Regelbare Kühlmittelpumpe Beschreibung

Gebiet der Erfindung Die Erfindung betrifft eine regelbare Kühlmittelpumpe für einen Kühlkreislauf einer Brennkraftmaschine, mit einer hohlen, in einer Lagerhülse aufgenommenen Lagerwelle, die an einem Ende ein Antriebsrad trägt und an ihrem gegenüberliegenden Ende fest mit einem Flügelrad verbunden ist, das stirnseitig eine Anschlagfläche aufweist, wobei der Raum zwischen Anschlagfläche und Flügel- rad als Förderquerschnitt für ein Kühlmedium ausgebildet ist und in der hohlen Lagerwelle ein von einer Stelleinheit axial verschiebbarer Kolben angeordnet ist, der an seinem äußeren Ende eine Leitscheibe aufweist, die eine Auskragung zum vollständigen oder teilweisen Verschließen des Förderquerschnitts in Abhängigkeit der Stellung des Kolbens aufweist.

Hintergrund der Erfindung

Im Bereich der Brennkraftmaschinen haben sich überwiegend wassergekühlte Motoren durchgesetzt. Dabei wird Kühlwasser mit Hilfe einer Kühlmittelpumpe in einem geschlossenen Kreislauf durch Kühlkanäle im Bereich der Zylinder zum Kühlen der Bremskraftmaschine gepumpt und anschließend zu einem Luft- Wasser-Kühler gefördert, wo das erwärmte Wasser mittels des Fahrtwindes wieder herabgekühlt wird. Die zum Zirkulieren des Kühlwassers nötige Pumpe ist üblicherweise über einen Riemen mit einer Riemenscheibe der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine verbunden.

Diese direkte Kopplung der Kühlmittelpumpe und der Kurbelwelle bewirkt, dass die Drehzahl der Pumpe von der Drehzahl der Brennkraftmaschine abhängig ist. Dies hat zur Folge, dass im hohen Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine ein entsprechend großer Volumenstrom durch die Pumpe zur Verfügung gestellt wird, welcher in diesem Ausmaß nicht zur Kühlung benötigt wird. Beim Kaltstart der Brennkraftmaschine tritt hingegen das Problem auf, dass sofort Kühlmittel durch die Kühlkanäle zirkuliert, wodurch die Erwärmung der Brennräume behindert und somit das Erreichen einer optimalen Betriebstemperatur verzögert wird.

Aus der DE 10 2008 046 424 A1 ist eine gattungsgemäße regelbare Kühlmittel- pumpe bekannt. Bei dieser Kühlmittelpumpe ist zwischen Flügelrad und einer Anschlagfläche eine Leitscheibe mit einer zum Flügelrad korrespondierenden Kontur angeordnet, welche über das Flügelrad und die Anschlagfläche verbindende Axialstege geführt und mittels eines innerhalb der Hohlwelle platzierten Kolbens durch eine Stelleinheit axial verschiebbar ist.

Die Leitscheibe weist an ihrem Außenrand eine Auskragung auf, mit der sie in Abhängigkeit der Stellung zwischen Flügelrad und Anschlagfläche einen Ringkanal eines Pumpengehäuses verdeckt. Somit kann der Ringkanal ganz oder teilweise verdeckt werden, so dass keine Kühlflüssigkeit durch Kühlkanäle ge- pumpt wird. Die axiale Positionierung des Kolbens erfolgt mittels eines Magnets. Obwohl sich diese herkömmliche Kühlmittelpumpe grundsätzlich bewährt hat, wird eine Kühlmittelpumpe benötigt, deren Regelbarkeit verbessert ist.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine regelbare Kühlmittelpum- pe anzugeben, deren Regelbarkeit verbessert ist, insbesondere beim Kaltstart.

