CN104781572A - 用于摩擦离合器的螺线管组件 - Google Patents

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Abstract

一种螺线管组件具有一个螺线管芯、线圈和通量板。该通量板具有由多个连接构件连接的内环构件和外环构件。一个带有凸耳的止挡构件用来选择性地阻止一个电枢构件与该通量板相接触。

Description

用于摩擦离合器的螺线管组件
相关申请的交叉引用
本申请要求于2012年11月12日提交的美国专利申请序列号61/725,470的优先权，该美国专利申请与2011年4月13日提交的且题为“摩擦离合器组件(Friction Clutch Assemblies)”的美国专利申请序列号61/474,928(当时于2012年4月10日提交的PCT/US 2012/032863)相关联。
技术领域
在此披露了用于摩擦离合器机构的、尤其用于双模式冷却剂/水泵的螺线管组件。
背景
水泵被用于水冷式发动机中，主要用于如带有内燃发动机的汽车和载重车的车辆的运行。这些水泵典型地是由皮带驱动，该皮带被附接到发动机曲轴上并因此以一定比例的发动机转速运转。这些泵具有一个叶轮，该叶轮用于将发动机冷却剂从发动机循环到散热器并且返回发动机以便使该冷却剂保持在可接受的温度极限之内。
如今正不断努力减少发动机附件(如水泵)的功率消耗以便改善燃油经济性并减少排放。美国专利申请序列号61/474,928公开了一种独特双模式水泵，该双模式水泵以较小功率运行，减少发动机负荷，提高燃油经济性，并减少不希望的排放。
序列号61/474,928中公开的水泵具有两种运行模式，由发动机皮带机械驱动的第一模式，以及由电动机，如无刷DC(BLDC)电机操作的第二模式。用于这两种运行模式的部件被容纳在一个壳体中，该壳体包括作为该壳体一部分的皮带轮构件。连接到该水泵的叶轮上的一个轴是被定位在该壳体中并且是根据某些因素而通过一种或另一种运行模式来进行控制的。
该壳体由定位在该皮带轮构件上的发动机皮带以输入速度转动。在该壳体内定位了一个摩擦离合器组件以用于选择性地允许由皮带轮构件对水泵进行机械操作。使用一个螺线管来对该摩擦离合器组件的运行进行控制。
该水泵在其大部分运行范围内通常由电动机驱动。当需要峰值冷却时，采取机械运行模式并且该水泵由皮带轮构件直接驱动。该摩擦离合器组件可以包括一个软化的弹簧构件，该弹簧构件使该离合器消耗的电功率最小化。该双模式冷却泵还可以采用变速控制，这样导致更少的功率消耗。
发明概述
披露了一种用于摩擦离合器机构的改进的螺线管组件，该螺线管组件可以用来改善摩擦离合器机构的运行，并且进而改善双模式水泵的运行。
该螺线管组件包括定位在螺线管芯中的一个线圈。一个通量板将该线圈固定在该芯中。该通量板具有在一些位置通过小的桥接构件或连接构件相连接的一个内环和一个外环。一个电枢板被定成邻近该螺线管组件。一个止挡构件用于防止电枢板与通量板接触。
在使用中，该电枢板控制一个摩擦构件的运动，该摩擦构件用于选择性地激活该水泵的机械模式。该螺线管组件被激活时，提供了克服弹簧偏置力并与该离合器脱离接合的一个力。
该独特螺线管组件在保持相同的螺线管力的同时减少了磁阻和电流。较小的电流对应于较小的功率消耗并且增加了该控制电路的可靠性。
当结合附图和权利要求来考虑时，本发明另外的目的、特征和益处将在本发明的以下说明中给出。
附图的简要说明
图1展示了根据本发明的一个实施例的一个水泵。
图2是图1所示的水泵的截面视图。
图3是如图1和图2所示的水泵的组成部分的分解图。
图4展示了一个可以与双模式水泵一起使用的摩擦离合器实施例。
图5是如图4所示的摩擦离合器的分解图。
图6是一个可以与双模式水泵一起使用的压缩弹簧的实施例。
