EP0240777A2 - Kühlmittelpumpe für eine Fahrzeug-Brennkraftmaschine - Google Patents

Kühlmittelpumpe für eine Fahrzeug-Brennkraftmaschine Download PDF

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EP0240777A2
EP0240777A2 EP87103793A EP87103793A EP0240777A2 EP 0240777 A2 EP0240777 A2 EP 0240777A2 EP 87103793 A EP87103793 A EP 87103793A EP 87103793 A EP87103793 A EP 87103793A EP 0240777 A2 EP0240777 A2 EP 0240777A2
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EP
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impeller
drive shaft
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combustion engine
pump
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Audi AG
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01P—COOLING OF MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; COOLING OF INTERNAL-COMBUSTION ENGINES
    • F01P5/00—Pumping cooling-air or liquid coolants
    • F01P5/10—Pumping liquid coolant; Arrangements of coolant pumps
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D15/00—Control, e.g. regulation, of pumps, pumping installations or systems
    • F04D15/0027—Varying behaviour or the very pump
    • F04D15/0033—By-passing by increasing clearance between impeller and its casing
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/04—Shafts or bearings, or assemblies thereof
    • F04D29/042—Axially shiftable rotors
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/18—Rotors
    • F04D29/20—Mounting rotors on shafts

Definitions

  • the invention relates to a coolant pump for a vehicle internal combustion engine according to the preamble of claim 1.
  • the impeller In a known coolant pump of this type (DE-PS 33 29 002), the impeller is displaced as a function of the coolant temperature by means of a bimetal or expansion element acted upon by the coolant. When the coolant temperature is low, the impeller is in an end position in which the width of the gap between the radial blades and the pump housing has its greatest width and the coolant delivery is interrupted. This shortens the warm-up phase of the internal combustion engine. With increasing coolant temperature, the impeller is increasingly displaced, so that the gap width is reduced and an increasing quantity of coolant is conveyed in accordance with the increased cooling requirement of the internal combustion engine.
  • Coolant pumps are also known, the delivery of which can be changed as a function of the speed of the drive shaft, which is generally driven by the internal combustion engine. This ensures that on the one hand at low speeds down to idling the internal combustion engine a sufficient flow rate for heating the vehicle interior is provided and on the other hand at high speeds the flow rate is limited to a value that ensures sufficient cooling of the engine, but at large flow rates existing cavitation risk is eliminated.
  • the speed-dependent regulation of the delivery rate takes place for example there through that the pump drive shaft is driven by the internal combustion engine via a V-belt transmission, the adjustment mechanism of which consists of centrifugal weights, by means of which a translation is carried out quickly at low crankshaft speed and, depending on centrifugal force, a translation is carried out slowly as the crankshaft speed increases (DE-OS 20 27 654, DE- OS 15 76 358).
  • This type of flow control is structurally complex and requires a lot of space, which is usually not available in the confined space in the engine compartment of a motor vehicle.
  • the invention has for its object to provide a coolant pump according to the preamble of claim 1, the flow rate adapts to the different requirements with different numbers of wires with simple means, which thus covers the requirements of the heater when idling, but cuts the delivery rate at high speeds, to avoid cavitation damage.
  • the stated object is achieved in that a device for displacing the impeller as a function of the speed of the drive shaft is provided, in such a way that with increasing rotation number increases the size of the gap between the radial blades and the pump housing.
  • the pump according to the invention is designed such that in the position of the impeller, in which the gap between the radial blades and the pump housing has its smallest width, it promotes an amount of liquid sufficient to heat the vehicle interior at idle speed.
  • the delivery rate increases, but due to the shifting of the impeller now occurring and the associated increase in the width of the gap mentioned, not to the extent that would be the case without impeller shifting, at maximum speed Impeller position is reached, in which just the amount of coolant required for sufficient cooling of the internal combustion engine is promoted.
  • the speed-dependent axial displacement of the impeller could be caused by a centrifugal device.
  • a structurally simpler solution is, however, that the impeller is relatively rotatably and thus relatively slidably connected to the drive shaft via a thread and that a torsion spring is provided between the impeller and the drive shaft, which counteracts the rotation of the impeller relative to the drive shaft.
  • This embodiment takes advantage of the fact that the drive power of a water pump increases approximately with the third power of its drive speed and the drive torque increases with the second power of the drive speed.
  • This combination of the drive torque with the drive speed is used to achieve a clear speed with the aid of the correspondingly designed torsion spring, which counteracts the peripheral force on the pump impeller dependent displacement of the impeller and thus to achieve different pump characteristics depending on the speed.
  • FIG. 1 in which a pump housing 1 is shown, which is closed by a cover 2 and in which a pump impeller 3 is arranged.
  • a drive shaft 4 is mounted, which is driven by the internal combustion engine (not shown) at engine speed and on the shaft end 5 of which a sleeve 6 is rotatably attached, which carries an external thread 7, which has an internal thread 8 in the hub of the impeller 3 Intervention stands.
  • the impeller 3 rotates relative to the drive shaft 4, the impeller 3 is thus axially displaced.
  • This relative rotation is counteracted by a torsion spring 9, one end 10 of which is fixed in a collar 11 of the sleeve 6 and the other end 12 of the impeller 3.
  • the torsion spring 9 is arranged in an annular recess 13 in the impeller 3.
  • the impeller 3 provided with radial blades 15 sucks in the coolant through a channel 14 in the pump housing and conveys it to the consumer through a radial channel 16.
  • the pump interior holding the pump impeller 3 is sealed by means of a mechanical seal 17 between the pump housing cover 2 and the collar 11 of the sleeve 6.
  • the impeller 3 At low speeds of the drive shaft 4, the impeller 3 is in the position which is shown in the lower half of FIG. 1 and in which the gap S between the blades 15 and the wall 18 of the pump housing 1 opposite them is the smallest. As a result, the full width of the blades 15 comes into effect and the greatest possible delivery rate is achieved at the drive speed in question.
  • the drive torque and thus also the circumferential force on the impeller 3 increase. This circumferential force causes the impeller 3 to rotate relative to the drive shaft 4 against the force of the torsion spring 9, as a result of which the thread 7, 8 causes the impeller 3 to move axially to the left takes place and the gap between the radial blades 15 and the pump wall 18 is enlarged.
  • the full width of the radial blades 15 no longer comes into effect and the delivery rate is reduced compared to the position of the impeller 3 shown in the lower half in FIG. 1.
  • the impeller 3 abuts the collar 11 of the sleeve 6 and the gap between the radial blades 15 and the pump wall 18 reaches its maximum value S 1. In this position, the impeller 3 promotes the amount of coolant that is required at the maximum speed for sufficient cooling of the internal combustion engine.
  • the delivery rate characteristic is shown with the smallest gap width and with S1 the delivery characteristic with the largest gap width.
  • the speed-dependent change in the gap width results in a flow rate characteristic that runs on the characteristic S to point A, then from point A via the dashed section a to point B on the characteristic S 1 and from there on the characteristic S 1.
  • the impeller 3 is carried by the torsion spring 9 without rotation, i.e. the drive torque is not greater than the pretension of the torsion spring 9.
  • the impeller can rotate with respect to the drive shaft counter to the action of the spring 9 and it is axially displaced thereby, causing the gap gradually increased until it has reached its greatest width at point B and the impeller 3 according to FIG. 1 is in its left end position.
  • the flow rate increases linearly according to the line S1.
  • the drive speed drops, the reverse process occurs, whereby due to the hysteresis, the conveying characteristic has the dash-dotted curve a ⁇ .

