EP3779205B1 - Fluidpumpe mit elektrischem antrieb - Google Patents

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Publication number
EP3779205B1
EP3779205B1 EP20186079.8A EP20186079A EP3779205B1 EP 3779205 B1 EP3779205 B1 EP 3779205B1 EP 20186079 A EP20186079 A EP 20186079A EP 3779205 B1 EP3779205 B1 EP 3779205B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
bearing
fluid pump
rotor
shaft
locking element
Prior art date
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Active
Application number
EP20186079.8A
Other languages
English (en)
French (fr)
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EP3779205A1 (de
Inventor
Holger Fries
Jakob Duwald
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Volkswagen AG
Original Assignee
Volkswagen AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Volkswagen AG filed Critical Volkswagen AG
Publication of EP3779205A1 publication Critical patent/EP3779205A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP3779205B1 publication Critical patent/EP3779205B1/de
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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    • 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
    • F04D29/041—Axial thrust balancing
    • F04D29/0413—Axial thrust balancing hydrostatic; hydrodynamic thrust bearings
    • 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
    • F04D29/60—Mounting; Assembling; Disassembling
    • F04D29/62—Mounting; Assembling; Disassembling of radial or helico-centrifugal pumps
    • F04D29/628—Mounting; Assembling; Disassembling of radial or helico-centrifugal pumps especially adapted for liquid 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
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/66—Combating cavitation, whirls, noise, vibration or the like; Balancing
    • F04D29/669—Combating cavitation, whirls, noise, vibration or the like; Balancing especially adapted for liquid pumps

Definitions

  • the present invention relates to a fluid pump with an electric drive, in particular a fluid pump for a cooling and/or heating circuit of a motor vehicle, with a stator, an axle connected to a pump housing and a rotor arranged on the axle, which has an impeller and is mounted on the axle by means of a radially acting first bearing, wherein the axle, the stator and the rotor are arranged in the pump housing and the axle has a radially circumferential groove at a free end on the outer circumference.
  • an electric automotive coolant pump for cooling an automotive internal combustion engine has a canned motor arrangement in which a rotor with the blades and a plain bearing sleeve is mounted on a fixed metallic axle.
  • the pump blades of the rotor are arranged axially in the area of the plain bearing sleeve.
  • a metallic stop ring is arranged at a distal end of the axle and is welded to the axle. The welded stop ring serves to axially fix the rotor.
  • the disadvantage of the known solutions is that the rotor is permanently fixed to the axle during assembly. Subsequent replacement of the rotor or repair of the bearing is therefore not possible or only possible with difficulty. In addition, a relatively complex thermal joining process is required during production, which can, for example, be accompanied by undesirable heat input into the component and welding spatter, and components have to be damaged for disassembly.
  • a rotor is secured to an axle via an axial bearing.
  • the axial bearing is supported on the axle via a locking ring.
  • the object of the present invention is therefore to at least partially solve the problems resulting from the prior art and in particular to provide a fluid pump which is easy to manufacture, has better acoustic properties and, if necessary, can be easily repaired and/or can be easily adapted to different operating conditions.
  • a fluid pump with an electric drive in particular a fluid pump for a cooling and/or heating circuit of a motor vehicle, contributes to this, which has at least one stator, an axle connected to a pump housing and a rotor arranged on the axle.
  • the rotor has an impeller and is mounted on the axle by means of a radially acting first bearing.
  • the axle, the stator and the rotor are arranged in the pump housing, with the axle having a radial groove at a free end on the outer circumference.
  • a deformable locking element is arranged in the groove.
  • an axially acting second bearing for the rotor is arranged between the locking element and the rotor, with the second bearing being designed to introduce an axially acting force generated by the rotor into the axle via the deformable locking element.
  • a second axially acting bearing can be fixed in the axial direction in a particularly advantageous manner by means of a deformable locking element.
  • the deformability in the sense of the present invention can be either plastic or elastic of the locking element.
  • the deformable locking element is in a Groove which extends along the outer circumference of the axle and in its radial direction.
  • the fluid pump designed in this way can be assembled in a particularly simple manner by first placing the rotor together with the first bearing on the axle during assembly. This is followed by the assembly of the second bearing, which prevents the rotor from being pulled off the axle in the axial direction. Finally, in the last step, the second bearing is secured in the axial direction by simply inserting the deformable locking element into the groove.
  • the present invention in conjunction with the other advantages of the invention mentioned, also enables particularly simple axial assembly.
  • the axial forces generated by the rotor during pump operation can thus be transmitted from the rotor via the bearing or contact point with the second bearing, which is not designed to be deformable, via the contact point of the second bearing with the deformable locking element to the deformable locking element, before the deformable locking element introduces the axial forces into the axle via the groove.
  • fluid pumps constructed in this way can be varied in a particularly simple manner according to a modular principle and adapted to the respective operating conditions.
  • individual or all components such as the housing, impeller, rotor or the second bearing can be made and used from plastic.
  • these components can be replaced by metal or ceramic components as required, for example under higher thermal loads. This means that a wide variety of fluid pump variants can be created using the modular principle. Last but not least, it is possible to use plastic for the components by avoiding heat input during production of the fluid pump.
  • the second bearing can have an opening to accommodate the axle.
  • the second bearing can be pushed onto the axle in a particularly simple manner during assembly, whereby the axle can then protrude through the opening.
  • the invention provides that the opening has opening cross-sections of different sizes in the axial direction of the axis.
  • the opening cross-sections of different sizes of the opening in the second bearing make it possible to exert a force acting in the radial direction to the axis from the second bearing onto the deformable locking element. This can result in an axial force introduced into the second bearing being diverted into a radial force and the deformable locking element being pressed in the direction of the groove by means of this radial force. Consequently, the greater the axial force exerted by the rotor via the second bearing, the greater the radial drive force that holds the deformable locking element in the groove.
