CN102221014A - 水泵中的叶轮 - Google Patents

Abstract

本发明的目的是通过在引擎转速为低旋转区域时使排出流量比率一定而维持排出性能，在引擎转速为高旋转区域时使排出流量比率降低。本发明由收纳壳体（1），叶轮底盘（2），叶片体（3），平板凸轮（4），以及一个扭转弹簧（5）构成，扭转弹簧（5）及平板凸轮（4）收纳在收纳壳体（1）与叶轮底盘（2）内，在其顶面上设置有多个叶片体（3），旋转轴（32a）能够旋转地插在叶轮底盘（2）的孔（22a）中，滑动轴（33）松旷地插在叶轮底盘（2）的圆弧状长孔（22b）及平板凸轮（4）的长槽（42a）中。在扭转弹簧（5）的弹性力的作用下，在引擎的低旋转区域滑动轴（33）位于叶轮底盘（2）的圆弧状长孔（22b）的外周一侧。

Description

水泵中的叶轮

技术领域

本发明涉及一种水泵中的叶轮，通过在引擎转速为低旋转区域时使排出流量比率一定而维持排出性能，在引擎转速为高旋转区域时使排出流量比率降低。另外，在本说明书中，排出流量是指水泵实际排出的单位时间的冷却水的流量，排出性能是指单位转速的排出流量。

背景技术

近年来，对车辆低燃费化的要求日益提高。为此，对车辆所搭载的各构成零部件高效率化的要求也在日益提高。在车辆所搭载的构成零部件之中，水泵是具有对引擎、各种电子电路、加热器芯体等的温度进行调整并保持在最佳温度这样一种重要功能的部件。按大类分，该水泵有机械驱动式水泵和电驱动式水泵两大类。虽然电驱动式水泵近年来使用量在增加，但由于价格高，因而现状是作为使用比例，机械驱动式水泵所占的比例更大。

一般来说，冷却引擎所需要的冷却水的循环量在从相对于引擎转速的比率来看的情况下，与高旋转区域相比，低、中旋转区域的比率有增高的倾向。这是为了抑制低、中旋转区域的爆震的缘故。因此，在引擎转速低的区域，虽然绝对值小但需要相对较大比例的冷却水流量。

反之，在引擎转速高的区域，虽然绝对值大但所需要的冷却水的流量不会增大到成正比的程度。此外，若冷却水的流量过大，还存在着发生气蚀的可能性。但是，水泵的排出流量通常是与转速成正比的。应对这种冷却水流量要求的水泵在专利文献1（特开平7-208393）中已公开。专利文献1（特开平7-208393）所公开的水泵这样构成，叶轮的中心部为板簧支撑部25，在靠近叶轮的内周，各叶片的每一片上配置有可变形的板簧24，板簧24的一端支撑在叶片13上，板簧24的另一端支撑在支撑部25上，在靠近叶轮的外周，配置有作为虽然不变形但可移动的结构体的叶片13。

水泵的叶轮转速越高，叶片13的旋转速度也越高，因而作用在叶片13上的水压的力也越大，叶片13向旋转方向的反方向发生摆动。具体地说，若参照专利文献1的图2，则叶片13从实线位置向虚线位置移动。因此，水泵的叶轮转速越高叶片13的外径变得越小，尽管水泵的排出流量的绝对值大，但与转速增长的比例相比要少。通过这样的控制，谋求在引擎转速在低旋转区域时保证冷却水的流量、在引擎转速在高旋转区域时减少无用功及抑制气蚀。本说明书中的叶片的外径是指从叶片的最外周经过的假想圆的外径。

但是，专利文献1（特开平7-208393）所公开的水泵还存在着如下问题。该水泵的叶片13要承受水压的力，由该水压的力与板簧24的力的平衡决定叶片13的摆动的量，而板簧24和叶片13的单个的特性、形状总是存在差异的，因而就叶片13的摆动的量（倾斜角度）而言各个叶片13也各自不同。当就叶片13的摆动的量而言各个叶片13各自不同时，更加使作用在各个叶片13上的水压的力产生差异，由此形成更加使叶片13的摆动的量产生差异的恶性循环。这样，存在着各个叶片13的摆动的量存在差异时，水泵的排出性能也产生差异，难以达到所希望的排出性能的缺点。

