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Technisches
Gebiet
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Die
Erfindung betrifft Wasserpumpen vom Zentrifugallaufradtyp, die hauptsächlich zur
Verwendung in Dieselmotorkühlsystemen,
insbesondere für Eisenbahnlokomotiven
vorgesehen, aber auch für andere
Zwecke nützlich
sind.
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Hintergrund
der Erfindung
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Es
ist im Stand der Technik bezüglich
Dieselmotorkühlsystemen
bekannt, einen Motor mit einer oder mehreren Zentrifugalwasserpumpen
zu versehen, die jeweils ein Zentrifugalströmungs- oder Diagonalströmungslaufrad
aufweisen, das auf einer Welle getragen und durch ein Antriebsrad
oder ein anderes Antriebsmittel angetrieben wird. Die Welle ist
auf beabstandeten Lagern gelagert, die in einem Gehäuse getragen
und durch einen Ölstrom
aus dem zugehörigen
Motorölsystem
geschmiert sind. Sowohl Kugel- als auch Rollenlager wurden in der
Vergangenheit verwendet, um Drehlagerbelastungen und axiale Schubkräfte, die
auf die Welle wirken, zu tragen.
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Öl, das durch
das Laufradendlager strömt, wird
durch eine/n Abflussleitung oder Kanal in dem Wasserpumpengehäuse an die
Motorölwanne
zurückgeführt. Eine Öldichtung
vom Lippentyp wird herkömmlicherweise
verwendet, um zu verhindern, dass Öl entlang der Welle in den
Wasserlaufradabschnitt der Pumpe strömt. In ähnlicher Weise wurde eine herkömmliche
Kohlenstoff-Wasserdichtung vom Kartuschentyp, die gegen eine ringförmige Dichtungsfläche läuft, verwendet,
um zu verhindern, dass Druckwasser aus dem Laufradende der Pumpe
in die ölgeschmierten
Abschnitte entweicht.
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Eine
Wasserpumpe gemäß dem Oberbegriff von
Abschnitt 1 ist aus der US-A-2 989 925 bekannt.
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Die
US-A-3 838 901 offenbart eine Autowasserpumpen-Teilbaugruppe, die
ein Blechgehäuse umfasst,
welches eine Laufradantriebswelle durch ein Paar von Kugellagergegenstücken, die
in einer abgedichteten Kammer in dem Gehäuse angeordnet sind, drehbar
lagert. Die äußere Lauffläche für eines der
Kugelgegenstücke
ist auf einer Blechwandplatte gelagert, die in der Mitte des Gehäuses angeordnet ist,
und die federnd abgelenkt ist, um die Lagergegenstücke axial
vorzubelasten.
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Die
GB-A-2 046 372 lehrt eine Wasserpumpe, die ein Laufrad umfasst,
das auf einer Welle drehbar montiert und zu der Welle auf der Saugseite
mittels eines axialen Abdichtmittels, welches einen Gleitkontaktring
umfasst, abgedichtet ist. Es gibt zumindest einen Kühlkanal
in dem Laufrad, um Wasser von der Druckseite in Richtung des Gleitkontaktringes
zu lenken, wodurch die axiale Dichtung gekühlt und die Dichtungsfläche gespült wird,
um Gas zu entfernen.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Es
ist ein Ziel der Erfindung, eine Zentrifugalwasserpumpe bereitzustellen,
die eine verlängerte Betriebslebensdauer
aufweist.
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Das
Ziel wird durch eine Wasserpumpe gemäß Anspruch 1 erreicht.
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Die
vorliegende Erfindung sieht einen verbesserten Wasserpumpenaufbau
mit mehreren Merkmalen vor, die kombiniert sind, um eine erhöhte Betriebslebensdauer
für die
Lager- und Verschleißkomponenten
der Pumpe bereitzustellen.
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Die
für Lager-
und Axial- bzw. Druckbelastungen verwendeten Lager sind vorzugsweise
Lager vom Kegelrollenlagertyp, die ein Antriebslager an dem Antriebsradende
umfassen, um Antriebskräfte und
Hauptschubbelastungen, die sich in dem Laufrad entwickeln, aufzunehmen.
