Regelbare Pumpe für eine Verbrennungskraftmaschine

Die Erfindung betrifft eine regelbare Pumpe für eine Verbrennungskraftmaschine mit einem Antriebsrad, einer Antriebswelle, welche über das Antriebsrad antreibbar ist, einem Kupplungspumpenrad mit Pumpenschaufeln, welches drehfest auf der Antriebswelle angeordnet ist, einem Kupplungsturbinenrad mit Turbinenschaufeln, welches drehbar auf der Antriebswelle gelagert ist, wobei die Turbinenschaufeln axial gegenüberliegend zu den Pumpenschaufeln angeordnet sind und einem Förderrad, welches fest mit dem Kupplungsturbinenrad verbunden ist. In Verbrennungsmotoren ist es üblich, dass verschiedene Pumpen, wie Kühlmittelpumpen, Ölpumpen oder Vakuumpumpen über Riemen- oder Kettentriebe mit der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors gekoppelt werden, so dass keine zusätzlichen Antriebsaggregate notwendig sind. Um die jeweils notwendige Fördermenge dieser Pumpen den Erfordernissen anzupassen, ist es bekannt, den Durchsatz dieser Pumpen über Regelglieder zu regeln. Um den Energieverbrauch zu reduzieren, werden hierzu in den letzten Jahren Kupplungen verwendet, durch die der Antrieb vom Abtrieb entkoppelt werden kann, so dass nicht gegen einen erhöhten Strömungswiderstand gefördert wird. So ist es bekannt, zwischen das Förderglied der Pumpe und das Antriebsrad Hysteresekupplungen, elektromagnetische Kupplungen oder hydrodynamische Kupplungen anzuordnen.

Einer dieser hydrodynamischen Kupplungen ist die hydrodynamische Kupplung, welche nach dem Föttinger-Prinzip arbeitet. Die Funktion dieser Kupplung beruht darauf, dass zwischen einem angetriebenen Kupplungspumpenrad und einem gegenüberliegenden Kupplungsturbinenrad, die Bewegung des Pumpenrades durch die Dynamik des zwischen den Rädern angeordneten Fluids auf das Kupplungsturbinenrad übertragen wird. Je weniger Fluid zwischen den beiden Rädern ausströmen kann, desto größer ist die Übertragung des Drehmoments vom Kupplungspumpenrad auf das Kupplungsturbinenrad.

Die Verwendung einer solchen Kupplung für eine regelbare Kühlmittelpumpe ist aus der DE 101 42 263 Cl bekannt. Auf der Antriebswelle der Pumpe ist das Kupplungspumpenrad der Föttinger- Kupplung angeordnet. Dieses wirkt mit einem auf der Rückseite eines Förderrades der Kühlmittelpumpe ausgebildeten Kupplungsturbinenrad zusammen. Das Förderrad ist drehbar auf der Antriebswelle gelagert. Das Kupplungspumpenrad enthält radial innenliegende Einströmöffnungen für ein Fluid. Zusätzlich ist am Außenumfang zwischen dem Kupplungsturbinenrad und dem Kupplungspumpenrad ein Spalt ausgebildet, durch den das Fluid ausströmen kann. Zur Regelung der Pumpe ist ein beweglicher Schieber vorgesehen, durch den die Höhe des äußeren Umfangsspaltes regelbar ist. Mit dem Verschluss dieses Spaltes wächst das vom Kupplungspumpenrad auf das Kupplungsturbinenrad übertragene Drehmoment. Die Verstellung erfolgt über ein Thermoelement oder einen externen Steller. Der Aufbau einer derartigen Pumpe ist relativ kompliziert, da viele Teile zu montieren sind und die Herstellung und Montage insbesondere bezüglich des Schiebers und des Kupplungsturbinenrades in engen Toleranzbereichen durchgeführt werden muss.

Es stellt sich daher die Aufgabe, eine regelbare Pumpe für eine Verbrennungskraftmaschine zu schaffen, bei der im Vergleich zu bekannten Ausführungen auf Bauteile verzichtet werden kann und welche mit größeren Toleranzen herstellbar ist. Des Weiteren soll es möglich sein, bei Ausfall des Aktors eine ausreichende Förderung der Pumpe sicherzustellen.