  • the second bearing can self-center on the deformable locking element when installed.
  • a stop ring welded to the shaft has the disadvantage that this stop ring is not centered on the axis and is also fixed in a position inclined to the axis due to the uneven heat input of the welding process.
  • the present invention enables self-centering of the second bearing on the deformable locking element.
  • the bearing surface of the second bearing automatically aligns itself at right angles to the longitudinal axis of the axis.
  • the deformable locking element can even compensate for positional deviations of the pump wheel caused by tolerances between the first bearing and the pump wheel. If, for example, the center axis of the pump wheel is slightly inclined to the axis due to the tolerances, the second bearing can compensate for this inclination via the deformable locking element.
  • the opening is designed as a (continuous or) flat transition between two opening cross-sections of different sizes and axially spaced apart from each other.
  • a simple stepped bore can be provided which has a larger and a smaller diameter in the axial direction (immediately) one after the other.
  • the different diameters pass through corresponding roundings of the jump edges as smoothly as possible in order not to damage the deformable locking element during assembly and to avoid generating unnecessarily large material stresses in the contact area with the second bearing when installed.
  • the system can therefore be designed to be self-clamping or self-locking.
  • the opening is designed as a conical bore section.
  • the angle of the cone is between 5° and 60°, preferably between 10° and 50°, in relation to the longitudinal axis of the axle or in relation to the center axis of the opening.
  • the opening can be designed as a conical bore section or as a bore with a molded-on chamfer, whereby the chamfer or cone can preferably extend from one end face of the second bearing to the (smallest) bore section.
  • a chamfer or cone can be produced particularly cheaply in terms of manufacturing technology and the function corresponds to that of the previously described conical bore section.
  • the axle has symmetrically designed and/or arranged radial circumferential grooves at both ends.
  • the axles designed in this way can thus be fixed in the housing in both positions, i.e. either with the first end or the second end, without this leading to a manufacturing error.
  • the axles can be pressed, glued, screwed and/or injected into the pump housing. All suitable manufacturing processes known in the state of the art are available for this purpose.
  • the groove has at least partially rounded edges.
  • the rounded edges facilitate the assembly (at least partial penetration into the groove) of the deformable locking element and prevent damage to the locking element from sharp edges. All edges of the groove can be rounded, or only those with which the deformable locking element comes into contact during assembly or disassembly.
  • the locking element is at least partially made of an elastomer.
  • Elastomers suitable for use in a heating and/or cooling circuit are, for example, HNBR or EPDM. These can be used advantageously, for example, for axles with diameters of 3-10 mm and especially for axles with diameters of 6-8 mm.
  • locking elements made of spring steel can also be used.
  • Such locking elements can be formed, for example, from a helically wound wire whose turns lie against one another. Such a locking element can be temporarily expanded radially for mounting in the groove of the axle, similar to a ring on a bunch of keys, without it undergoing plastic deformation.
  • the locking element is made of an incompressible material. While the invention can already be implemented with compressible and foamed elastomers, provided that they have sufficient strength or hardness (e.g. Shore hardness), it is even more advantageous if the selected elastomer is incompressible. In this case, the deformable locking element can be moved particularly effectively into the groove by the radial forces exerted by the second bearing, thus ensuring that the second bearing is held particularly securely on the axle.
  • a preferred embodiment of the present invention provides that the second bearing is made of a ceramic material.
  • the second bearing can thus form a particularly smooth and low-friction contact point with the rotor.
  • the contact point In addition to the low coefficient of friction, the contact point also has a particularly high level of wear resistance.
  • the fluid pump designed in this way is therefore particularly low-wear, energy-saving and long-lasting.
  • a contact surface that is in contact with the deformable locking element can be designed with increased roughness.
  • the increased surface roughness between the deformable locking element and the second bearing prevents the second bearing from accidentally turning relative to the deformable locking element during operation of the fluid pump.
  • Such a permanent relative movement between the two components would lead to unnecessary wear and tear in the long term, thus premature wear on one of the components or even on both components. However, this can be reliably prevented.
  • the second bearing is made of a plastic material.
  • Thermosets and thermoplastics are preferably used as plastic materials.
  • Unreinforced thermosets, reinforced thermoplastics or thermoset-bonded graphite can be used particularly advantageously for the present invention.
  • Such plastic materials can be used if, for example, only small axial forces need to be supported.
  • the second bearing is made of a metallic material. If the fluid pump is to be used at very high temperatures, for example, it can be advantageous to make the second bearing out of metal. Metals are harder than plastics, are temperature-resistant and can be processed inexpensively into second bearings. This can be done by punching, clamping processes or sintering powder metals. Alternatively, the metals can also be processed using a metal injection process, also known as metal injection molding (MIM).
  • MIM metal injection molding
  • metallic materials have a relatively high surface roughness in their untreated state, which prevents unintentional relative movement between the second bearing and the deformable locking element.
  • a rotary brake can advantageously be arranged between the second bearing and the locking element.
  • a rotary brake can be formed, for example, by radial webs on the contact surface of the second bearing to the deformable locking element or by targeted burr formation or roughness on stamped metallic second bearings.
  • burr formation it is also possible to form depressions or notches in the metal during stamping, which then form-fit into the complementary shaped Locking element and thereby act as a rotary brake. This can reliably prevent unintentional relative movement between the deformable locking element and the second bearing.
  • a fluid pump 1 according to the invention is shown in an axial sectional view.
  • the fluid pump 1 comprises a pump housing 2 with an inlet nozzle 3 and an outlet nozzle 4.
  • a stator 5 is arranged in the pump housing 2 and is separated from the liquid-carrying area of the fluid pump 1 by a wall or a hood 6.