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Abstract

Eine Kühlmittelpumpe für eine Fahrzeug-Brennkraft­maschine weist ein in einem Gehäuse 1 angeordnetes, mit Radialschaufeln 15 versehenes Laufrad 3 auf, das mit der Antriebswelle 4 über ein Gewinde 7, 8 relativ drehbar und axial verschiebbar verbunden ist. Zwischen dem Laufrad 3 und der Antriebswelle 4 ist eine Torsionsfeder 9 angeordnet, die einer Drehung des Laufrades 3 relativ zur Antriebswelle 4 bis zu einem bestimmten Antriebsdrehmoment entgegenwirkt. Übersteigt das Antriebsdrehmoment infolge steigender Drehzahl diesen Wert, so kann sich das Laufrad 3 relativ zur Antriebswelle 4 verdrehen und es wird aufgrund des Gewindes 7, 8 axial verschoben, wobei sich der Spalt S zwischen den Radialschaufeln 15 und der Pumpengehäusewand 18 vergrößert und die Fördermenge bezogen auf die Drehzahl verringert wird. Dadurch wird eine verhältnismäßig große Förder­menge bei niedrigen Drehzahlen und eine verhältnismäßig geringe Fördermenge bei hohen Drehzahlen erreicht.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Kühlmittelpumpe für eine Fahrzeug-Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des An­spruchs 1.
  • Bei einer bekannten Kühlmittelpumpe dieser Art (DE-PS 33 29 002) erfolgt die Verschiebung des Laufrades in Ab­hängigkeit von der Kühlmitteltemperatur durch ein von dem Kühlmittel beaufschlagtes Bimetall- oder Dehnstoffelement. Bei niedriger Kühlmitteltemperatur befindet sich das Lauf­rad in einer Endstellung, in welcher die Breite des Spaltes zwischen den Radialschaufeln und dem Pumpengehäuse seine größte Breite besitzt und die Kühlmittelförderung unter­brochen ist. Dadurch wird die Warmlaufphase der Brenn­kraftmaschine verkürzt. Bei ansteigender Kühlmittel­temperatur wird das Laufrad zunehmend verschoben, so daß die Spaltbreite verringert und eine ansteigende Kühlmittelmenge entsprechend dem erhöhten Kühlungsbe­darf der Brennkraftmaschine gefördert wird.
  • Es sind auch Kühlmittelpumpen bekannt, deren Förderung in Abhängigkeit von der Drehzahl der Antriebswelle, die in aller Regel von der Brennkraftmaschine ange­trieben wird, veränderbar ist. Dadurch wird erreicht, daß einerseits bei niedrigen Drehzahlen bis hinab zum Leerlauf der Brennkraftmaschine eine ausreichende Förder­menge für die Heizung des Fahrzeuginnenraumes bereit­gestellt und andererseits bei hohen Drehzahlen die Fördermenge auf einen Wert begrenzt wird, bei dem zwar eine ausreichende Kühlung der Brennkraftmaschine gewähr­leistet, jedoch die bei großen Fördermengen vorhandene Kavitationsgefähr beseitigt ist. Die drehzahlabhängige Regelung der Fördermenge erfolgt beispielsweise da­ durch, daß die Pumpenantriebswelle von der Brennkraft­maschine über ein Keilriemengetriebe angetrieben wird, dessen Verstellmechanismus aus Fliehgewichten besteht, durch die bei niedriger Kurbelwellendrehzahl eine Über­setzung ins Schnelle und mit steigender Kurbelwellendreh­zahl fliehkraftabhängig eine Übersetzung ins Langsame vorgenommen wird (DE-OS 20 27 654, DE-OS 15 76 358). Diese Art der Fördermengenregelung ist konstruktiv aufwendig und benötigt viel Platz, der bei den be­engten Raumverhältnissen im Motorraum eines Kraftfahr­zeuges meist nicht zur Verfügung steht. Es ist auch be­kannt (DE-OS 25 58 319), zur drehzahlabhängigen Ver­änderung der Fördermenge die Schaufeln des Pumpenlauf­rades veränderlich auszubilden, derart, daß die Pumpe bei höherer Drehzahl spezifisch weniger fördert als bei niedrigerer Drehzahl. Die Schaufeln können aus einem elastisch nachgiebigen Material bestehen oder gegen die Kraft einer Feder wegschwenken, um auf diese Weise bei höheren Drehzahlen eine relativ geringere Kühl­mittelmenge zu fördern. Derartige Pumpen sind jedoch konstruktiv sehr aufwendig.