图7是采用本发明的螺线管组件的实施例的双模式水泵的一部分的截面视图。
图8是图7的一部分的一个放大的示意性局部截面视图。
图9是如图7和图8所示的独特螺线管组件的一些部件的分解图。
优选实施方式的说明
为了促进和理解本发明的原理的目的，现在将参见在附图中所展示的这些实施例并且将使用特定的语言对它们进行说明。尽管如此，应理解在此并不旨在限制本发明的范围。本发明包括在所展示的螺线管组件和所说明的方法中以及本发明的原理的进一步应用中的任何替代方案以及其他修改，这些将是在本发明所涉及的领域中的人员或普通技术人员通常会想到的。
在此描述的本发明具体涉及多种与双模式水泵中的摩擦离合器机构一起使用的螺线管组件，这些双模式水泵用于使发动机(例如汽车内燃发动机)中的冷却剂循环。然而，本发明螺线管组件也可以用于其他机构和其他产品。然而，为了描述该独特螺线管组件的结构、用途和运行目的，在此将参照美国申请序列号61/474,928中所披露类型的双模式水泵进行说明。
作为一个冷却剂泵，该双模式水泵在大部分情况下是电驱动的。然而，在需要进行更多冷却的情况下该泵也可以是机械接合的。当车辆在大部分正常情况下行驶时，该水泵由电动机驱动和操作。在“最坏条件”的冷却情况下，如当车辆处于重载时、当它牵引一个拖车时、当它在夏季上山时、等等，该水泵被适配成直接由皮带用发动机机械驱动。这样提供了此类情况下的必要冷却。
根据该双模式水泵的一个优选实施例，该电动机是一个无刷DC(BLDC)电机并且该电机被定位在一个皮带轮组件内。该泵还被适配成当需要时由附接到发动机曲轴上的、如蛇形带的发动机皮带来机械驱动。
为公开本发明螺线管组件的操作和使用、以及其优于美国申请序列号61/474,928所示出和公开的螺线管组件及摩擦离合器机构的改进目的，将首次描述本申请中的独特双模式水泵组件。
该双模式水泵在图1中示出并且总体由参考数字20表示。该双模式水泵包括一个皮带轮组件22和一个水泵壳体24。该皮带轮组件22具有一个离合器壳体构件26和一个皮带轮构件28。皮带轮构件28具有用于由一条皮带(未示出)驱动的多个圆周槽30。
水泵20的一个截面视图在图2中示出并且水泵20的组成部分的分解视图在图3中示出。
该水泵具有一个叶轮轴40，该叶轮轴被定位在皮带轮组件22之中并且还被附接到一个水泵叶轮42上。叶轮轴40通过滚针轴承44和中间轴承84而在泵壳体24中被固持在位。一个冷却剂密封件46用于防止该泵中的冷却剂泄漏到皮带轮组件中。
一个电动机定子50被定位在皮带轮组件22中的一个定子壳体52内。一个如扳手螺母54的螺母用于将定子壳体52固持到泵壳体24上。
一个第二滚针轴承60被定位在该皮带轮构件28与该泵壳体24之间，以便允许该皮带轮组件22相对该泵壳体自由转动。
一个电动机转子70被定位在一个前轴承座72内，该轴承座优选是由一种铝质材料制成的。该电动机优选是一个无刷DC(BLDC)电动机。一个螺线管构件80被定位成紧邻前轴承座72。一个摩擦离合器组件90被定位成邻近电动机壳体22的前盖并且该离合器组件由螺线管构件80来操作。轴承构件84被定位在轴承座72与叶轮轴40之间。
一个如六角螺母92的紧固构件通过前轴承82而将皮带轮组件22固定到叶轮轴40上。如图2和图3中具体指示的是，皮带轮组件22由两个件构成，即一个皮带轮构件28和一个离合器壳体26。这种构形提供了用于在后滚针轴承60与前滚珠轴承82之间对皮带负荷进行分布，由此消除了悬伸轴承负荷。其结果是，轴承负荷的最小化导致一种更耐用且长久的产品。