  • An axis 7 is fixedly mounted in the hood 6.
  • a rotor 8 is mounted on the axis 7 and is connected to an impeller 9 and is supported and guided in the radial direction to the axis 7 by means of a first bearing 10.
  • fluid is sucked in via the inlet nozzle 3 and deflected by the rotating blades of the impeller 9 in the direction of the outlet nozzle 4.
  • the impeller 9 generates an axial force in the direction of the arrow 11.
  • a second bearing 12 is arranged on the axis 7 to absorb the axial force and support it.
  • the second bearing 12 is disk-shaped and serves to axially support the impeller 9 and at the same time to introduce the axial force into the axle 7.
  • a deformable locking element 13 is provided at a free end 15 of the axle 7 in a groove 14.
  • the deformable locking element 13 is designed as an O-ring which is inserted into the upper groove 14 and has a high coefficient of friction with respect to the axle 7 and the second bearing 12.
  • the axle 7 can have a further groove opposite the mounted end 23, via which the axle 7 is secured in the cover 6, whereby the two grooves can be of the same design.
  • the axis 7 is symmetrical and has two circumferential grooves 14, so that an incorrectly positioned installation of the axis 7 is not possible.
  • the Figure 2 shows an enlarged view of another embodiment according to the invention, in which the axle 7 has a conical or trapezoidal groove 14.
  • the impeller 9 exerts an axial force (arrow 11) on the second bearing 12 via the first bearing 10.
  • the second bearing 12 is ring-shaped and has a cylindrical bore section 16, a conical bore section 17 and an upper edge 18.
  • the cylindrical bore section 16 and the conical bore section 17 form an opening 19 through which the axle 7 protrudes. If the second bearing 12 is now moved in the direction of the arrow 11 due to the axial force, the conical bore section 17 first comes into contact with the deformable locking element 13.
  • the axial force is diverted via the conical bore section 17 in a radial direction acting at a right angle thereto and presses the deformable locking element 13 into the groove 14 with increasing movement of the second bearing 12 in the direction of the arrow 11 in the radial direction. Consequently, the greater the axial force, the greater the holding force of the locking element 13 pressed into the groove 14. Since the deformable locking element 13 is designed as an incompressible O-ring and the cross-sectional area of the O-ring is larger than that of the associated groove 14, there is always a projection of the O-ring over the groove 14 in the installed state, via which the axial forces of the impeller 9 can be introduced into the axis 7.
  • FIG 3a a further embodiment of a second bearing 12 according to the invention is shown in a partial axial sectional view.
  • the second bearing 12 is again ring-shaped with an opening 19 and encloses the axis 7.
  • a deformable locking element 13 is pressed by the second bearing 12 in the radial direction 20 into the groove 14.
  • the opening 19 is designed as a conical bore section 16.
  • the cone used is opened at an angle 22 in the direction of the free end 15. This means that an opening cross-section of the opening 19 in the region of the upper edge 18 is larger than the opening cross-section of the opening 19 in the region of a lower edge 21.
  • the opening cross-section is viewed in a plane whose normal direction is aligned parallel to the longitudinal axis of the axis 7.
  • the opening 19 in the area of the lower edge 21 can have a slight oversize compared to the axis 7. This oversize makes it easier to attach the second bearing to the axis 7 and can be compensated for by the tolerance compensation of the deformable locking element 13.
  • the Figure 3b shows a further embodiment in which the second bearing 12 has an opening 19, which is designed in the lower area as a cylindrical bore section 16.
  • This cylindrical bore section 16 ends, however, before reaching the upper edge 18, wherein in order to overcome a jump in diameter from the smaller diameter in the area of the lower edge 21 to the larger diameter in the area of the upper edge 18, a free-form flat, for example dome-shaped transition is provided, which is contoured in such a way that the locking element 13 is tightly enclosed by it and is pressed into the groove 14 with increasing movement of the second bearing 12 in the direction of the arrow 11.
  • FIG 4 Another embodiment is shown in which the groove 14 has rounded edges.
  • the edges are rounded with a radius R so that the locking element 13 can be assembled or disassembled easily and without damage.

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Fluidpumpe mit einem elektrischen Antrieb, insbesondere eine Fluidpumpe für einen Kühl- und/oder Heizkreislauf eines Kraftfahrzeugs, mit einem Stator, einer mit einem Pumpengehäuse verbundenen Achse und einem auf der Achse angeordneten Rotor, der ein Flügelrad aufweist und mittels eines radial wirkenden ersten Lagers auf der Achse gelagert ist, wobei die Achse, der Stator und der Rotor im Pumpengehäuse angeordnet sind und die Achse an einem freien Ende am Außenumfang eine radial umlaufende Nut aufweist.
  • Elektrisch angetriebene Fluidpumpen sind im Stand der Technik hinlänglich bekannt. So findet sich in der DE 4411960 A1 eine ausführliche Beschreibung einer solchen Pumpe. Die dort dargestellte Pumpe besitzt einen glockenförmigen Rotor, in dessen zylindrischen Innenraum der Stator eingreift. Eine rohr-bzw. becherförmige Wandung verläuft zwischen Rotor und Stator, wobei am Boden des Bechers eine Achse eingelassen ist, um die der Rotor drehbar gelagert ist.
  • Weiterhin ist aus der EP 22 73123 A1 eine elektrische Kfz-Kühlmittelpumpe zur Kühlung eines Kfz-Verbrennungsmotors bekannt. Diese Kühlmittelpumpe weist eine Spalttopf-MotorAnordnung auf, bei der ein Rotor mit den Schaufeln und einer Gleitlagerhülse auf einer feststehenden metallischen Achse gelagert ist. Die Pumpenschaufeln des Rotors sind dabei axial im Bereich der Gleitlagerhülse angeordnet. An einem distalen Ende der Achse ist dabei ein metallischer Anschlagring angeordnet, der mit der Achse verschweißt ist. Der verschweißte Anschlagring dient zur axialen Fixierung des Rotors.