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kühl­mittelpumpe entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu schaffen, deren Fördermenge sich mit einfachen Mitteln den unterschiedlichen Anforderungen bei verschiedenen Drahzahlen anpaßt, die also im Leerlauf die Anforderungen der Heizung abdeckt, jedoch bei hohen Drehzahlen die Fördermenge beschneidet, um Kavitationsschäden zu ver­meiden.
  • Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch ge­löst, daß eine Vorrichtung zur Verschiebung des Lauf­rades in Abhängigkeit von der Drehzahl der Antriebswelle vorgesehen ist, und zwar derart, daß mit steigender Dreh­ zahl die Größe des Spaltes zwischen den Radialschaufeln und dem Pumpengehäuse zunimmt.
  • Die erfindungsgemäße Pumpe wird so ausgelegt, daß sie in der Stellung des Laufrades, in der der Spalt zwischen den Radialschaufeln und dem Pumpengehäuse seine geringste Breite hat, bei Leerlaufdrehzahl eine zur Heizung des Fahrzeuginnenraumes ausreichende Flüssigkeitsmenge fördert. Mit steigender Drehzahl und damit steigendem Kühlmittel­bedarf der Brennkraftmaschine steigt die Fördermenge zwar an, jedoch aufgrund der nun einsetzenden Verschiebung des Laufrades und der damit verbundenen Vergrößerung der Breite des genannten Spaltes nicht in dem Maße, wie dies ohne Laufradverschiebung der Fall wäre, bis bei Höchstdrehzahl eine Laufradstellung erreicht ist, bei der gerade die zur ausreichenden Kühlung der Brennkraftmaschine erforder­liche Kühlmittelmenge gefördert wird.
  • Die drehzahlabhängige Axialverschiebung des Laufrades könnte durch eine Fliehkrafteinrichtung bewirkt werden. Eine konstruktiv einfachere Lösung besteht jedoch darin, daß das Laufrad über ein Gewinde relativ drehbar und dadurch relativ verschiebbar mit der Antriebswelle ver­bunden ist und daß zwischen dem Laufrad und der Antriebs­welle eine Torsionsfeder vorgesehen ist, die der Drehung des Laufrades relativ zur Antriebswelle entgegenwirkt.
  • Diese Ausführung macht sich den Umstand zunutze, daß die Antriebsleistung einer Wasserpumpe etwa mit der dritten Potenz ihrer Antriebsdrehzahl und das Antriebsmoment etwa mit der zweiten Potenz der Antriebsdrehzahl an­steigt. Diese Verknüpfung des Antriebsmoments mit der Antriebsdrehzahl wird dazu benutzt, mit Hilfe der ent­sprechend ausgelegten Torsionsfeder, die der Umfangskraft am Pumpenlaufrad entgegenwirkt, eine eindeutig drehzahl­ abhängige Verschiebung des Laufrades und damit drehzahl­abhängig verschiedene Pumpenkennlinien zu erreichen.
  • Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen anhand eines Ausführungsbeispiels er­läutert. Es zeigt:
    • Fig. 1 einen Längsschnitt einer Kühlmittelpumpe, wobei das Pumpenlaufrad in der unteren Hälfte der Zeichnung in seiner rechten Endstellung und in der oberen Hälfte der Zeichnung in seiner linken Endstellung dargestellt ist, und
    • Fig. 2 ein Diagramm, in dem die Fördermenge in Ab­hängigkeit von der Antriebsdrehzahl bei ver­schiedenen Spaltbreiten dargestellt ist.
