation von Gehäusekonfigurationen mit minimalen Ausführungsänderungen entgegenzukommen, wurde die Hybridpumpe entworfen, so dass das Wasserpumpengehäuse 24 leicht gewechselt werden kann, während die Riemenscheibenanordnung 22 und die darin enthaltenen Komponenten zum Großteil unverändert bleiben können.
Obwohl die Erfindung mit Bezug auf bevorzugte Ausführungsformen beschrieben wurde, versteht es sich, dass sie nicht derart begrenzt sein soll, da Änderungen und Modifikationen daran ausgeführt werden können, die innerhalb des vollen Umfangs dieser Erfindung, wie sie durch die folgenden Ansprüche beschrieben ist, liegen.

Claims

Hybridkühlpumpeneinrichtung, die Folgendes umfasst: ein Pumpengehäuseglied; eine an dem Pumpengehäuseglied angebrachte Riemenscheibenanordnung; ein in dem Pumpengehäuse positioniertes Laufradglied zum Pumpen von Kühlmittel; eine mit dem Laufradglied verbundene Laufradwelle; einen innerhalb der Riemenscheibenanordnung positionierten Elektromotor, der dazu ausgelegt ist, das Laufradglied selektiv zu rotieren; eine innerhalb des Pumpengehäuseglieds positionierte Reibungskupplungsanordnung, die dazu ausgelegt ist, das Laufradwellenglied selektiv zu rotieren; wobei die Riemenscheibenanordnung und der Elektromotor separat laufen, um das Laufradglied zu rotieren.
Hybridkühlpumpe nach Anspruch 1, wobei die Reibungskupplungsanordnung Folgendes umfasst: ein Reibbelagsträgerglied; mindestens ein an dem Reibbelagsträgerglied positioniertes Reibbelagsglied; ein an dem Reibbelagsträgerglied fest angebrachtes Druckfederglied; ein an dem Druckfederglied fest angebrachtes Kupplungsträgerglied; und ein zwischen dem Kupplungsträgerglied und dem Druckfederglied positioniertes und an dem Reibbelagsträgerglied angebrachtes Fluxblech.
Hybridkühlpumpe nach Anspruch 2, wobei das Druckfederglied ein Außenringglied, ein Innenringglied und mehrere deformierbare Verbindungsglieder, die das Innen- und Außenringglied miteinander verbinden, umfasst und wobei, wenn das Außen- und Innenringglied fest positioniert sind, die Verbindungsglieder deformieren und eine Federkraft bereitstellen können.
Hybridkühlpumpe nach Anspruch 3, wobei die Menge an Kraft, die zum Zusammendrücken des Federglieds nötig ist, mit der Verlagerungsentfernung nachlässt, nachdem eine Spitzenmenge an Kraft erreicht wurde.
Hybridkühlpumpe nach Anspruch 2, wobei das Druckfederglied mehrere Bereichsglieder mit Öffnungen und mehrere deformierbare Verbindungsglieder, die sich zwischen mindestens zwei der Bereichsglieder erstrecken und diese miteinander verbinden, umfasst.
Hybridkühlpumpe nach Anspruch 5, die ferner mindestens ein Ringglied umfasst, das auch mit mehreren der Bereichsglieder verbunden ist.
Hybridkühlpumpe nach Anspruch 5, wobei ein Außenringglied und ein Innenringglied bereitgestellt sind, wobei das Außen- und Innenringglied jeweils mit separaten Mehrheiten von Bereichsgliedern verbunden ist.
Hybridkühlpumpe nach Anspruch 2, ferner umfassend einen Magnetspulenmechanismus und, wobei das Fluxblech, wenn es durch den Magnetspulenmechanismus angetrieben wird, verursachen kann, dass sich das Druckfederglied zusammendrückt.
Hybridkühlpumpe nach Anspruch 3, wobei das Reibbelagsträgerglied an dem Außenringglied angebracht ist, und wobei das Kupplungsträgerglied an dem Innenringglied angebracht ist.
Hybridkühlpumpe nach Anspruch 9, wobei sich die mehreren Verbindungsglieder deformieren, wenn das Reibbelagsträgerglied und das Kupplungsträgerglied axial zueinander hin bewegt werden.
Hybridkühlpumpe nach Anspruch 1, wobei es sich bei dem elektrischen Glied um einen bürstenlosen Elektromotor handelt.
Hybridkühlpumpe nach Anspruch 1, die ferner ein Steuerungssystem umfasst, wobei das Steuerungssystem Folgendes umfasst: eine Magnetspule zum Aktivieren der Reibungskupplungsanordnung und eine Antriebssteuerung für die Magnetspule, wobei die Steuerung die Magnetspule durch Betrieb bei 100% Pulsbreitenmodulation deaktiviert, um der Magnetspule den vollständigen Strom zuzuführen, und die Steuerung die Pulsbreitenmodulation erheblich reduziert, wenn die Magnetspule deaktiviert ist, um weniger Strom zu verbrauchen.
Steuerungssystem nach Anspruch 12, wobei die Reibungskupplungsanordnung ein Druckfederglied umfasst.
Steuerungssystem nach Anspruch 13, wobei die Menge an Kraft, die zum Zusammendrücken des Federglieds nötig ist, mit der Verlagerungsentfernung nachlässt, nachdem eine Spitzenmenge an Kraft erreicht wurde.
Steuerungssystem nach Anspruch 14, wobei das Druckfederglied mehrere Bereichsglieder mit Öffnungen und mehrere deformierbare Verbindungsglieder, die sich zwischen mindestens zwei der Bereichsglieder erstrecken und diese miteinander verbinden, umfasst.
Steuerungssystem nach Anspruch 15, das ferner mindestens ein Ringglied umfasst, das auch mit mehreren der Bereichsglieder verbunden ist.
Steuerungssystem nach Anspruch 15, wobei ein Außenringglied und ein Innenringglied bereitgestellt sind, wobei das Außen- und Innenringglied jeweils mit separaten Mehrheiten von Bereichsgliedern verbunden ist.
Steuerungssystem nach Anspruch 13, wobei das Druckfederglied mehrere Knicktragelementfederglieder umfasst.
Hybridkühlpumpe nach Anspruch 1, wobei die Riemenscheibenanordnung Folgendes umfasst: ein Riemenscheibenelement; ein Kupplungsgehäuseglied; ein in der Riemenscheibenanordnung positioniertes Laufradwellenglied; und ein Paar Lagerglieder, die das Riemenscheibenelement mit dem Laufradwellenglied rotierend verbinden.
Hybridkühlpumpe nach Anspruch 2, wobei das Druckfederglied mehrere Knicktragelementfederglieder umfasst.