再列举专利文献2（特开平10-122177）所公开的水泵，该水泵的结构不是像专利文献1（特开平7-208393）所公开的水泵那样靠水压的力使叶轮移动，而是靠水温使叶轮移动，但各个叶片的移动量均一。在专利文献2（特开平10-122177）的水泵2中，在一片活动板13上设置有与叶片的片数相同数量的直状狭缝16，销14a卡合在该直状狭缝16上的泵叶轮14能够在直状狭缝16内移动，并且得到枢轴支撑而能够以销14a为中心旋转。此外，在泵叶轮14的上游且中心配置有双金属（感热驱动源）15，双金属15在冷却水的温度作用下发生变形而将弹簧力赋予活动板13。

双金属15因冷却水温度的高低而进行伸缩，活动板13随之向旋转方向转动。由于泵叶轮14与活动板13相连，因而随着活动板13转动泵叶轮14也移动。具体地说，冷却水温度高时，使泵叶轮14向径向的外侧移动，因而泵叶轮14的外径增大，水泵的排出性能提高。冷却水温度低时，使泵叶轮14向内周一侧移动，因而泵叶轮14的外径减小，水泵的排出性能降低。

由此，在冷却水温度高时抑制过热，在冷却水温度低时抑制无用功。但是，在专利文献2（特开平10-122177）所公开的水泵的结构中，是以双金属（感热驱动源）15驱动全部泵叶轮14转动的，因而不能够像专利文献1（特开平7-208393）的水泵那样以转速的大小驱动叶片。此外，由于双金属15是配置在泵叶轮14的上游且露出在泵叶轮14的外部，因而双金属15导致冷却水的流动发生紊乱，有可能或导致排出性能降低或成为发生气蚀的重要原因等。此外，相对于时刻变化的冷却水的温度，存在着双金属的特性曲线不能够良好做出反应的可能性。人们担心由此引起排出性能与效率在引擎转速高的区域降低。特别是，在专利文献2的图1中，双金属15由旋转轴11枢轴支撑，而通常为了保证强度，水泵的旋转轴11是轴承钢故而非常硬，像图1那样在旋转轴11的前端设置轴所进行的加工要耗费很多的时间与费用。

专利文献1：特开平7-208393

专利文献2：特开平10-122177。

发明内容

因此，本发明要解决的课题（技术性课题或目的）是实现这样一种水泵的叶轮，即，即便离心力起作用，也能够在引擎转速在低旋转区域时增大叶片的外径以提高排出性能，在引擎转速在高旋转区域时减小叶片的外径以降低排出性能，以谋求减少无用功及抑制气蚀。

为此，发明人为解决上述课题锐意反复进行研究，其结果，通过使第1技术方案为下述的水泵中的叶轮而解决了前述课题，第1技术方案的水泵中的叶轮的特征是，由收纳壳体，固定在前述收纳壳体上叶轮底盘，叶片体，平板凸轮，以及一个扭转弹簧构成，所述叶轮底盘在假想内周圆一侧设置有多个孔，在假想外周圆一侧设置有多个圆弧状长孔，所述叶片体在内周一侧设置有旋转轴，在外周一侧设置有滑动轴，所述平板凸轮在圆板部的外周一侧形成有长槽，该扭转弹簧及前述平板凸轮收纳在前述收纳壳体与叶轮底盘内，在该叶轮底盘的顶面上设置有多个前述叶片体，该叶片体的旋转轴能够旋转地插在前述叶轮底盘的孔中，前述叶片体的滑动轴松旷地插在前述叶轮底盘的圆弧状长孔及前述平板凸轮的长槽中，在前述扭转弹簧的弹性力的作用下，在引擎的低旋转区域前述滑动轴位于前述叶轮底盘的圆弧状长孔的外周一侧。