Zusammenfassung der Erfindung

Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einer regelbaren Kühlmittelpumpe der ein- gangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Stelleinheit einen mittels eines elektromechanischen Stellelements um eine Drehachse schwenkbaren Ausrückhebel aufweist, durch dessen Verschwenkung der Kolben axial positionierbar ist. Erfindungsgemäß kann die Regelbarkeit der Kühlmittelpumpe wesentlich verbessert werden, indem ein Ausrückhebel vorgesehen wird, der einerseits mit dem elektromechanischen Stellelement als Antrieb und andererseits mit dem Kolben gekoppelt oder verbunden beziehungsweise verbindbar ist. Der Ausrückhebel kann einen ersten Hebelarm und einen zweiten Hebelarm aufweisen und ist um eine Drehachse schwenkbar. Somit kann eine Betätigung, also eine Verstellung des Kolbens und damit eine Regelung der Förderleistung auf einfache Weise dadurch erfolgen, dass das Stellelement auf einen Hebelarm des Ausrückhebels einwirkt, wodurch der Ausrückhebel um die Drehachse geschwenkt wird. Der andere Hebelarm verstellt beim Verschwenken den Kolben, wodurch der Förderquerschnitt für das Kühlmedium eingestellt oder verändert wird. Alternativ kann der Hebel einen einzigen Hebelarm aufweisen und um ein Hebelende schwenkbar sein.

Bei der erfindungsgemäßen Kühlmittelpumpe wird es bevorzugt, dass der Ausrückhebel schwenkbar an der Lagerhülse angeordnet ist. Der Ausrückhebel kann vorzugsweise ortsfest an der Lagerhülse angeordnet sein, so dass er um seinen Befestigungspunkt schwenkbar ist. Der Befestigungspunkt ist vorzugs- weise als Lagerstelle ausgebildet. Hinsichtlich der Befestigung des Ausrückhebels kommen grundsätzlich zwei Positionen an der Lagerhülse in Frage. Der Ausrückhebel kann entweder in der Nähe der Stelleinheit an der Lagerhülse befestigt sein, alternativ kann der Ausrückhebel an einer von der Stelleinheit entfernten Position der Lagerhülse, am entgegengesetzten Ende der Lagerhül- se, befestigt sein.

Eine besonders zuverlässige Funktion ergibt sich bei der erfindungsgemäßen Kühlmittelpumpe, wenn zwischen dem zweiten Hebelarm des Ausrückhebels und dem Kolben ein Axiallager angeordnet ist. Das Axiallager dient zur Dreh- zahlentkopplung von Ausrückhebel und Kolben. Vorzugsweise umfasst das Axiallager zwei Scheiben, zwischen denen Wälzkörper angeordnet sind. Im einfachsten Fall können die Wälzkörper durch eine weitere Scheibe oder dergleichen ersetzt sein. Eine Scheibe des Axiallagers berührt den zweiten Hebel- arm des Ausrückhebels, die andere Scheibe des Wälzlagers berührt den Kolben, der einen Querstift oder dergleichen aufweisen kann. Sofern sich der Kolben dreht, wird die Drehbewegung von der mit dem Kolben verbundenen Scheibe des Axiallagers aufgenommen, indem diese Scheibe ebenfalls in Dre- hung versetzt wird. Dabei werden die Wälzkörper zwischen den beiden Scheiben des Axiallagers in Drehung versetzt, die dem Ausrückhebel zugeordnete Scheibe des Axiallagers wird jedoch nicht in Drehung versetzt, wodurch die gewünschte Drehzahlentkopplung realisiert wird. Im Rahmen einer Weiterbildung der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass der zweite Hebelarm des Ausrückhebels zwei voneinander beabstandete Endabschnitte aufweist, die an dem Axiallager, insbesondere an einer Scheibe des Axiallagers, anliegen. Dabei kann es vorgesehen sein, dass der zweite Hebelarm des Ausrückhebels gabelförmig ausgebildet ist und einen vergrößerten Bereich zwischen Endabschnitten der Gabel aufweist, wobei die Antriebswelle und der Kolben im Inneren der Lagerwelle angeordnet sind.

Es liegt auch im Rahmen der Erfindung, dass das elektromechanische Stellelement eine auf den Ausrückhebel einwirkende axial verschiebbare Spindel aufweist. Mittels einer Spindel ist eine besonders präzise Verstellung des Kolbens möglich, so dass der Förderquerschnitt für das Kühlmedium exakt gesteuert oder geregelt werden kann.