Ein Laufrad-Kegelrollenlager
ist in dem Gehäuse
in Richtung des Laufradendes montiert und umfasst einen inneren
Laufring, der unter einem feststehenden Abstand von dem inneren Laufring
des Antriebslagers, dessen äußerer Laufring
in dem Pumpengehäuse
befestigt ist, beabstandet ist.
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Der äußere Laufring
des Laufradlagers ist derart montiert, dass er in dem Gehäuse axial
verschiebbar ist. Ein Federelement wie z. B. eine Wellenfeder ist
in dem Gehäuse
montiert und spannt den äußeren Laufring
in einer Richtung vor, um eine kontrollierte Vorbelastung auf die
Rollenlager bereitzustellen. Die Feder hält die Lager in einem kontrollierten
Vorbelastungszustand, der ausreicht, um kleine Umkehrschubbelastungen,
die in der Pumpe auftreten können,
zu absorbieren. Die Vorbelastung erhöht die Lagerlebensdauer, indem
eine Wellenkonzentrizität
aufrechterhalten und eine Unrundheit oder eine exzentrische Rotation
der Welle vermieden werden, was Lagerbelastungen erhöhen und
Verschleißprobleme
verursachen könnte.
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Ein
weiteres Merkmal ist der Zusatz eines Ölschleuderringes, der an dem
inneren Laufring des Laufradlagers montiert und geeignet ist, Öl, das durch
das benachbarte Lager in eine ringförmige Sammelnut strömt, zentrifugal
zu lenken. Die Nut trägt
das Öl
zu dem inneren Ölablasskanal
der Pumpe. Jegliches Öl,
das an dem Ölschleuderring
vorbei entweicht, berührt
eine Ablenkeinrichtung, die das Öl ebenfalls
in Richtung des Ölablasskanals
lenkt. Die Ablenkeinrichtung bildet einen Teil einer Öldichtung, die
eine herkömmliche
Lippendichtung umfasst, um zu verhindern, dass jegliches zurückbleibendes Öl, das die
Dichtung erreicht, hindurch zu der Wasserseite der Pumpe strömt.
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Ein
noch weiteres Merkmal der verbesserten Wasserpumpe ist eine Wasserdichtung,
die ein feststehendes Dichtungselement umfasst, das in dem Gehäuse montiert
ist und eine an einer radialen Wand gebildete ringförmige Dichtungsfläche aufweist.
Ein drehbares Dichtungselement von herkömmlichem Aufbau dreht sich
mit dem Laufrad und steht mit der radialen Dichtungsfläche in Eingriff,
um zu verhindern, dass Wasser von hinter dem Laufrad in den ölgeschmierten
Abschnitt der Pumpe entweicht.
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Die
Dichtungslebensdauer wird durch das Hinzufügen einer Dichtungsspülanordnung
verbessert, die Hochdruckwasser aus dem Pumpenspiralgehäuse an dem
Auslass des Laufrads empfängt
und dieses durch abgewinkelte Kanäle oder Düsen in einer zylindrischen
Wand des feststehenden Dichtungselements lenkt. Die Düsen sprühen Druckwasser
gegen den äußeren Abschnitt
der Dichtungsfläche,
um Schmutzpartikel des Dichtungsverschleißes wegzuspülen. Dies reduziert die Ansammlung
von Verschleißteilchen,
die auf der Dichtungsoberfläche zurückbleiben
und in der Dichtung eingelagert werden. Das Entfernen der Verschleißpartikel
erhöht
somit die Lebensdauer der Dichtung.
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Diese
und weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der nachfolgenden
Beschreibung bestimmter spezifischer Ausführungsformen der Erfindung
in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen besser verständlich.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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Die
einzige Fig. der Zeichnung ist eine Querschnittsansicht entlang
der Längsachse
der Pumpe und veranschaulicht die verschiedenen verbesserten Merkmale
einer Wasserpumpe gemäß der Erfindung.