  • Es sei zunächst auf Fig. 1 Bezug genommen, in der ein Pumpengehäuse 1 dargestellt ist, das durch einen Deckel 2 verschlossen ist und in dem ein Pumpenlaufrad 3 ange­geordnet ist. Im Deckel 2 ist eine Antriebswelle 4 ge­lagert, die durch die nicht dargestellte Brennkraft­maschine mit Motordrehzahl angetrieben wird und auf deren Wellenstummel 5 drehfest eine Hülse 6 angebracht ist, die ein Außengewinde 7 trägt, welches mit einem in der Nabe des Laufrades 3 vorgesehenen Innengewinde 8 in Eingriff steht. Bei einer Drehung des Laufrades 3 relativ zur Antriebswelle 4 wird somit das Laufrad 3 axial verschoben. Dieser Relativdrehung wirkt eine Torsionsfeder 9 entgegen, deren eines Ende 10 in einen Bund 11 der Hülse 6 und deren anderes Ende 12 im Laufrad 3 festgelegt ist. Zur Verringerung des Raumbedarfes ist die Torsionsfeder 9 in einer ring­förmigen Aussparung 13 des Laufrades 3 angeordnet.
  • Das mit Radialschaufeln 15 versehene Laufrad 3 saugt das Kühlmittel durch einen Kanal 14 im Pumpengehäuse an und fördert es durch einen radialen Kanal 16 zum Verbraucher. Die Abdichtung des das Pumpenlaufrad 3 aufnehmenden Pumpen­innenraumes erfolgt mittels einer Gleitringdichtung 17 zwischen dem Pumpengehäusedeckel 2 und dem Bund 11 der Hülse 6.
  • Bei niedrigen Drehzahlen der Antriebswelle 4 befindet sich das Laufrad 3 in der Stellung, die in der unteren Hälfte der Fig. 1 dargestellt ist und in welcher der Spalt S zwischen den Schaufeln 15 und der diesen gegenüber­liegenden Wand 18 des Pumpengehäuses 1 am kleinsten ist. Dadurch kommt die volle Breite der Schaufeln 15 zur Wirkung und es wird die größtmögliche Fördermenge bei der betreffenden Antriebsdrehzahl erreicht. Mit steigen­der Antriebsdrehzahl steigt auch das Antriebsmoment und damit auch die Umfangskraft am Laufrad 3. Diese Umfangs­kraft bewirkt eine Verdrehung des Laufrades 3 relativ zur Antriebswelle 4 entgegen der Kraft der Torsions­feder 9, wodurch aufgrund des Gewindes 7, 8 eine axiale Verschiebung des Laufrades 3 nach links erfolgt und der Spalt zwischen den Radialschaufeln 15 und der Pumpen­wand 18 vegrößert wird. Dadurch kommt nicht mehr die volle Breite der Radialschaufeln 15 zur Wirkung und die Fördermenge wird gegenüber der in der unteren Hälfte in Fig. 1 gezeigten Stellung des Laufrades 3 verringert. Bei Höchstdrehzahl liegt das Laufrad 3 an den Bund 11 der Hülse 6 an und der Spalt zwischen den Radialschaufeln 15 und der Pumpenwand 18 erreicht seinen Größtwert S₁. In dieser Stellung fördert das Laufrad 3 die Kühlmittel­menge, die bei Höchstdrehzahl für eine ausreichende Küh­lung der Brennkraftmaschine erforderlich ist.
  • In Fig. 2 ist die Abhängigkeit der Fördermenge von der Pumpendrahzahl bei verschiedenen Spaltbreiten darge­stellt. Hierbei ist mit S die Fördermengencharakteristik bei kleinster Spaltbreite und mit S₁ die Förder­charakteristik bei größter Spaltbereite dargestellt. Durch die drehzahlabhängige Veränderung der Spaltbreite ergibt sich eine Fördermengencharakteristik, die auf der Kenn­linie S bis zum Punkt A, dann vom Punkt A über den ge­strichelt eingezeichneten Abschnitt a zum Punkt B auf der Kennlinie S₁ und von da an auf der Kennlinie S₁ verläuft. Bis zum Punkt A wird das Laufrad 3 von der Torsionsfeder 9 ohne Verdrehung mitgenommen, d.h. das An­triebsdrehmoment ist nicht größer als die Vorspannung der Torsionsfeder 9. Steigt nun das Antriebsdrehmoment entsprechend der ansteigenden Drehzahl über diesen Wert, so kann sich das Laufrad gegenüber der Antriebswelle entgegen der Wirkung der Feder 9 drehen und es wird dadurch axial verschoben, wodurch sich der Spalt all­mählich vergrößert, bis er in Punkt B seine größte Breite erreicht hat und das Laufrad 3 gemäß Fig. 1 in seiner linken Endstellung ist. Steigt nun die Antriebs­drehzahl weiter, so erhöht sich die Fördermenge linear entsprechend der Linie S₁. Bei absinkender Antriebs­drehzahl tritt der umgekehrte Vorgang ein, wobei auf­grund der Hysterese die Förderkennlinie den strich­punktiert angezeichneten Verlauf aʹ hat.