Diese Aufgabe wird durch ein mit den Merkmalen des Hauptanspruchs 1 gelöst.

Dadurch, dass das Kupplungspumpenrad axial verschiebbar zum Kupplungsturbinenrad angeordnet ist, kann auf einen separaten Verstellring verzichtet werden . So werden Bauteile eingespart. Auch muss lediglich die Lage des Kupplungsturbinenrades zum Kupplungspumpenrad passen, um eine gute Drehmomentübertragung sicher zu stellen. Weitere Toleranzen, wie bei der Verwendung eines Stellringes, entfallen . Vorzugsweise ist die drehfeste Verbindung zwischen dem Kupplungspumpenrad und der Antriebswelle durch einen in Umfangsrichtung wirkenden Formschluss hergestellt. So wird auf einfache Weise eine Verschiebbarkeit in Axialrichtung und eine drehmomentübertragende Anbindung zwischen Antriebswelle und Kupplungspumpenrad hergestellt.

Dabei ist es vorteilhaft, wenn auf der Antriebswelle ein Mitnehmer angeordnet ist, der mit der Antriebswelle verbunden ist und über welchen der Formschluss zum Kupplungspumpenrad hergestellt ist. Entsprechend kann auf eine zusätzliche mechanische Bearbeitung der Antriebswelle verzichtet werden, so dass die Herstellung erleichtert wird .

In einer hierzu weiterführenden Ausführung ist der in Umfangsrichtung wirkende Formschluss durch zwei korrespondierende Vielzahnprofile hergestellt, wovon ein Vielzahlprofil an einem Außenumfang der Antriebswelle oder des Mitnehmers und ein Vielzahnprofil an einem Innenumfang des Kupplungspumpenrades ausgebildet ist. Durch die Verwendung eines Vielzahnprofils wird die Kraft zur Übertragung des Drehmomentes gleichmäßig über den Umfang verteilt, wodurch die Haltbarkeit erhöht und Unwuchten vermieden werden.

Vorzugsweise ist am Außenumfang des Kupplungspumpenrades eine umlaufende Nut ausgebildet, in die ein in axialer Richtung verschiebbarer Bolzen eines Aktors greift. Durch Betätigung des Aktors kann so das Kupplungspumpenrad mit einfachen Mitteln auf der Antriebswelle axial verschoben werden.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich dadurch, dass der Aktor eine Drehwelle aufweist, die als Exzenter dient, an dem der Bolzen exzentrisch zur Drehwelle befestigt ist. Ein solcher drehbarer Antrieb ist einfach nach außen abzudichten. Die Verstellung kann über Hebel oder direkt erfolgen.

Ein besonders einfacher Aufbau ergibt sich, wenn die Drehwelle des Exzenters im Gehäuse der Pumpe gelagert ist, wobei zwischen Drehwelle und Gehäuse ein Dichtring angeordnet ist. So kann auf zusätzliche Gehäuse oder andere zusätzlich zu montierende Bauteile verzichtet werden. Die Lagerung und die Abdichtung sind einfach von außen montierbar. Vorteilhafterweise ist das Kupplungspumpenrad über eine Feder in Richtung des Kupplungsturbinenrades belastet. Hierdurch wird bei Ausfall des Aktors eine maximale Förderung des Förderrades sichergestellt, da der Abstand zwischen dem Kupplungspumpenrad und dem Kupplungsturbinenrad zur maximalen Drehmomentübertragung minimiert wird. Dabei wird die Feder vorzugsweise als Schraubenfeder ausgeführt, die sich an der zum Kupplungsturbinenrad axial entgegengesetzten Seite gegen das Kupplungspumpenrad abstützt. Eine derartige Feder ist einfach zu montieren. Auch kann die notwendige Federkraft durch die Verwendung einer entsprechend starken Feder eingestellt werden.

Zur Sicherstellung einer langen Lebensdauer der Kupplung liegt die Feder an ihrem zum Kupplungspumpenrad entgegengesetzten axialen Ende gegen ein Abstützelement an, welches mit der Antriebswelle drehfest verbunden ist. Hierdurch wird eine Relativbewegung zwischen den beiden Anlageflächen der Feder vermieden, so dass eine Belastung der Feder in Umfangsrichtung ausgeschlossen wird.