如指示的，该水泵通常由电动机驱动。该电动机是通过连接到多个销针式接触构件86上的一个电路板(未示出)来电驱动的。电气引线和电线可以被插入模压在壳体25和引线架29中，以便将电气信号传输到电动机定子50和螺线管80。该电路板通过车辆通信网络(如CAN网络)进一步与该车辆的电子控制单元(ECU)相联通。泵控制器电路板还可以被定位成在皮带轮组件22内、在定子壳体52之后且具有一个环形室形状。
该电动机的速度以及由此该水泵的速度是根据发动机所需要的冷却来选定的。多个传感器将相关的数据提供到ECU，然后ECU对泵控制器发送一个信号来要求所希望的速度。该泵控制器然后确定是使用该电动机还是通过接合摩擦离合器并直接从皮带轮驱动叶轮才能最好的达到所希望的速度。
摩擦离合器组件90的一个放大视图在图4中示出，而摩擦离合器90的部件的分解图在图5中示出。摩擦离合器90包括一个离合器承载构件100，一个通量板构件102、一个压缩弹簧构件104、以及一个摩擦衬承载构件106。具有摩擦衬材料的多个件108被附接到该承载件106的外圆周上，如图4所示。这些摩擦衬构件108可以具有任何常规的摩擦材料并且可以具有任何尺寸和形状。尽管该摩擦衬材料是以多个分离的构件示出，如图4和图5所示，但该摩擦衬可以是一个单一件或者是定位成围绕摩擦衬承载构件106周边的任何数目的分离的构件。
一个压缩弹簧构件104的一个实施例的一个放大视图在图6中示出。弹簧构件104是一个“软化的”弹簧构件，这是因为压缩该弹簧构件必需的力一旦达到一个特定峰值时会随着时间而减小。
弹簧构件104具有多个孔或开口，以便附接到该摩擦衬承载构件与该离合器承载构件上。在此方面，一个系列的四个孔110被提供在压缩弹簧构件104上以便与摩擦衬承载构件106中的多个开口112配合。多个铆钉114或类似物被用于将压缩弹簧构件104固定到摩擦衬承载构件106上。该压缩弹簧构件可以通过任何常规的方法而联结到该摩擦衬承载构件上，如通过焊接、钎焊、螺纹紧固件，等等。
在该压缩弹簧构件中的第二系列的开口包括四个开口120。这些开口与在离合器承载构件100上的相对应的多个柱构件122相配合。这些柱构件122是在摩擦离合器组件90组装好后变形或模锻的以便将该摩擦离合器组件的组成部分牢固地固持在一起。这个压缩弹簧构件实施例104具有一个外环构件130和一个内环构件132。这两个环构件130和132由多个连接构件134、135、136和137连接在一起。
当摩擦离合器组件90在接合的位置中时，转矩从皮带轮组件22通过这些摩擦衬构件108传输到摩擦衬承载件106。该摩擦衬承载件然后将转矩通过压缩弹簧构件104而传输到使该叶轮轴转动的离合器承载件100。
当摩擦离合器组件90由螺线管80激励时，由于在螺线管芯81与该通量板之间的空气隙中产生的力，通量板102被吸引到该螺线管组件上。当通量板102朝向该螺线管移动时，压缩弹簧构件104被压缩，从而使摩擦衬承载构件106和这些摩擦构件从它们抵靠在离合器壳体构件26的内表面上的接合的位置分离。在压缩的情况下，这些连接构件134、135、136和137是屈曲且变形的。在这个位置中，该水泵仅由电动机操作。
通量板102通过多个接片107(图4)而被牢固地附接到摩擦衬承载件106上。该离合器组件的轴向行程是通过将通量板102上的多个接片103接合在离合器承载构件100上的多个凹座101中(图5)来限制的。这种轴向行程限制防止了极板与螺线管芯构件81发生接触，因为该极板以叶轮速度旋转而该螺线管芯是静止的。
在如空调压缩机、泵、等汽车附件中使用弹簧接合的、电磁地脱离接合离合器来选择性地接通和关闭到达该附件部件的驱动力是非常常见的。这样做典型地是为了在不需要这个装置时节省能量。这些装置典型地被设计成是弹簧接合的以便在控制失效的情况(如失去电功率)下该附件装置是有动力的。这样做提供了“失效保护”功能，意味着该装置在失电时默认进入其“工作”状态。