Es wird besonders bevorzugt, dass die Spindel mit einer von einem Elektromo- tor angetriebenen Spindelmutter gekoppelt ist. Der Elektromotor und die Spindelmutter sind ortsfest angeordnet, bei einer Drehung der Abtriebswelle des Elektromotors wird die Spindelmutter gedreht, wodurch die Spindel axial verschoben wird. Der Elektromotor der erfindungsgemäßen Kühlmittelpumpe kann ein mit der Spindelmutter kämmendes Ritzel aufweisen, auf diese Weise kann eine Übersetzung der Drehzahlen des Elektromotors und der Spindel realisiert werden. Eine besonders ausfallsichere Variante der regelbaren Kühlmittelpumpe ergibt sich, wenn sie ein zweites, von dem ersten elektromechanischen Stellelement unabhängiges elektromechanisches Stellelement zum Verschwenken des Ausrückhebels umfasst. Das zweite elektromechanische Stellelement kann entwe- der alternativ zu dem ersten elektromechanischen Stellelement betätigt werden, andererseits kann es dann zum Einsatz kommen, wenn das erste elektromechanische Stellelement einen Defekt aufweist.

Um eine hochgenaue axiale Positionierung des Kolbens und damit eine genaue Einstellung des Förderquerschnitts zu ermöglichen, kann die erfindungsgemäße Kühlmittelpumpe einen Sensor zum Erfassen der axialen Position des Kolbens umfassen. Vorzugsweise ist der Sensor zum berührungslosen Erfassen der Position ausgebildet. Kurze Beschreibung der Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigt: Figur 1 eine herkömmliche regelbare Kühlmittelpumpe in einer geschnittenen Ansicht;

Figur 2 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Kühlmittelpumpe in einer geschnittenen Ansicht;

Figur 3 die in Figur 2 gezeigte Kühlmittelpumpe bei ausgelenktem Kolben;

Figur 4 eine in Querrichtung geschnittene Ansicht der in den Figuren 2 und 3 gezeigten Kühlmittelpumpe;

Figur 5 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Kühlmittelpumpe; Figur 6 die in Figur 5 gezeigte Kühlmittelpumpe in ausgelenktem Zustand;

Figur 7 eine in Querrichtung geschnittene Ansicht der in den Figuren 5 und 6 gezeigten Kühlmittelpumpe;

Figur 8 ein drittes Ausführungsbeispiel einer Kühlmittelpumpe in einer geschnittenen Ansicht;

Figur 9 die in Figur 8 gezeigte Kühlmittelpumpe in ausgelenktem Zustand;

und

Figur 10 einen weiteren Betriebszustand der in den Figuren 8 und 9 ge- zeigten Kühlmittelpumpe.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnung

Der Aufbau und die Wirkungsweise einer regelbaren Kühlmittelpumpe wird anhand von Figur 1 erläutert. Figur 1 zeigt eine geschnittene Ansicht einer herkömmlichen Kühlmittelpumpe 1 mit einer in einem Pumpengehäuse 2 gelager- ten Lagerwelle 3, die an einem Ende ein Antriebsrad 4 trägt und an ihrem anderen Ende fest mit einem Flügelrad (Laufrad) 5 verbunden ist. Stirnseitig weist das Flügelrad 5 eine Anschlagfläche 6 auf, der Raum zwischen Anschlagfläche 6 und Flügelrad 5 ist als Förderquerschnitt für ein Kühlmedium, insbesondere Kühlwasser, ausgebildet. In der hohlen Lagerwelle 3 ist ein von einer Stellein- heit (nicht gezeigt) axial verschiebbarer Kolben 7 angeordnet, der an seinem äußeren Ende eine Leitscheibe 8 aufweist, die eine Auskragung 9 zum vollständigen oder teilweisen Verschließen des Förderquerschnitts in Abhängigkeit der Stellung des Kolbens 7 aufweist.