  • Nachteilig bei den bekannten Lösungen ist, dass der Rotor bei der Montage dauerhaft auf der Achse fixiert wird. Ein nachträglicher Tausch des Rotors oder eine Instandsetzung der Lagerung ist damit nicht oder nur erschwert möglich. Zudem ist bei der Fertigung ein relativ aufwändiges thermisches Fügeverfahren, dass beispielsweise mit einem unerwünschten Wärmeeintrag in das Bauteil und Schweissspritzern einhergehen kann, erforderlich und zur Demontage müssen Bauteile beschädigt werden.
  • Aus der US 2015/184674 A1 ist eine elektronische Wasserpumpe bekannt. Ein Rotor ist über ein Axiallager auf einer Achse gesichert angeordnet. Das Axiallager stützt sich über einen Sicherungsring an der Achse ab.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die sich aus dem Stand der Technik ergebenden Probleme zumindest teilweise zu lösen und insbesondere eine Fluidpumpe anzugeben, die einfach zu fertigen ist, bessere akustische Eigenschaften aufweist und bei Bedarf, einfach instandgesetzt werden kann und/oder in einfacher Weise an unterschiedliche Einsatzbedingungen adaptierbar ist.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe(n) trägt eine Fluidpumpe gemäß dem unabhängig formulierten Patentanspruch bei. Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den abhängigen Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger technologisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung definieren. Darüber hinaus werden die in den Patentansprüchen angegebenen Merkmale in der Beschreibung näher erläutert und präzisiert, wobei weitere bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt werden.
  • Hierzu trägt eine Fluidpumpe mit einem elektrischen Antrieb, insbesondere eine Fluidpumpe für einen Kühl- und/oder Heizkreislauf eines Kraftfahrzeugs bei, welche zumindest einen Stator, eine mit einem Pumpengehäuse verbundene Achse und eine auf der Achse angeordneten Rotor hat. Der Rotor weist ein Flügelrad auf und ist mittels eines radial wirkenden ersten Lagers auf der Achse gelagert.
  • Die Achse, der Stator und der Rotor sind im Pumpengehäuse angeordnet, wobei die Achse an einem freien Ende am Außenumfang eine radiale Nut aufweist. In der Nut ist ein deformierbares Sperrelement angeordnet. Weiter ist zwischen dem Sperrelement und dem Rotor ein axial wirkendes zweites Lager für den Rotor angeordnet, wobei das zweite Lager dazu ausgebildet ist, eine vom Rotor erzeugte axial wirkende Kraft über das deformierbare Sperrelement in die Achse einzuleiten.
  • Es wurde erkannt, dass ein zweites axial wirkendes Lager in besonders vorteilhafter Weise mittels eines deformierbaren Sperrelements in axialer Richtung festgelegt werden kann. Die Deformierbarkeit im Sinne der vorliegenden Erfindung kann wahlweise eine plastische oder eine elastische des Sperrelements sein. Dazu ist das deformierbare Sperrelement in einer Nut angeordnet, die sich am Außenumfang der Achse und in deren radialer Richtung erstreckt. Die so gestaltete Fluidpumpe kann in besonders einfacher Weise montiert werden, indem bei der Montage zuerst der Rotor zusammen mit dem ersten Lager auf die Achse aufgesteckt wird. Danach erfolgt die Montage des zweiten Lagers, welches verhindert, dass der Rotor in axialer Richtung von der Achse abgezogen werden kann. Schließlich wird im letzten Schritt das zweite Lager durch das einfache Einsetzen des deformierbaren Sperrelements in die Nut in axialer Richtung festgelegt. Würde man das Sperrelement in radialer Richtung einsetzen wollen, käme es zu einer Kollision mit den Flügeln des Pumpenrades oder die Geometrie der Flügelräder müsste entsprechend gekürzt werden. Mit der vorliegenden Erfindung wird nun aber in Verbindung mit den anderen genannten Vorteilen der Erfindung auch eine besonders einfache axiale Montage ermöglicht.
  • Die vom Rotor während des Pumpenbetriebs erzeugten axialen Kräfte können damit vom Rotor über die Lager- bzw. Kontaktstelle mit dem zweiten Lager, das nicht deformierbar ausgestaltet ist, über die Kontaktstelle des zweiten Lagers mit dem deformierbaren Sperrelement auf das deformierbare Sperrelement weitergeleitet werden, bevor das deformierbare Sperrelement die Axialkräfte über die Nut in die Achse einleitet.
  • Im Fall einer Instandsetzung muss lediglich das deformierbare Sperrelement entnommen werden, um die Fluidpumpe wieder in ihre einzelnen Bestandteile zerlegen zu können. Hierdurch ist ein einfacher Zugang zu den Lagerstellen oder beispielsweise ein einfacher Austausch des Rotor bzw. des Pumpenrades möglich.
  • Zudem können der Rotor und das zweite Lager durch das deformierbare Sperrelement akustisch von der Achse entkoppelt werden, wodurch die Geräuschbildung im Betriebszustand positiv beeinflusst, d.h. reduziert wird. Außerdem können derart aufgebaute Fluidpumpen nach Art eines Baukastenprinzips in besonders einfacher Weise variiert und an die jeweiligen Einsatzbedingungen adaptiert werden. So können bei geringen Belastungen einzelne oder alle Bauteile, wie Gehäuse, Pumpenrad, Rotor oder das zweite Lager aus Kunststoff hergestellt und verwendet werden. Ferner können diese Bauteile beispielsweise bei höheren thermischen Belastungen je nach Bedarf durch Bauteile aus Metall oder Keramik ersetzt werden. Hierdurch können mittels des Baukastenprinzips verschiedenste Varianten der Fluidpumpen dargestellt werden. Nicht zuletzt auch durch die Vermeidung eines Wärmeeintrags bei der Fertigung der Fluidpumpe, ist es möglich Kunststoffe für die Bauteile zu verwenden.