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Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsform
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Unter
nunmehriger Bezugnahme auf die Zeichnungen im Detail bezeichnet
die Ziffer 10 allgemein eine Wasserpumpe vom Zentrifugaltyp,
die zur Verwendung in Dieselmotorkühlsystemen oder anderen passenden
Anwendungen geeignet ist. Die Pumpe 10 umfasst ein Gehäuse 12,
welches eine Welle 14 enthält, die auf einer Achse 16 drehbar
ist, die sich durch das Gehäuse
erstreckt. An der Welle ist ein Antriebselement in Form eines Zahnrads 18 montiert, das
benachbart zu einem Antriebsende 20 des Gehäuses 12 getragen
ist.
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Ein
Zentrifugallaufrad 22 ist an einem entgegengesetzten Ende
der Welle benachbart zu einem Laufradende 24 des Gehäuses montiert.
Das Laufrad ist in einem Spiralgehäuse 26 enthalten,
das an dem Laufradende des Gehäuses
getragen ist. Das Spiralgehäuse
umfasst eine axiale Einlassöffnung 28 und einen
radialen Auslass 30, um Wasser oder ein anderes Kühlmittel
in Flügel 32 des
Laufrads zu lenken. Diese ziehen das Wasser axial in das Laufrad
und stoßen
es radial in das zugehörige
Spiralgehäuse
für einen
Austrag an ein äußeres Kühlsystem
aus.
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Die
Pumpenwelle 14 ist in dem Gehäuse 12 durch ein Paar
von axial beabstandeten Kegelrollenlagern gelagert, die ein Antriebslager 34 und
ein Laufradlager 36 umfassen. Das Antriebslager 34 ist derart
entworfen, dass es Hauptrotationsbelastungen, die auf das Zahnrad 18 aufgebracht
wer den, wie auch primäre
Schubbelastungen, die primär
aus der axialen Strömung
des durch die Wasserpumpe angesaugten und radial ausgestoßenen Wassers
resultieren, aufnimmt. Das Lager 34 umfasst einen äußeren Laufring 38,
der in dem Gehäuse 12 befestigt
ist, und einen inneren Laufring 40, der an der Welle 14 montiert
ist. Das Laufradlager 36 trägt primär Zentrifugalbelastungen und
Umkehrschubbelastungen von dem Laufrad, die eine beschränkte Stärke aufweisen.
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Das
Lager 36 weist auch einen äußeren Laufring 42,
der in dem Gehäuse
getragen ist, und einen inneren Laufring 44, der an der
Welle 14 montiert ist, auf. Die inneren Laufringe 40, 44 der
Lager sind zusammen mit dem Antriebsrad 18 durch eine auf
die Welle geschraubte Mutter 46 an der Welle befestigt. Die
Mutter klemmt das Zahnrad gegen den inneren Laufring 38 des
Antriebslagers 34, der wiederum mit einem Abstandhalterrohr 48 in
Eingriff steht, welches den inneren Laufring 44 des Laufradlagers
gegen eine Schulter 50 an der Welle zwingt. Dies fixiert
die Beabstandung der Lager und klemmt sie fest in Position auf der
Welle.
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Gemäß der Erfindung
ist der äußere Laufring 42 des
Laufradlagers 36 in dem Gehäuse axial verschiebbar hergestellt.
Ein Vorspannelement in Form einer Wellenfeder 52 ist in
dem Gehäuse
um die Welle herum montiert und steht mit dem Gehäuse und dem
Antriebsende des äußeren Laufringes 42 des Laufrads
in Eingriff. Die Feder spannt den Laufring 42 axial in
Richtung des Laufrads vor und übt
eine vorbestimmte Vorbelastungskraft gegen den äußeren Laufring 42 aus.
Diese belastet beide Wellenlager mit einer vorausgewählten axialen
Schubkraft vor.
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Die
Vorbelastungskraft ist ausreichend, um jegliche Umkehrschubkräfte, die
gegen das Laufradlager aufgebracht werden können, zu kompensieren, während die
Hauptschubkräfte
durch das Antriebslager 34 aufgenommen werden, wie zuvor
beschrieben. Die Vorbelastungswellenfeder 52 sorgt somit
für eine
minimale Schubbelastung auf den Lagern, die ausreicht, um die Entwicklung
jeglichen Spiels oder Zwischenraums in dem Lagersatz zu verhindern
und hält
somit die Welle in einer konzentrischen Rotation um die Achse 16 in
dem Gehäuse 12 herum.