In der in Figur 1 gezeigten Stellung des Kolbens 7 ist der Förderquerschnitt zwischen den Pfeilen 10 freigegeben. Wenn der Kolben 7 durch ein elektrome- chanisches Stellelement in Richtung der Anschlagfläche 6 verschoben wird, wird der Förderquerschnitt verringert oder ganz geschlossen. Auf diese Weise kann der Kühlmittelstrom, der in Kühlkanäle einer Brennkraftmaschine gepumpt wird, gesteuert oder geregelt werden.

Nach dem Start der Brennkraftmaschine wird das über einen Riemen mit der Kurbelwelle gekoppelte Antriebsrad 4 in Drehung versetzt. Dementsprechend dreht die Lagerwelle 3 das Flügelrad 5, so dass Kühlmittel gefördert wird. Beim Kaltstart ist eine Förderung des Kühlmittels jedoch zunächst unerwünscht, so dass der Kolben 7 in Richtung des Flügelrads 5 verschoben wird, wodurch der Förderquerschnitt geschlossen wird. In diesem Zustand wird kein Kühlmittel gefördert, wodurch die Erwärmung des Motors beschleunigt wird. Während des normalen Betriebs ist der Förderquerschnitt teilweise oder ganz freigegeben, so dass das Kühlmittel durch Kühlkanäle der Brennkraftmaschine gepumpt wird und den Motor kühlt. Die nachfolgenden Ausführungsbeispiele von Kühlmittelpumpen sind grundsätzlich wie die in Figur 1 gezeigte Kühlmittelpumpe aufgebaut, einzelne Bestandteile, die für das Verständnis der Erfindung keine Rolle spielen, sind jedoch in den zugehörigen Zeichnungen aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt. Insbesondere sind das Antriebsrad, das Flügelrad sowie die Leitscheibe aus Vereinfachungsgründen weggelassen worden.

Figur 2 zeigt eine Kühlmittelpumpe 1 1 in einer geschnittenen Ansicht. Eine hohle Lagerwelle 12 nimmt einen axial verschiebbaren Kolben 13 auf. Die Lagerwelle 12 ist mittels Wälzlagern 14 in einer Lagerhülse 15 gelagert.

Die Kühlmittelpumpe 1 1 umfasst einen Ausrückhebel 16, der um eine Drehachse 17 schwenkbar ist. Ein erster Hebelarm 18 des Ausrückhebels 16 ist mittels eines elektromechanischen Stellelements verschwenkbar. Das elektromechani- sche Stellelement umfasst einen Elektromotor 19, dessen Abtriebswelle 20 ein Ritzel 21 umfasst, das mit einer Spindelmutter 22 kämmt. Bei einer Drehung der Spindelmutter 22 wird eine Spindel 23 axial verschoben, ein Ende der Spindel 23 beaufschlagt den ersten Hebelarm 18 des Ausrückhebels 16, wodurch der Ausrückhebel 16 um seine Drehachse 17 geschwenkt wird. Ein zweiter Hebelarm 24 des Ausrückhebels 16 wirkt auf ein Axiallager 25 ein. Der zweite Hebelarm 24 und das Axiallager 25 befinden sich innerhalb der Lagerhülse 15 im Gegensatz zu dem ersten Hebelarm 18 des Ausrückhebels 16, der sich außerhalb der Lagerhülse 15 befindet. Im Bereich der Drehachse 17 weist die Lagerhülse 15 eine Ausnehmung auf, die von dem Ausrückhebel 16 durchsetzt wird.

Das Axiallager 25 umfasst eine erste Scheibe 26, Wälzkörper 27 und eine zwei- te Scheibe 28, die mit einem Querstift 29 verbunden ist, der den Kolben 13 in Querrichtung durchsetzt. Auf diese Weise ist die erste Scheibe 26 des Axiallagers 25 mit dem Ausrückhebel 16 in Kontakt, die zweite Scheibe 28 des Axiallagers 25 ist mit dem Querstift 29 und damit mit dem Kolben 13 in Kontakt. Die Wälzkörper 27 können im einfachsten Fall durch eine Scheibe ersetzt sein.