  • Das zweite Lager kann einen Durchbruch zur Aufnahme der Achse aufweisen. In diesem Fall kann das zweite Lager bei der Montage in besonders einfacher Weise auf die Achse aufgesteckt werden, wobei die Achse dann durch den Durchbruch hindurchragen kann.
  • Für eine besonders zuverlässige Übertragung der Axialkräfte ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Durchbruch in axialer Richtung der Achse unterschiedlich große Öffnungsquerschnitte aufweist. Durch die unterschiedlich großen Öffnungsquerschnitte des Durchbruchs im zweiten Lager ist es möglich eine in radialer Richtung zur Achse wirkende Kraft vom zweiten Lager auf das deformierbare Sperrelement auszuüben. Hierdurch kann erreicht werden, dass eine in das zweite Lager eingeleitete Axialkraft in eine radiale Kraft umgelenkt wird und mittels dieser Radialkraft das deformierbare Sperrelement in Richtung der Nut gedrückt wird. Je größer folglich die vom Rotor über das zweite Lager ausgeübte Axialkraft ist, desto größer wird die radiale Antriebskraft, welche das deformierbare Sperrelement in der Nut hält. Ist der Durchbruch zudem kreisförmig ausgebildet, kann sich das zweite Lager im verbauten Zustand am deformierbaren Sperrlement selbstzentrieren. Während beispielsweise bei einem mit der Welle verschweißten Anschlagring, wie er aus dem Stand der Technik bekannt ist, der Nachteil besteht, dass dieser Anschlagring nicht zentrisch auf der Achse sitzt und zudem durch den ungleichmäßigen Wärmeeintrag des Schweissvorgangs in einer zur Achse geneigten Position fixiert ist, ermöglicht die vorliegende Erfindung eine Selbstzentrierung des zweiten Lagers auf dem deformierbaren Sperrelement. Gleichzeitig richtet sich die Lagerfläche des zweiten Lagers automatisch rechtwinklig zur Längsachse der Achse aus. Weiterhin kann das deformierbare Sperrelement sogar Lageabweichungen des Pumpenrades kompensieren, die durch Toleranzen zwischen dem ersten Lager und dem Pumpenrad hervorgerufen werden. Ist beispielsweise aufgrund der Toleranzen die Mittelachse Pumpenrads geringfügig gegenüber der Achse geneigt, so kann das zweite Lager diese Neigung über das deformierbare Sperrelement ausgleichen.
  • Besonders günstig ist es dabei, wenn der Durchbruch als (stetiger bzw.) flächiger Übergang zwischen zwei unterschiedlich großen und axial zueinander beabstandeten Öffnungsquerschnitten ausgeführt ist.
  • Bei einer weiteren besonders einfachen Ausführungsform kann beispielsweise eine einfache Stufenbohrung vorgesehen sein, die einen größeren und einen kleineren Durchmesser in Axialrichtung (unmittelbar) hintereinander aufweist. Vorzugsweise gehen die unterschiedlichen Durchmesser dabei über entsprechende Verrundungen der Sprungkanten möglichst sanft ineinander über, um das deformierbare Sperrelement bei der Montage nicht zu beschädigen und im verbauten Zustand keine unnötig großen Werkstoffspannungen im Kontaktbereich zum zweiten Lager zu erzeugen.
  • Wählt man nun die Durchmesser so, dass die Öffnungsquerschnitte des Durchbruchs mit wachsendem Abstand vom freien Ende weg kleiner werden, so wächst die vom zweiten Lager in radialer Richtung auf das Sperrelement ausgeübte Kraftkomponente an, wenn das zweite Lager in Richtung des freien Endes bewegt wird. Das System kann dadurch selbstklemmend bzw. selbsthemmend ausgeführt sein.
  • Es kann weiter vorgesehen sein, dass der Durchbruch als konischer Bohrungsabschnitt ausgeführt ist. Hierbei liegt der Winkel des Konus zwischen 5° und 60°, vorzugsweise zwischen 10° und 50°, bezogen auf die Längsachse der Achse bzw. bezogen auf die Zentrumsachse des Durchbruchs. Mittels eines Konus kann die ausgeübte Axialkraft besonders effektiv in eine radiale Kraft umgelenkt werden, um das deformierbare Sperrelement in die Nut zu drücken.
  • Auf diese Weise können auch größere Axialkräfte problemlos aufgefangen werden.
  • Der Durchbruch kann als konischer Bohrungsabschnitt oder als Bohrung mit angeformter Fase ausgeführt sein, wobei sich die Fase bzw. der Konusbevorzugt von einer Stirnseite des zweiten Lagers bis hin zum (kleinsten) Bohrungsabschnitt erstrecken kann. Eine solche Fase bzw. solcher Konus ist fertigungstechnisch besonders günstig herstellbar und die Funktion entspricht der des zuvor beschriebenen konischen Bohrungsabschnitts.
  • Für eine sichere und zuverlässige Fertigung ist vorteilhafter Weise vorgesehen, dass die Achse an ihren beiden Enden symmetrisch ausgestaltete und/oder angeordnete radiale umlaufende Nuten aufweist. Die so gestalteten Achsen können damit in beiden Positionen, d. h. wahlweise mit dem ersten Ende oder dem zweiten Ende im Gehäuse fixiert werden, ohne dass es dadurch zu einem Fertigungsfehler kommt. Die Achsen können in das Pumpengehäuse eingepresst, eingeklebt, eingeschraubt und/oder eingespritzt werden. Hierzu stehen sämtliche im Stand der Technik bekannte und geeignete Fertigungsverfahren zu Verfügung.