Eine besonders einfache Montage des Abstützelementes wird erreicht, wenn zur Herstellung der drehfesten Verbindung zwischen der Antriebswelle und dem Abstützelement das Abstützelement zwischen einem Absatz der Antriebswelle und dem Mitnehmer eingeklemmt ist. So kann auf zusätzliche Bauteile zur Herstellung der drehfesten Verbindung verzichtet werden.

Die Antriebswelle ist vorzugsweise über eine Lagereinheit gelagert, welche über eine Gleitringdichtung gegenüber einem Pumpenraum, in dem das Kupplungspumpenrad, das Kupplungsturbinenrad und das Förderrad angeordnet sind, abgedichtet ist. Auf diese Weise wird ein Eindringen der Förderflüssigkeit in die Lagereinheit der Antriebswelle vermieden. Entsprechend können kostengünstige fettgeschmierte Lager zur Wellenlagerung verwendet werden.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist am Außenumfang des Mitnehmers ein Anschlag ausgebildet, über den die axiale Bewegung des Kupplungspumpenrades in Richtung des Kupplungsturbinenrades begrenzt ist. Entsprechend kann auf eine toleranzbehaftete Anordnung zwischen Aktor und Kupplungsturbinenrad verzichtet werden . Die Endlage des Kupplungspumpenrades kann ausschließlich durch den Anschlag der direkt auf das Kupplungspumpenrad wirkt festgelegt werden, wodurch auf einfache Weise eine exakte Festlegung der Endposition erfolgt und Schäden durch eine Berührung zwischen Kupplungspumpenrad und Kupplungsturbinenrad zuverlässig vermieden werden.

Es wird somit eine regelbare Pumpe für eine Verbrennungskraftmaschine geschaffen, welche einfach aufgebaut, leicht zu montieren und mit einfachen M itteln regelbar ist. Die Anzahl der Bauteile wird reduziert. Gleichzeitig wird durch ein vom Aktor unabhängiges Anfahren einer Notlaufposition des Kupplungspumpenrades bei Ausfall des Aktors eine ausreichende Förderung des zu fördernden Fluids durch das Förderrad sichergestellt.

Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Pumpe wird im Folgenden am Beispiel einer Kühlmittelkreiselpumpe anhand der Figuren beschrieben .

Figur 1 zeigt eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Pumpe in geschnittener Darstellung und minimaler Förderung .

Figur 2 zeigt eine perspektivische Ansicht der erfindungsgemäßen Pumpe aus Figur 1 mit teilweise aufgeschnittenem Gehäuse bei minimaler Förderung .

Figur 3 zeigt eine perspektivische Darstellung des Kupplungspumpenrades. Die erfindungsgemäße, in den Figuren dargestellte Kühlmittelpumpe besteht aus einem Antriebsrad 10, welches als Riemenscheibe ausgeführt ist, auf der ein Riemen läuft, der über die Kurbelwelle eines nicht dargestellten Verbrennungsmotors angetrieben wird .

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Das Antriebsrad 10 ist auf einer Nabe 12 befestigt, welche auf das Ende einer Antriebswelle 14 aufgepresst ist. Die Antriebswelle 14 ist über eine Lagereinheit 16 in einem Gehäuse 18 gelagert. Hierzu ist im Gehäuse 18 eine zentrale Aufnahmebohrung 20 ausgebildet, in der die Lagereinheit

10 16 befestigt ist und durch die die Antriebswelle 14 zum zur Nabe 12 gegenüberliegenden axialen Ende des Gehäuses 18 ragt. Die Bohrung 20 wird durch eine Gleitringdichtung 22 in Richtung eines Pumpenraums 24 dicht verschlossen, in dem sich das zu fördernde Kühlmittel befindet und welcher ebenfalls radial durch das Gehäuse 18 begrenzt wird . Die

15 Gleitringdichtung 22 weist sowohl eine axiale Dichtfläche 26 als auch eine radiale Dichtfläche 28 auf, die in der Bohrung 20 angeordnet ist.