Figur 2 zeigt die Kühlmittelpumpe bei geöffnetem und freigegebenem Förderquerschnitt, so dass das Kühlmittel in Kühlkanäle gepumpt wird. Wenn der Förderquerschnitt verkleinert oder geschlossen werden soll, wird das elektro- mechanische Stellelement betätigt. Die Abtriebswelle 20 des Elektromotors 19 dreht das Ritzel 21 , wodurch die Spindelmutter 22 gedreht wird. Dementsprechend wird die Spindel 23 axial verschoben, in der in Figur 2 gezeigten Ansicht nach links. Dadurch wird der Ausrückhebel 16 aus der in Figur 2 gezeigten Stellung in die in Figur 3 gezeigte Stellung verschwenkt. Der Ausrückhebel 16 schwenkt um die Drehachse 17. Der zweite Hebelarm 24 des Ausrückhebels 16 liegt an der Scheibe 26 des Axiallagers an und drückt dieses in der in Figur 3 gezeigten Ansicht nach rechts. Da die zweite Scheibe 28 des Axiallagers 25 mittels des Querstifts 29 mit dem Kolben 13 gekoppelt ist, wird der Kolben 13 axial verschoben, in der in Figur 3 gezeigten Ansicht nach rechts. Da sich am Ende des Kolbens eine Leitscheibe (nicht gezeigt) befindet, wird der Förder- querschnitt verkleinert oder geschlossen. Figur 4 zeigt eine in Querrichtung geschnittene Ansicht der Kühlmittelpumpe 1 1 . Man erkennt, dass der schematisch dargestellte zweite Hebelarm 24 des Ausrückhebels 16 gabelförmig ausgebildet ist und die Scheibe 26 berührt. Figur 5 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer Kühlmittelpumpe in einer geschnittenen Ansicht. Der Aufbau und die Funktion der in Figur 5 gezeigten Kühlmittelpumpe 30 entspricht grundsätzlich derjenigen des ersten Ausführungsbeispiels, übereinstimmende Bauteile und deren Wirkungsweise werden daher an dieser Stelle nicht nochmals erläutert.

Im Unterschied zu dem vorangegangenen Ausführungsbeispiel befindet sich die Drehachse 31 des Ausrückhebels 32 an einer von dem Stellelement entfernten Position der Lagerhülse 15. Der Ausrückhebel 32 ist an einem dem Stellelement gegenüberliegenden Punkt gelenkig gelagert.

Figur 7 zeigt eine in Querrichtung geschnittene Ansicht der Kühlmittelpumpe 30, in der gezeigt ist, dass der Ausrückhebel 32 gabelförmig ausgebildet ist und einen mittleren Bereich mit vergrößertem Durchmesser aufweist, wobei die Lagerwelle 12 und der Kolben 13 von dem Ausrückhebel 32 umschlossen werden.

Um den Förderquerschnitt einzustellen, wird der Elektromotor 19 betätigt. Dementsprechend wird die Spindel 23 verschoben, in der in Figur 5 gezeigten Ansicht nach rechts. Die Spindel 23 wirkt auf den Ausrückhebel 32 und schwenkt diesen um seine Drehachse 31 im Uhrzeigersinn. Ein mittlerer, zum Axiallager 25 konvex gewölbter Abschnitt 33 des Ausrückhebels 32 berührt das Axiallager 25 und verschiebt dieses in der in Figur 5 gezeigten Ansicht nach rechts. Wegen der Kopplung des Axiallagers 25 mit dem Kolben 13 wird dieser axial aus der Lagerwelle 12 herausgeschoben. Figur 6 zeigt die Kühlmittelpumpe 30 nach der Betätigung durch die Stelleinheit. De Ausrückhebel 32 ist durch die Spindel 23 maximal ausgelenkt worden, das Axiallager 25 wurde innerhalb der Lagerhülse 15 axial nach rechts verschoben. Eine weitere Verschiebung wird jedoch durch den Querstift 29 verhindert. In dieser Position des Kolbens 13 ist der Förderquerschnitt geschlossen, so dass kein Kühlmittel gefördert wird.