  • Um die Haltbarkeit des deformierbaren Sperrelements zu verbessern und/oder die Montage zu erleichtern, kann zudem in vorteilhafter Weise vorgesehen werden, dass die Nut zumindest teilweise verrundete Kanten aufweist. Die abgerundeten Kanten erleichtern die Montage (das zumindest teilweise Eindringen in die Nut) des deformierbaren Sperrelements und verhindern Beschädigungen des Sperrelements durch scharfe Kanten. Hierbei können wahlweise sämtliche Kanten der Nut verrundet sein oder auch nur solche mit denen das deformierbare Sperrelement während der Montage beziehungsweise der Demontage in Kontakt gelangt.
  • Besonders günstige deformierbare Eigenschaften erreicht man, wenn das Sperrelement zumindest teilweise aus einem Elastomer besteht. Für den Einsatz in einem Heiz- und/oder Kühlkreislauf geeignete Elastomere sind beispielsweise HNBR oder EPDM. Diese können beispielsweise bei Achsen mit Durchmessern von 3-10 mm und insbesondere bei Achsen mit Durchmessern von 6-8 mm vorteilhaft eingesetzt werden.
  • Bei anderen Ausführungsformen der Erfindung, insbesondere bei größeren Achsdurchmessern, können auch Sperrelemente aus Federstahl eingesetzt werden. Solche Sperrelemente können beispielsweise aus einem schraubenförmig gewundenen Draht dessen Windungen aneinander anliegen, geformt sein. Ein solches Sperrelement kann zur Montage in die Nut der Achse, ähnlich einem Ring eines Schlüsselbundes, temporär radial aufgeweitet werden, ohne dass dieses eine plastische Deformation erfährt.
  • Ganz besonders günstig ist es, wenn das Sperrelement aus einem inkompressiblen Werkstoff besteht. Während die Erfindung bereits mit kompressiblen und geschäumten Elastomeren realisierbar ist, sofern diese eine ausreichende Festigkeit bzw. Härte (z.B. Shorehärte) aufweisen, ist es nochmals günstiger, wenn das gewählte Elastomer inkompressibel ist. In diesem Fall kann das deformierbare Sperrelement durch die vom zweiten Lager ausgeübten radialen Kräfte besonders effektiv in die Nut hinein bewegt werden und somit für einen besonders sicheren Halt des zweiten Lagers auf der Achse Sorge tragen.
  • Für besonders langlebige Fluidpumpen ist bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung vorgesehen, dass das zweite Lager aus einem keramischen Werkstoff besteht. Das zweite Lager kann somit eine besonders glatte und reibungsarme Kontaktstelle zum Rotor ausbilden. Die Kontaktstelle weist neben dem niedrigen Reibungskoeffizienten gleichzeitig eine besonders hohe Verschleißfestigkeit auf. Die so gestaltete Fluidpumpe ist daher besonders verschleißarm, energiesparend und langlebig. Bei der Herstellung des zweiten Lagers aus einem keramischen Werkstoff kann neben der reibungsarmen Kontaktstelle zum Rotor zusätzlich eine Anlagefläche, die im Kontakt mit dem deformierbaren Sperrelement steht, mit einer erhöhten Rauhigkeit gestaltet werden. Die erhöhte Oberflächenrauhigkeit zwischen dem deformierbaren Sperrelement und dem zweiten Lager verhindert während des laufenden Betriebs der Fluidpumpe ein unbeabsichtigtes Verdrehen des zweiten Lagers relativ zum deformierbaren Sperrelement. Eine derartige dauerhafte Relativbewegung zwischen beiden Bauteilen würde langfristig zu einer unnötigen Abnutzung somit einem vorzeitigen Verschleiß an einem der Bauteile oder sogar an beiden Bauteilen führen. Dies kann damit jedoch zuverlässig verhindert werden.
  • Bei einer weiteren besonders preiswerten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das zweite Lager aus einem Kunststoffwerkstoff besteht. Dabei kommen als Kunststoffwerkstoffe vorzugsweise Duroplast und Thermoplaste zur Anwendung. Insbesondere vorteilhaft können unverstärkte Duroplaste, verstärkte Thermoplaste oder duroplastgebundene Graphite für die vorliegenden Erfindung eingesetzt werden. Solche Kunststoffwerkstoffe können verwendet werden, wenn beispielsweise nur geringe axiale Kräfte abgestützt werden müssen.
  • Bei einer anderen vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass das zweite Lager aus einem metallischen Werkstoff besteht. Soll die Fluidpumpe beispielsweise bei sehr hohen Temperaturen eingesetzt werden, kann es vorteilhaft sein das zweite Lager aus Metall zu fertigen. Metalle weisen eine höhere Härte als Kunststoffe auf, sind temperaturbeständig und können günstig zu zweiten Lagern verarbeitet werden. Dies kann etwa durch Stanzen, spannende Verfahren oder dem Sintern von Pulvermetallen geschehen. Alternativ können die Metalle auch mittels einer Metall-Einspritz-Verfahrens, auch bekannt als Metal-Injection-Moulding (MIM) verarbeitet werden.
  • Metallische Werkstoffe haben zudem im unbehandelten Zustand eine relativ große Oberflächenrauhigkeit, durch die eine unbeabsichtigte Relativbewegung zwischen dem zweiten Lager und verformbarem Sperrelement vermieden wird.