通过使第2技术方案为下述的水泵中的叶轮而解决了前述课题，第2技术方案的水泵中的叶轮的特征是在第1技术方案的水泵中的叶轮中，在引擎的高旋转区域，以施加在前述叶片体上的水压的力克服前述扭转弹簧的弹性力，前述滑动轴位于前述叶轮底盘的圆弧状长孔的内周一侧。而且，通过使第3技术方案的水泵中的叶轮为下述的水泵中的叶轮而解决了前述课题，第3技术方案的水泵中的叶轮的特征是在第1或第2技术方案的水泵中的叶轮中，前述平板凸轮的长槽构成为外侧在前述圆板部的最外周的周缘处开放。

第1技术方案中，在引擎的低旋转区域，扭转弹簧的弹性力相对达到最大，因而能够使叶片体的外径增大，因此，能够确保需要比例较大的冷却水流量的引擎低旋转区域中的冷却水的流量及抑制引擎发生爆震。此外，本技术方案是以一个扭转弹簧使所有叶片体的位置移动的，因此，各个叶片体的位置不会产生差异。根据本特征，不会使水泵的排出性能产生差异，能够达到所希望的排出性能。再有，本技术方案仅由叶轮部分构成，未配置露出于叶轮部分之外的零部件，因此，不会使冷却水的流动发生紊乱，能够确保足以满足要求的排出性能。此外，叶轮部分之外的水泵部分完全不需要变更，因而具有在既有产品中很容易进行应用的优点。

第2技术方案中，在引擎的高旋转区域，通过扭转弹簧的弹性力、施加在叶片体上的水压的力、施加在叶片体上的离心力的平衡，能够使叶片体的外径减小，因此，具有能够谋求引擎在高旋转区域时减少水泵的无用功及抑制气蚀的效果。第3技术方案中，由于平板凸轮的长孔是其圆板部的最外周的外周一侧开放，因此，能够尽可能减小平板凸轮的圆板部的外径。由此，能够使配置在平板凸轮的圆板部的径向外周一侧的收纳壳体在径向上的大小较小，因此，对于非直接有助于提高叶轮的排出性能的部位（收纳壳体等），有利于节省其空间、减轻其重量。

附图说明

图1（A）是本发明的俯视图，图1(B)是图1（A）的（α）部分放大图，图1（C）是图1（A）的适当部位的剖视图；

图2是本发明分解后各要素的立体图；

图3（A）是处于低旋转区域时的本发明的俯视图，图3（B）是图3（A）中扭转弹簧及平板凸轮作用时的状态图，图3（C）是处于高旋转区域时的本发明的俯视图，图3（D）是图3（C）中扭转弹簧及平板凸轮作用时的状态图；

图4（A）是处于低旋转区域时的本发明的主要部位的俯视图，图4（B）是图4（A）中的（β）部分的放大状态图，图4（C）是处于高旋转区域时的本发明的主要部位的俯视图，图4（D）是图4（C）中的（γ）部分的放大状态图；

图5是排出流量或吸入压力与引擎（泵）转速的动作特性曲线。

附图标记说明：

1：收纳壳体，2：叶轮底盘，22a：孔，22b：圆弧状长孔，3：叶片体，32：旋转轴，33：滑动轴，4：平板凸轮，42：圆板部，42a：长槽，5：扭转弹簧。

具体实施方式

下面，就本发明的实施方式结合附图进行说明。图1至图2是展示本发明的实施方式的附图。本发明的水泵的叶轮主要由收纳壳体1、叶轮底盘2、叶片体3、平板凸轮4、扭转弹簧5构成。前述收纳壳体1是从中央的毂部11的下端向外形成有底部圆板12，在该底部圆板12的最外周上形成有上升部13。若将前述收纳壳体1设计成一体的零件，则有利于进行制造。前述毂部11与上升部13以同等高度形成。在前述毂部11与底部圆板12与上升部13三者的收纳部位，收纳有前述平板凸轮4及扭转弹簧5。水泵的旋转轴S插入并固定在前述毂部11中。作为毂部11的孔部11a与旋转轴的固定机构，与叶轮底盘2同样，有键固定或压入固定等，而在采用键固定时，有时还要在前述毂部11的孔部11a内设置键槽。