Die Entwicklung jeglicher Zentrifugalkräfte an den Lagern auf Grund
einer exzentrischen Rotation der Welle wird dadurch verhindert,
sodass die Lagerlebensdauer verlängert
ist.
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Die
Lager 34, 36 werden in dem Gehäuse durch Öl geschmiert, das durch einen
Zufuhrkanal 54 geliefert wird. Der Kanal empfängt Schmieröl von einem
geschmierten Abschnitt eines zugehörigen Motors, an dem die Pumpe
montiert ist, und lenkt das Öl in
eine ringförmige
Kammer oder Einfassung 56, aus der er beide Lager schmieren
kann. Das Laufradlager 34 kann auch durch einen Ölschwall
aus dem benachbarten Motorsystem geschmiert werden, der auch in
die Einfassung 56 eintreten kann, um das Laufradlager 36 zu
schmieren. Überschüssiges Öl in der
Einfassung kann entweder durch Strömen durch das Antriebslager 34 in
die benachbarte Motoreinfassung (nicht gezeigt) oder durch Strömen durch
das Laufradlager 36 in eine ringförmige Sammelnut 58 entweichen.
Die Nut 58 ist mit einer/m Auslassleitung oder -kanal 60 verbunden,
die/der Öl
von der Sammelnut zurück
zu dem zugehörigen
Motorölsystem für eine Rückführung zu
der Ölwanne
transportiert.
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Eine Ölsteuerung 61 ist
vorgesehen, um zu verhindern, dass Öl aus der Lagereinfassung 56 in die
Wasserseite des Pumpengehäuses
entweicht. Die Steuerung kann eine herkömmliche Lippendichtung 62 umfassen,
die in dem Gehäuse
für einen
Eingriff der Dichtungslippe mit einer Dichtungsfläche der Welle
montiert ist. Um die Funktion der Dichtung zu verbessern, umfasst
die Erfindung eine radiale Ablenkeinrichtung 64, die sich
von dem Körper
der Lippendichtung weg erstreckt und geeignet ist, um Öl, das von
den Lagern weggespritzt wird, abzufangen und das Öl nach unten
in die Ölsammelnut 58 zu
lenken, um es zu dem Motorsystem auszutragen.
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Darüber hinaus
umfasst die Pumpenölsteuerung 61 einen
radialen Ölschleuderring 66,
der an dem Laufradende des inneren Laufrings 44 des Laufradlagers
montiert ist. Der Ölschleuderring 66 ist
derart positioniert, dass er Öl,
das an dem Lager 36 vorbeitritt und mit dem Schleuderring
in Eingriff gelangt, zentrifugal in die Sammelnut 58 schleudert,
von wo es durch den Kanal 60 zu dem Motorschmiersystem gelenkt
wird.
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Die
Kombination der drei durch die Ölsteuerung 61 bereitgestellten
Elemente stellt eine dreifache Anordnung zum Steuern eines Ölstroms
von dem Laufradlager zu der Sammeleinrichtung und nach außen durch
den Ablasskanal 60 bereit. Die herkömmliche Lippendichtung bildet
eine Sicherung, um den Vorbeitritt jeglichen Öls, das an den ersten zwei
Elementen, d. h. dem Ölschleuderring 66 und der
Ablenkeinrichtung 64, vorbeitritt, einzuschränken, sodass
es nicht in die Wasserseite der Pumpe gelangen kann.
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Gemäß der Erfindung
umfasst die Pumpe 10 ein zusätzliches Merkmal, das eine
verbesserte Wasserdichtungsanordnung 68 umfasst. Die Anordnung 68 umfasst
ein feststehendes Wasserdichtungselement 70, das hinter
dem Laufrad in dem Laufradende des Gehäuses montiert ist. Das Element 70 umfasst eine
zylindrische Wand 72, die an einem Ende durch eine radiale
Wand 74 geschlossen ist, die eine radiale Dichtungsfläche 76 aufweist,
die die Welle umgibt und in Richtung des Laufradendes des Gehäuses weist.