Die Figuren 8, 9 und 10 zeigen ein drittes Ausführungsbeispiel einer Kühlmittel- pumpe. Die Kühlmittelpumpe 34 gleicht in ihrem grundsätzlichen Aufbau dem in den Figuren 5 - 7 dargestellten Ausführungsbeispiel, weshalb übereinstimmende Komponenten nicht nochmals im Detail beschrieben werden.

Der Ausrückhebel 35 ist um eine Drehachse 36 schwenkbar, die sich außerhalb der Lagerhülse 15, am Ende der Spindel 37 befindet.

Figur 8 zeigt die Kühlmittelpumpe 34 in einer Grundstellung. Die Verstellung des Kolbens 13 erfolgt analog zu dem vorangegangenen Ausführungsbeispiel mittels des Elektromotors 19 und der Spindel 23. Wenn die Spindel 23 axial bewegt wird, verschiebt der Ausrückhebel 35 über das Axiallager 25 den Kolben 3 in Axialrichtung, in der in Figur 8 gezeigten Ansicht nach rechts, wodurch der Förderquerschnitt verringert und gegebenenfalls geschlossen wird.

Figur 9 zeigt die Kühlmittelpumpe 34 bei voller Auslenkung, die Spindel 23, der Ausrückhebel 35 und der Kolben 13 sind maximal verschoben beziehungsweise ausgelenkt. Da in diesem Zustand kein Kühlmittel gefördert werden kann, wäre ein Ausfall der Stelleinheit, umfassend den Elektromotor, das Ritzel, die Spindelmutter und die Spindel 23, potentiell gefährlich für die Brennkraftmaschine, da dann die Gefahr einer Überhitzung besteht. Um die Ausfallsicherheit zu er- höhen ist daher eine zweite Stelleinheit vorgesehen, die identisch zu der ersten Stelleinheit aufgebaut ist. Dementsprechend umfasst die zweite Stelleinheit einen Elektromotor 38, der über ein Ritzel und eine Spindelmutter die Spindel 37 antreibt. Ein eventueller Ausfall der ersten Stelleinheit kann beispielsweise über eine Widerstandsmessung erfasst werden. Die Position einer Spindel kann mittels eines Positionssensors erfasst werden. Alternativ oder zusätzlich kann auch ein dem Kolben 13 zugeordneter Positionssensor vorgesehen sein. Bei einem erkannten Ausfall der ersten Stelleinheit kann eine Rückstellung in dem Ausgangszustand mittels der zweiten Stelleinheit erfolgen. Dieser Zustand ist in Figur 10 dargestellt. Dort erkennt man, dass die Position der Spindel 23 der ersten Stelleinheit im Vergleich zu dem in Figur 9 dargestellten Zustand unverändert ist. Die Spindel 37 wurde hingegen durch den Elektromotor 38 axial, in der in Figur 10 gezeigten Ansicht nach links, verschoben. Dadurch wurde das die Drehachse 36 bildende Ende des Ausrückhebels 35 nach links verschoben. Daraus resultiert eine Verschiebung des Axiallagers 25 und des Kol- bens 13 nach links, so dass der Förderquerschnitt wieder freigegeben wird. Die zweite Stelleinheit mit dem Elektromotor 38 und der Spindel 37 kann die Regelung der Kühlmittelpumpe übernehmen, wenn die erste Stelleinheit ausgefallen ist.

Bezugszahlenliste

1 Kühlmittelpumpe

2 Pumpengehäuse

3 Lagerwelle

4 Antriebsrad

5 Flügelrad

6 Anschlagfläche

7 Kolben

8 Leitscheibe

9 Auskragung

10 Pfeil

1 1 Kühlmittelpumpe

12 Lagerwelle

13 Kolben

14 Wälzlager

15 Lagerhülse

16 Ausrückhebel

17 Drehachse

18 erster Hebelarm

19 Elektromotor

20 Abtriebswelle

21 Ritzel

22 Spindelmutter

23 Spindel

24 zweiter Hebelarm

25 Axiallager

26 Scheibe

27 Wälzkörper

28 Scheibe

29 Querstift

30 Kühlmittelpumpe

31 Drehachse Ausrückhebel konvexer Abschnitt Kühlmittelpumpe Ausrückhebel Drehachse

Spindel

Elektromotor