前述叶轮底盘2呈圆板形状，从俯视角度看与前述收纳壳体1的形状相同。在中央部位形成有从俯视角度看与前述毂部11形状相同而高度低的毂部片21，在该毂部片21的中心也形成有孔部21a，与前述毂部11的孔部11a直径相同。在前述毂部片21的外周上设置有上部主板22，该上部主板22的最外周与前述叶轮底盘2的外径一致，前述叶轮底盘2载置在前述收纳壳体1的上侧而起盖子的作用。

此外，前述毂部片21的孔部21a与旋转轴与前述收纳壳体1同样地固定。在前述叶轮底盘2的上部主板22的靠近内周的假想内周圆上等间隔地设置有孔22a。此外，在前述叶轮底盘2的上部主板22的靠近外周的假想外周圆上等间隔地设置有圆弧状长孔22b。

前述叶片体3的单位叶片31在该单位叶片31的根部的内周一侧设置有旋转轴32，而在其根部的外周一侧设置有滑动轴33。前述旋转轴32插在前述上部主板22的孔22a中，前述滑动轴33松旷地插在前述上部主板22的圆弧状长孔22b中，因此，前述叶片体3在叶轮底盘2上能够以旋转轴32为中心摆动适当角度。

前述叶片体3的单位叶片31从侧面看以呈山形形状的薄壁形成，在该单位叶片31的下端设置有厚壁的加强部34。在该加强部34的下侧形成前述旋转轴32及滑动轴33。还形成有在处于高旋转区域而单位叶片31彼此接近时将更加重叠的凹部35。特别是，前述旋转轴32具有超过前述上部主板22的厚度若干程度的长度，滑动轴33超过上部主板22的厚度而一直到达前述平板凸轮4的底面，在此处以卡圈等加以固定以防止脱出。

前述平板凸轮4是收纳在前述叶轮底盘2内的部件，在前述平板凸轮4的中央形成有圆筒部41，在该圆筒部41的外周一侧形成有圆板部42。该圆板部42的外径形成为直径稍小而能够被收纳在前述收纳壳体1内。具体地说，前述平板凸轮4的圆筒部41松旷地套插在前述毂部11的外周部上而能够旋转，同时，圆筒部41收纳在收纳壳体1内。在前述圆板部42的外周一侧的整周上，等间隔地形成有朝向辐射方向形成的、与前述叶片体3相同数量的长槽42a。该长槽42a形成为在径向上较长。前述叶片体3的外周一侧的滑动轴33松旷地插在该长槽42a中。前述长槽42a形成为径向的外周一侧（外侧）开放。

前述扭转弹簧5是环形的弹簧，设置在前述收纳壳体1与前述平板凸轮4之间。即，前述扭转弹簧5被夹在前述平板凸轮4的圆板部42的底面与前述底部圆板12的顶面之间，设置成能够将叶轮向旋转方向弹性推压。具体地说，螺旋状（接近于环状）的前述扭转弹簧5的内折弯端5a卡止在位于前述圆板部42的底面且前述毂部11的外周上的卡止部43上，并且，前述扭转弹簧5的外折弯端5b卡止在形成于前述底部圆板12的顶面且前述收纳壳体1的上升部13内的卡止部14上。

通过如上所述将前述板凸轮4向叶轮的旋转方向弹性推压，对叶片体3向叶轮的旋转方向施加作用力。前述扭转弹簧5的力的大小设定成与以引擎的目标转速施加在前述叶片体3上的水压的力及施加在叶片体3上的离心力相等。对于目标转速，在空转转速及最大转速以外的转速区域内适当设定。

下面，对叶轮底盘2的假想外周圆一侧的圆弧状长孔22b进行说明。当前述叶片体3的滑动轴33位于该圆弧状长孔22b的外周一侧的位置［图1（B）中为上侧］上时［当以图1（B）中的叶轮底盘2的中心O为中心时为外周一侧］是水泵在低旋转区域时的叶片体3的整定位置［参照图3（A）及图3（B）］。即，当水泵在低旋转区域，叶片体3以旋转轴32为中心，滑动轴33向圆弧状长孔22b的外周一侧的位置滑动，前述叶片体3的单位叶片31的外径达到最大，而且单位叶片31的倾斜角度也达到最大。倾斜角度是指一般在水泵领域中使用“出口角”。