Claims (4)

1. Kühlmittelmpumpe für eine Fahrzeug-Brennkraftmaschine, mit einem in einem Gehäuse angeordneten, mit Radial­schaufeln versehenen Laufrad, das zwecks Veränderung des Spaltes zwischen den Radialschaufeln und der gegenüberliegenden Wand des Pumpengehäuses axial verschiebbar auf einer Antriebswelle angeordnet ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine Vorrichtung (7, 8) zur Verschiebung des Laufrades (3) in Abhängigkeit von der Drehzahl der Antriebswelle (4) vorgesehen ist, derart, daß mit steigender Drehzahl die Größe des Spaltes (S bzw. S1) zwischen den Radialschaufeln (15) und der Wand (18) des Pumpengehäuses (1) zunimmt.
2. Kühlmittelpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekenn­zeichnet, daß das Laufrad (3) über ein Gewinde (7, 8) relativ drehbar mit der Antriebswelle (4) verbunden ist und daß zwischen dem Laufrad (3) und der An­triebswelle (4) eine Torsionsfeder (9) vorgesehen ist, die einer Drehung des Laufrades (3) relativ zur Antriebswelle (4) entgegenwirkt.
3. Kühlmittelpumpe nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch einen Anschlag (Bund 11) zur Begrenzung der Axialverschiebung des Laufrades (3).
4. Kühlmittelpumpe nach Anspruch 2, dadurch gekenn­zeichnet, daß die Torsionsfeder (9) so ausgelegt ist, daß sie bis zu einer vorbestimmten Drehzahl der Antriebswelle (4) eine Mitnahme des Laufrades (3) ohne relative Drehung bewirkt.
EP87103793A 1986-04-08 1987-03-16 Kühlmittelpumpe für eine Fahrzeug-Brennkraftmaschine Withdrawn EP0240777A3 (de)

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EP0240777A2 true EP0240777A2 (de) 1987-10-14
EP0240777A3 EP0240777A3 (de) 1989-01-11

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