  • Für eine zusätzliche Verhinderung dieser Relativbewegung kann vorteilhafter Weise zwischen dem zweiten Lager und dem Sperrelement eine Drehbremse angeordnet sein. Eine solche Drehbremse kann beispielsweise durch radial Stege auf der Anlagefläche des zweiten Lagers zum deformierbaren Sperrelement oder durch gezielte Gratbildung oder Rauheiten an gestanzten metallischen zweiten Lagern ausgebildet sein. Neben der Gratbildung besteht beim Stanzen auch die Möglichkeit Vertiefungen oder Ausklinkungen im Metall auszubilden, die dann formschlüssig in das dazu komplementär geformte Sperrelement eingreifen und dadurch als Drehbremse wirken. Hierdurch kann eine unbeabsichtigte Relativbewegung zwischen dem deformierbaren Sperrelement und dem zweiten Lager zuverlässig vermieden werden.
  • Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren besonders bevorzugte Ausführungsvarianten der Erfindung zeigen, auf die sie jedoch nicht beschränkt ist. In der Zeichnung zeigt:
    • Fig. 1: eine schematische Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Fluidpumpe;
    • Fig. 2: eine Schnittansicht durch ein zweites Lager mit deformierbarem Sperrelement;
    • Fig. 3a: eine erste Ausführungsform eines zweiten Lagers;
    • Fig. 3b: eine zweite Ausführungsform eines zweiten Lagers; und
    • Fig. 4: eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform mit verrundeter Nut.
  • In Figur 1 ist eine erfindungsgemäße Fluidpumpe 1 in einer axialen Schnittansicht dargestellt. Die Fluidpumpe 1 umfasst ein Pumpengehäuse 2 mit einem Zulaufstutzen 3 und einem Ablaufstutzen 4 auf. In dem Pumpengehäuse 2 ist ein Stator 5 angeordnet, der durch eine Wand bzw. eine Haube 6 vom flüssigkeitsführenden Bereich der Fluidpumpe 1 getrennt ist. In der Haube 6 ist eine Achse 7 feststehend montiert. Auf der Achse 7 ist ein Rotor 8 montiert, der mit einem Flügelrad 9 verbunden ist und mittels eines ersten Lagers 10 in radialer Richtung zur Achse 7 gelagert und geführt ist. Während des Betriebs der Fluidpumpe 1 wird Fluid über den Zulaufstutzen 3 angesaugt und durch die rotierenden Flügel des Flügelrads 9 in Richtung des Ablaufstutzens 4 umgelenkt. Dabei erzeugt das Flügelrad 9 eine Axialkraft in Richtung des Pfeils 11. Zur Aufnahme der Axialkraft und deren Abstützung ist ein zweites Lager 12 auf der Achse 7 angeordnet. Das zweite Lager 12 ist scheibenförmig ausgebildet und dient zur axialen Lagerung des Flügelrads 9 und gleichzeitig zur Einleitung der Axialkraft in die Achse 7. Hierzu ist ein deformierbares Sperrelement 13 an einem freien Ende 15 der Achse 7 in einer Nut 14 vorgesehen. Das deformierbare Sperrelement 13 ist bei der gezeigten Ausführungsform als O-Ring ausgebildet, der in die obere Nut 14 eingesetzt ist und einen hohen Reibwert gegenüber der Achse 7 und dem zweiten Lager 12 besitzt. Die Achse 7 kann gegenüberliegend am montierten Ende 23 eine weitere Nut aufweisen, über die die Achse 7 in der Haube 6 gesichert ist, wobei die beiden Nuten gleich ausgeführt sein können.
  • Gut erkennbar ist hierbei, dass die Achse 7 symmetrisch ausgebildet ist und über zwei umlaufende Nuten 14 verfügt, sodass ein falsch positionierter Einbau der Achse 7 nicht möglich ist.
  • Die Figur 2 zeigt eine vergrößerte Darstellung einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform, bei der die Achse 7 eine konisch bzw. trapezförmig zulaufende Nut 14 aufweist. In der Nut 14 ist das deformierbare Sperrelement 13 eingesetzt, dass als elastomerer O-Ring ausgebildet ist. Das Flügelrad 9 übt über das erste Lager 10 eine Axialkraft (Pfeil 11) auf das zweite Lager 12 aus. Das zweite Lager 12 ist ringförmig gestaltet und weist einen zylindrischen Bohrungsabschnitt 16, einen konischen Bohrungsabschnitt17 und eine Oberkante 18 auf. Der zylindrische Bohrungsabschnitt 16 und der konische Bohrungsabschnitt 17 bilden einen Durchbruch 19 durch den die Achse 7 hindurch ragt. Wird nun das zweite Lager 12 aufgrund der Axialkraft in Richtung des Pfeils 11 bewegt, gelangt zunächst der konische Bohrungsabschnitt 17 in Anlage zu dem deformierbaren Sperrelement 13.
  • Mit dem Erreichen dieses Kontaktzustands wird die Axialkraft über den konischen Bohrungsabschnitt 17 in eine rechtwinklig dazu wirkende radiale Richtung umgelenkt und presst das deformierbare Sperrelement 13 mit zunehmender Bewegung des zweiten Lagers 12 in Richtung des Pfeils 11 in radialer Richtung in die Nut 14. Je größer folglich die Axialkraft ist, desto größer wird die Haltekraft des in die Nut 14 eingepressten Sperrelements 13. Da das deformierbare Sperrelement 13 als inkompressibler O-Ring ausgebildet ist, und die Querschnittsfläche des O-Rings größer als die der zugehörigen Nut 14 ist, verbleibt im verbauten Zustand stets ein Überstand des O-Rings über die Nut 14 über welchen die axialen Kräfte des Flügelrads 9 in die Achse 7 eingeleitet werden können.