此外，前述叶轮底盘2的靠近外周的圆弧状长孔22b的内周一侧的位置［图1（B）中为下侧］是水泵在高旋转区域时的叶片体3的整定位置［参照图3（C）及图3（D）］。当水泵在高旋转区域时，叶片体3以旋转轴32为中心，滑动轴33向圆弧状长孔22b的内周一侧的位置滑动，叶片体3的外径达到最小，而且单位叶片31的倾斜角度也达到最小。此外，若进行其它的表现，则由于如果若将叶轮底盘2的靠近外周的圆弧状长孔22b的内周一侧的位置配置成在截面上观察叶片体3时位于叶轮的旋转方向后方一侧的面与旋转方向后方一侧的下一个叶片体3极为接近的位置，则能够使叶片体3的外径最小因而更好。

虽然叶片体3如前所述以旋转轴32为中心转动，但外周一侧的滑动轴33是穿插在前述平板凸轮4的长槽42a中的，因此，前述扭转弹簧5与前述平板凸轮4在圆周方向上转动联动而也变形。与该扭转弹簧5的变形的同时，前述平板凸轮4向圆周方向转动而使得前述所有叶片体3的滑动轴33同时滑动。这些还受到由引擎转速产生的水压的力的影响。

即，当引擎转速在低旋转区域时，由于水压的力小，因而前述扭转弹簧5的弹性力使得如作用图所示倾斜角增大，但当引擎转速在高旋转区域时，由于水压的力大，因而将克服扭转弹簧5的弹性力而对叶片体3的旋转面进行推压并战胜前述扭转弹簧5，前述平板凸轮向旋转方向的反方向一侧旋转、叶片体3的倾斜角减小，在旋转方向上相邻的叶片体3将极为接近。

前述扭转弹簧5如前所述，收纳在前述收纳壳体1与叶轮底盘2之间，成为不会从叶片体3进行动作的范围内露出的结构。前述扭转弹簧5虽然是呈螺旋状的弹簧，但作为实施方式是绕一圈形成的，其力的大小可根据弹簧的线径、弹簧的卷数、弹簧卷绕一周后该一周的直径、弹簧的材质等因素适当决定。此外，与扭转弹簧5的力均衡的水压的力由叶片体3旋转时的“叶片体3承受的水的压力”ד叶片体3的面积”决定。即，力=压力×面积。进而还要考虑施加在叶片体3上的离心力。

依据这种计算，在引擎转速在高旋转区域时，与扭转弹簧5的力相比，叶片体3所承受的水压的力增大。在引擎转速在低旋转区域时，与扭转弹簧5的力相比，叶片体3所承受的水压的力减小。当引擎转速达到既定转速时，受扭转弹簧5推压的叶片体3的滑动轴33便在叶轮底盘2的圆弧状长孔22b中向内周一侧开始滑动。在该状态下，扭转弹簧5的力与叶片体3所承受的水压的力将变得相同。

在通常将弹簧（扭转弹簧5）用于压缩一侧的情况下，越压缩弹簧的力越大。即，叶片体3的滑动轴33越向内周一侧移动，扭转弹簧5的力越大。但是，随着引擎转速进一步提高，水压的力增大，因而当引擎转速达到既定的高转速时，叶片体3的滑动轴33将到达叶轮底盘2的圆弧状长孔22b的内周端。在达到该状态之前，扭转弹簧5的力与叶片体3所承受的水压的力将相同。

由于叶片体3的滑动轴33无法再进一步移动，因而扭转弹簧5也不会被进一步压缩。因此，在引擎转速进一步提高的情况下，如上所述，与扭转弹簧5的力相比，叶片体3所承受的水压的力变大。这样，当引擎转速在低旋转区域时，叶片体3的滑动轴33位于叶轮底盘2的圆弧状长孔22b的最外周端，且位于平板凸轮4的长槽42a的最外周上。当引擎转速在高旋转区域时，叶片体3的滑动轴33位于叶轮底盘2的圆弧状长孔22b的最内周端，且位于平板凸轮4的长槽42a的最内周端。