Die Antriebswelle 14 weist an der zum Pumpenraum 24 gewandten Seite der Gleitringdichtung 22 einen Absatz 30 auf, gegen den ein Mitnehmer

20 32 unter Zwischenlage eines Abstützelementes 34 anliegt. Der Mitnehmer 32 ist in der gegen den Absatz drückenden Lage fest mit der Abtriebswelle 14 verbunden, insbesondere aufgepresst, so dass das Abstützelement 34 ebenfalls mit der Antriebswelle 14 durch Kraftschluss rotatorisch gekoppelt ist. Auf seinem Außenumfang weist der Mitnehmer

25 32 ein Vielzahnprofil auf, in welches ein korrespondierendes inverses Vielzahnprofil 35 eines Kupplungspumpenrades 36 eingreift, welches an dessen Innenumfang ausgebildet ist und dessen axiale Höhe jedoch kleiner ist als die des Mitnehmers 32, so dass ein in Umfangsrichtung wirkender Formschluss zwischen dem Mitnehmer 32 und dem

30 Kupplungspumpenrad 36 geschaffen wird . Das Kupplungspumpenrad 36 weist radial verlaufende Pumpenschaufeln 38 auf, zwischen denen Pumpkammern 40 gebildet werden, welche jeweils radial und axial an ihrer zur Bohrung 20 gewandten Seite geschlossen ausgebildet sind und eine Halbkreisform aufweisen. An der axial zur Bohrung 20 gewandten Seite weist das Kupplungspumpenrad 36 an seinem Außenumfang eine umlaufende Radialnut 42 auf, in welche ein Bolzen 44 eines Aktors 46 greift. Dieser Bolzen 44 bildet das Ausgangsglied eines Exzenters 48, der im vorliegenden Ausführungsbeispiel durch eine exzentrische Anordnung des Bolzens 44 am Ende einer Drehwelle 50 gebildet wird . Die Drehwelle 50 ist in einer Aufnahmebohrung 52 im Gehäuse 18 über ein Gleitlager 54 gelagert und über einen Dichtring 56 nach außen hin abgedichtet. An der Außenseite ist auf der Drehwelle 50 ein Hebel 58 angeordnet, über den die Drehwelle 50 mit einem nicht dargestellten Aktor verbunden ist, über den sie und mit ihr der Bolzen 44 auf einer Kreisbahn bewegt werden können. Zur axialen Fixierung der Drehwelle 50 wird die Aufnahmebohrung 52 durch einen Deckel 60 verschlossen, durch dessen innere Bohrung 62 die Drehwelle 50 mit einem abgesetzten Ende kleineren Durchmessers, auf dem der Hebel 58 angeordnet ist, ragt.

Des Weiteren liegt an der geschlossenen axialen Seite des Kupplungspumpenrades 36 eine Schraubenfeder 64 vorgespannt gegen das Kupplungspumpenrad 36 an, deren entgegengesetztes axiales Ende gegen eine ringförmige radiale Erweiterung 66 des Abstützelementes 34 anliegt. Durch die Federkraft wird das Kupplungspumpenrad 36 in Richtung eines auf der Antriebswelle 14 gelagerten Kupplungsturbinenrades 68 belastet, wobei die axiale Bewegung des Kupplungspumpenrades 36 durch einen in einer Nut 70 des Mitnehmers 32 befestigten Anschlag 72 in Form eines Ringes begrenzt wird, gegen den das Kupplungspumpenrad 36 anschlagen würde bevor es zu einer Berührung mit dem axial gegenüberliegenden Kupplungsturbinenrad 68 kommen würde.

Das Kupplungsturbinenrad 68 weist sich in Richtung des Kupplungspumpenrades 36 erstreckende Turbinenschaufeln 74 auf, zwischen denen Turbinenkammern 76 ausgebildet sind, welche lediglich zum Kupplungspumpenrad 36 offen sind und diesem gegenüberliegen. Es ist einstückig mit einem Förderrad 78 der als Radialpumpe ausgebildeten Kühlmittelpumpe hergestellt. Das Kupplungsturbinenrad 68 beziehungsweise Förderrad 78 ist auf einer Stahlbuchse 80 befestigt, die in einem als Bundbuchse ausgeführten Gleitlager 82 angeordnet ist. Die Befestigung auf der Antriebswelle 14 erfolgt mittels einer Schraube 84 mit einer Unterlegscheibe 86, die in das Ende der Antriebswelle 14 geschraubt wird, so dass die Unterlegscheibe 86 gegen den Bund der Bundbuchse 82 anliegt. Entsprechend entsteht eine axial feste jedoch drehbewegliche Anordnung des Förderrades 78.