  • In Figur 3a ist eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform eines zweiten Lagers 12 in einer teilweisen axialen Schnittdarstellung gezeigt. Das zweite Lager 12 ist wiederum ringförmig mit einem Durchbruch 19 ausgebildet und umschließt die Achse 7. Zwischen der Achse 7 und dem zweiten Lager 12 wird ein deformierbares Sperrelement 13 vom zweiten Lager 12 in radialer Richtung 20 in die Nut 14 gepresst. Der Durchbruch 19 ist bei dieser Ausführungsform als konischer Bohrungsabschnitt 16 ausgeführt. Der verwendete Konus ist mit einem Winkel 22 in Richtung des freien Endes 15 geöffnet. Dies bedeutet, dass ein Öffnungsquerschnitt des Durchbruchs 19 im Bereich der Oberkante 18 größer ist als der Öffnungsquerschnitt des Durchbruchs 19 im Bereich einer Unterkante 21. Der Öffnungsquerschnitt wird dabei in einer Ebene betrachtet, deren normalen Richtung parallel zur Längsachse der Achse 7 ausgerichtet ist. Im Sinne der möglichst einfachen Montage kann der Durchbruch 19 im Bereich der Unterkante 21 ein leichtes Übermaß gegenüber der Achse 7 aufweisen. Dieses Übermaß erleichtert das Aufstecken des zweiten Lagers auf die Achse 7 und kann über den Toleranzausgleich des deformierbaren Sperrelements 13 ausgeglichen werden.
  • Die Figur 3b zeigt eine weitere Ausführungsform bei der das zweite Lager 12 einen Durchbruch 19 aufweist, der im unteren Bereich als zylindrischer Bohrungsabschnitt 16 ausgeführt ist. Dieser zylindrische Bohrungsabschnitt 16 endet jedoch vor dem Erreichen der Oberkante 18, wobei zur Überwindung eines Durchmessersprungs vom kleineren Durchmesser im Bereich der Unterkante 21 auf den größeren Durchmesser im Bereich der Oberkante 18 ein freigeformter flächiger, beispielsweise kalottenförmiger Übergang vorgesehen ist, der so konturiert ist, dass das Sperrelement 13 von diesem eng umschlossen wird und mit zunehmender Bewegung des zweiten Lagers 12 in Richtung des Pfeils 11 in die Nut 14 verpresst wird.
  • Schließlich ist in Figur 4 noch eine Ausführungsform dargestellt, bei der die Nut 14 verrundete Kanten besitzt. Die Kanten sind dabei mit einem Radius R verrundet, sodass eine Montage bzw. Demontage des Sperrelements 13 einfach und beschädigungsfrei erfolgen kann.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Fluidpumpe
    2
    Pumpengehäuse
    3
    Zulaufstutzen
    4
    Ablaufstutzen
    5
    Stator
    6
    Haube
    7
    Achse
    8
    Rotor
    9
    Flügelrad
    10
    erstes Lager
    11
    Pfeil
    12
    zweites Lager
    13
    Sperrelement
    14
    Nut
    15
    freies Ende
    16
    zylindrischer Bohrungsabschnitt
    17
    konischer Bohrungsabschnitt
    18
    Oberkante
    19
    Durchbruch
    20
    radiale Richtung
    21
    Unterkante
    22
    Winkel
    23
    montiertes Ende
    R
    Radius

Claims (8)

  1. Fluidpumpe (1) mit einem elektrischen Antrieb, insbesondere eine Fluidpumpe (1) für einen Kühl- und/oder Heizkreislauf eines Kraftfahrzeugs, mit einem Stator (5), einer mit einem Pumpengehäuse (2) verbundenen Achse (7) und einem auf der Achse (7) angeordneten Rotor (8), der ein Flügelrad (9) aufweist und mittels eines radial wirkenden ersten Lagers (10) auf der Achse (7) gelagert ist, wobei die Achse (7), der Stator (5) und der Rotor (8) im Pumpengehäuse (2) angeordnet sind und die Achse (7) an einem freien Ende (15) eine umlaufende Nut (14) aufweist, wobei in der Nut (14) ein deformierbares Sperrelement (13) und zwischen dem Sperrelement (13) und dem Rotor (8) ein axial wirkendes zweites Lager (12) für den Rotor (8) angeordnet ist, und wobei das zweite Lager (12) dazu ausgebildet ist, eine vom Rotor (8) erzeugte axial wirkende Kraft (11) über das deformierbare Sperrelement (13) in die Achse (7) einzuleiten; dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Lager (12) einen Durchbruch (19) zur Aufnahme der drehfesten Achse (7) aufweist und der Durchbruch (19) über dessen Verlauf entlang der axialen Richtung der Achse (7) unterschiedlich große Öffnungsquerschnitte aufweist; wobei die Öffnungsquerschnitte des Durchbruchs (19) mit wachsendem Abstand vom freien Ende (15) kleiner werden; wobei durch die unterschiedlich großen Öffnungsquerschnitte des Durchbruchs (19) eine in radialer Richtung (20) zur Achse (7) wirkende Kraft vom zweiten Lager (12) auf das deformierbare Sperrelement (13) ausübbar ist.
  2. Fluidpumpe (1) nach Anspruch 1, wobei der Durchbruch als konischer Bohrungsabschnitt (16) ausgeführt ist.
  3. Fluidpumpe (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Sperrelement (13) zumindest teilweise aus einem Elastomer besteht.
  4. Fluidpumpe (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei das Sperrelement (13) aus einem inkompressiblen Werkstoff besteht.
  5. Fluidpumpe (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das zweite Lager (12) aus einem keramischen Werkstoff besteht.
  6. Fluidpumpe (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das zweite Lager (12) aus einem Kunststoffwerkstoff besteht.
  7. Fluidpumpe (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das zweite Lager (12) aus einem metallischen Werkstoff besteht.
  8. Fluidpumpe (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zwischen dem zweiten Lager (12) und dem Sperrelement (13) eine Drehbremse angeordnet ist.
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