在如上的结构中，特别是将扭转弹簧5的力（弹簧力）设为F、将水压的力（施加在全体叶片体3上的水压的力）设为P而对它们的作用进行简单说明。在图3（A）及图4（A）中，通过前述扭转弹簧5以弹簧力F使平板凸轮4在该图中进行左旋转，在长槽42a及圆弧状长孔22b中位于最外周端［参照图3和图4的各自的（A）以及图4（B）］，前述叶片体3是单位叶片31的外径达到最大，而且单位叶片31的倾斜角α［参照图3（A）］也达到最大。

在引擎转速既不是低旋转区域（所谓空转转速附近）也不是高旋转区域（最大转速附近）而是所谓中旋转区域的既定转速时，叶片体3的滑动轴33将在叶轮底盘2的圆弧状长孔22b内从外周端向内周一侧开始移动。

而当引擎的转速增加并达到高旋转区域、在前述叶片体3全体上施加水压的力P时，克服前述扭转弹簧5的弹性力并战胜叶片体3的水压的力，前述平板凸轮向旋转方向的反方向一侧［图3（C）及图3（D）中的右方］旋转、叶片体3的倾斜角α减小，在旋转方向上相邻的叶片体3彼此极为接近，单位叶片31的外径达到最小而倾斜角α［参照图3（C）］也达到最小。在高旋转区域，施加在叶片体3上的离心力也增大，该离心力施加在径向外周一侧。因此，作为右旋转的力将是P－F（－离心力）。

在这样的结构中，为了使叶轮稳定地高速旋转，必须具有平衡结构。即，作为一个例子，在前述平板凸轮4的圆板的靠近外周的下侧，一体形成有具有配重功能的大致四边形形状的突起部，以保持旋转时的平衡。进而，在收纳壳体1的圆板的靠近径向外周设置稍大的通孔，以谋求消除不平衡。再有，具体地说，通过材质、结构等实现平衡保持结构。

此外，如图5所示，在反映排出流量或吸入压力与引擎（泵）转速的动作特性曲线上，当引擎在既定转速以下的低旋转区域时，叶轮外径达到最大，能够提高排出性能（能够使排出流量增多：泵容量大），当引擎转速在高旋转区域时，能够使排出性能降低（能够使排出流量减少：泵容量小）。此外，由图5可知，随着消耗动力的推移，处于高旋转区域时水泵的无用功减少。

Claims (4)

1. 一种水泵中的叶轮，其特征是，由收纳壳体，固定在前述收纳壳体上叶轮底盘，叶片体，平板凸轮，以及一个扭转弹簧构成，所述叶轮底盘在假想内周圆一侧设置有多个孔，在假想外周圆一侧设置有多个圆弧状长孔，所述叶片体在内周一侧设置有旋转轴，在外周一侧设置有滑动轴、所述平板凸轮在圆板部的外周一侧形成有长槽平板凸轮，该扭转弹簧及前述平板凸轮收纳在前述收纳壳体与叶轮底盘内，在该叶轮底盘的顶面上设置有多个前述叶片体，该叶片体的旋转轴能够旋转地插在前述叶轮底盘的孔中，前述叶片体的滑动轴松旷地插在前述叶轮底盘的圆弧状长孔及前述平板凸轮的长槽中，在前述扭转弹簧的弹性力的作用下，在引擎的低旋转区域前述滑动轴位于前述叶轮底盘的圆弧状长孔的外周一侧。

2. 如权利要求1所记载的水泵中的叶轮，其特征是，在引擎的高旋转区域，以施加在前述叶片体上的水压的力克服前述扭转弹簧的弹性力，前述滑动轴位于前述叶轮底盘的圆弧状长孔的内周一侧。

3. 如权利要求1所记载的水泵中的叶轮，其特征是，前述平板凸轮的长槽构成为外侧在前述圆板部的最外周的周缘处开放。

4. 如权利要求2所记载的水泵中的叶轮，其特征是，前述平板凸轮的长槽构成为外侧在前述圆板部的最外周的周缘处开放。

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