Wird nun die Antriebswelle 14 über das Antriebsrad 10 angetrieben, wird deren Rotation über das Vielzahnprofil des Mitnehmers 32 auf das Kupplungspumpenrad 36 übertragen. Die in den Pumpkammern 40 entstehende Strömung wirkt auf die Turbinenschaufeln 74 des Kupplungsturbinenrades 68, so dass dieses sich mit dem Kupplungspumpenrad 36 dreht. Dies führt zu einer Förderung des Kühlmittels durch das mitdrehende Förderrad 78. Die Rotationsgeschwindigkeit des Kupplungsturbinenrades 68 beträgt maximal der Rotationsgeschwindigkeit des Kupplungspumpenrades 36 und ist abhängig vom Abstand des Kupplungspumpenrades 36 zum Kupplungsturbinenrad 68. Mit steigendem Abstand zwischen den beiden Rädern 36, 68 sinkt die auf das Kupplungsturbinenrad 68 wirkende Kraft, so dass das Kupplungsturbinenrad 68 nur noch mit geringerer Geschwindigkeit gedreht wird. Wie hoch die Rotationsgeschwindigkeit des Förderrades 78 ist, wird über den Aktor 46 eingestellt. Wird der Bolzen 44 derart gedreht, dass er eine Stellung mit maximalem Abstand zum Förderrad 78 aufweist, wird das Kupplungspumpenrad 36 durch den Eingriff des Bolzens 44 in die Nut 42 entgegen der Federkraft der Feder 64 auf dem korrespondierenden Vielzahnprofil des Mitnehmers 32 axial in Richtung der Gleitringdichtung 22 verschoben, wodurch die Bewegungsübertragung zwischen den Rädern 36, 68 der Kupplung minimiert wird und somit auch die Drehgeschwindig keit des Förderrades 78 minimiert wird . Entsprechend wird bei Verstellung aus dieser Maximalposition des Aktors 46 das Kupplungspumpenrad 36 in Richtung des Kupplungsturbinenrades 68 bewegt, wodurch die Bewegungsübertragung wieder zunimmt und mehr Kühlmittel gefördert wird . Entsprechend ist eine kontinuierliche Regelung des Kühlmittelstroms mittels des Aktors 46 möglich.

Sollte dieser Aktor ausfallen, beispielsweise durch Bruch der Gestänge oder Ausfall eines antreibenden Elektromotors, so dass keine Haltkraft durch den Bolzen 44 auf das Kupplungspumpenrad 36 mehr aufgebracht wird, wird das Kupplungspumpenrad 36 durch die Schraubenfeder 64 in Richtung des Kupplungsturbinenrades 68 auf dem Mitnehmer 32 verschoben, so dass eine Notlaufposition erreicht wird, in der eine maximale Förderung durch die Kühlmittelpumpe sichergestellt wird .

Diese Pumpe ist einfach montierbar und mit einfachen Mitteln im gesamten gewünschten Einsatzbereich kontinuierlich regelbar. Auch bei Ausfall des Aktors wird eine ausreichende Kühlmittelförderung sichergestellt. Auf zusätzliche Bauteile zum Verschließen oder Öffnen des Spaltes zwischen Kupplungsturbinenrad und Kupplungspumpenrad kann verzichtet werden. Es sollte deutlich sein, dass der Schutzbereich nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel begrenzt ist, sondern verschiedene konstruktive Modifikationen möglich sind. So muss beispielsweise das Kupplungsturbinenrad nicht einstückig mit dem Förderrad hergestellt werden. Auch die Art und Anordnung der Lagerungen und Dichtungen, Gehäuseteilungen oder die Art des Aktors sind änderbar. Der Mitnehmer kann ebenso einteilig mit der Welle ausgeführt werden wie die Feder als Tellerfederstapel oder ähnlich ausgebildet werden kann.