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In
dem feststehenden Element 70 ist ein drehbares Wasserdichtungselement 78 an
der Welle 14 montiert. Das Element 78 umfasst
eine Wellendichtung 80 benachbart zu einem drehbaren Dichtungsring 82,
der sich mit dem Laufrad dreht. Ein Ende des Dichtungsrings 82 steht
mit der Dichtungsfläche 76 in
Eingriff, um eine Wasserströmung
von der Wasserseite der Pumpe in die ölgeschmierten Bereiche an dem
Antriebsende des Gehäuses
zu verhindern. Eine herkömmliche
Schraubenfeder 84 erstreckt sich zwischen dem Laufrad 22 und
der Wellendichtung 80 und spannt den Dichtungsring 82 gegen
die Dichtungsfläche 76 vor,
um eine sichere Abdichtung gegen ein Auslaufen zu erhalten.
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Gemäß der Erfindung
wird Druckwasser aus dem Spiralgehäuse 26 wie z. B. durch
Kanäle 86 und 88 in
dem Spiralgehäuse
bzw. dem Gehäuse
an eine/n ringförmige/n
Nut oder Sammler 90 geliefert. Der Sammler 90 ist
mit abgewinkelten Kanälen
oder Düsen 92 verbunden,
die sich durch die zylindrische Wand 72 des feststehenden
Wasserdichtungselements 70 erstrecken. Die Düsen 92 sind
in die Richtung der radialen Dichtungsfläche 76 gerichtet.
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Im
Betrieb der Pumpe bewirkt eine Rotation des Dichtungsrings 82 gegen
die Wasserdichtungsfläche 76,
dass sich Verschleißpartikel
des Rings von Zeit zu Zeit ablösen
und benachbart zu dem Ring 82 auf der Dichtungsfläche sammeln.
Die Partikel werden durch Hochdruckspritzwasser, das aus der Spiralgehäuseversorgungsquelle
zu der/dem ringförmigen
Nut oder Sammler 90 und durch die Düsen 92 gegen die den
Ring 82 umgebende Dichtungsfläche gelenkt wird, von der Dichtungsfläche weg
transportiert. Die Dichtungsfläche 76 wird
dadurch sauber von Verschleißpartikeln
gehalten, die sich andernfalls um die Fläche herum sammeln und die Lebensdauer
des Dichtungsrings beeinträchtigen
würden.
Demgemäß ist die
Lebensdauer des Dichtungsrings verlängert, und ein längerer wartungsfreier
Betrieb der Wasserdichtung ist vorgesehen.
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Auf ähnliche
Weise stellt die Ölsteuerung 61 der
Pumpe, die den Ölschleuderring 66,
die Ablenkeinrichtung 64 und die Lippendichtung 62 umfasst, eine überlegene Ölsteuerung
bereit, die das Entweichen von Schmieröl in die Wasserseite der Pumpe vermeidet.
Dies erhöht
die Lebensdauer der Lippenöldichtung,
um ein Auslaufen zu verhindern.
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Schließlich erhält die Wellenfeder 52,
die eine vorbestimmte Schubbelastung auf die Wellenlagerungs- und
Schublager 34, 36 bereitstellt, die Welle in voll
konzentrischem Betrieb auf ihrer Achse und verbessert dadurch die
Lagerlebensdauer. Infolgedessen wird durch die vorliegende Erfindung
eine Wasserpumpe mit einer verlängerten
Betriebslebensdauer und reduziertem Reparaturbedarf bereitgestellt.
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Während die
Erfindung unter Bezugnahme auf bestimmte bevorzugte Ausführungsformen
beschrieben wurde, sollte einzusehen sein, dass innerhalb des Geistes
und Umfangs des beschriebenen erfinderischen Konzepts zahlreiche Änderungen
vorgenommen werden könnten.
Demgemäß soll die
Erfindung nicht auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt sein,
sondern den gesamten durch den Wortlaut der nachfolgenden Ansprüche erlaubten Umfang
besitzen.