在此所述的双模式水泵20提供了“失效保护”摩擦离合器设计。如果车辆的电气系统失效的话，螺线管将会失电从而允许弹簧104将摩擦离合器组件接合到离合器壳体上。因此泵将以机械模式运行，其中该叶轮由皮带轮通过离合器组件来驱动。
这些“失效保护”的离合器设计的主要缺点是它们需要连续的电功率使该装置在其不被需要时保持脱离接合。对许多附加装置而言，这种状态可以构成它们大部分的运行寿命。此外，这些装置经常需要20+瓦的电功率，这些可以是交流发电机输出的一个重要部分。对于采用大量电气部件(座椅加热器、风窗玻璃去霜器、电动座椅、以及许多其他装置)的现代车辆而言，超出交流发电机的最大功率容量是不常见的。
该螺线管80提供了克服该弹簧构件的接合力并且因而与该离合器脱离接合的这个力。该螺线管需要保持处于其“开启”状态以便使该摩擦离合器免于接合。该螺线管消耗的功率是寄生的。
本发明的螺线管组件使功率消耗最小化。该螺线管组件在保持相同的螺线管力的同时，使磁阻减少并且使电流显著减小。较小的电流对应于低得多的功率消耗并且增加了该控制电路的可靠性。
在图7至图9中示出了独特螺线管组件的一个优选实施例。该螺线管组件由参考号150指示。在图7和图8的截面视图中，该双模式水泵部件的与以上所述水泵的部件相同的部件被引用了相同的参考号。
该螺线管组件包括一个螺线管芯160、一个线圈构件170、一个通量板构件180、一个电枢板190和一个止挡构件200。
该螺线管芯基本上具有一个盘状件或杯状件，该盘状件或杯状件带有一个空腔162并优选由一种磁性金属材料(例如低碳钢)制成。该线圈构件由盘绕的铜丝制成并且具有一个典型的“甜甜图形状”。在该组件中，线圈构件170被压力配合或封装在该螺线管芯160中的空腔162中以使气隙最小化。
该通量板构件180具有一个外环构件182和一个内环构件184。这两个环构件是由几个连接构件186(又称“桥接构件”)连接的。尽管图9示出了三个连接构件186，但数量不是严格的。可以有更多或更少的连接构件。然而，优选地，这些连接构件是相对窄的并且是间隔开的，使得外环构件与内环构件是被一个环形绝缘气隙188适当隔开。
该通量板构件180是由一种磁性金属材料(例如低碳钢)制成。该通量板构件180在螺线管芯160内的空腔162中被压力配合到该线圈构件170的顶部，并且优选是直接定位在该线圈构件上。
该螺线管芯160具有一个带有环形凸缘166的中心开口164，该环形凸缘允许该螺线管芯围绕该双模式水泵中的中心轴构件40定位。该线圈构件170具有一个围绕该凸缘166紧密配合的对应开口172。
该电枢板190也是由一种磁性金属材料(例如低碳钢)制成的。该电枢板还具有一个中心开口192，以便围绕该轴构件40和止挡构件200定位。
该止挡构件200是由一种非磁性材料(例如铝或不锈钢)制成。该止挡构件具有一个中心开口202，以便围绕该轴构件40定位，并且还具有一个凸耳或肩台构件204。该止挡构件本体长度的大小被确定成抵靠在该双重模式水泵中不能轴向移动的这些轴承构件84或另一个构件上。这样，防止了该止挡构件轴向地滑动或移动。
如附图中指示的，该凸耳或肩台构件204的高度206高于或大于该螺线管芯160的高度或顶部边缘168。这样防止在该螺线管被激活时该电枢190与该通量板180直接接触。为此目的，电枢板190具有一个大小适当的中心开口192或一系列指形构件194，这些指形构件允许该电枢板接触该凸耳或肩台构件204。
一个可变形弹簧构件210被定位成与该电枢板190(见图7)接触。弹簧构件210的外环被附接到一个环形摩擦载体构件212上，该环形摩擦载体构件具有定位在其上的多个摩擦构件214。弹簧构件210的径向内边缘被固定在止挡构件200与间隔构件201之间，该间隔件构件顶靠在轴承82上。
该双模式水泵正常操作时，该螺线管组件被激活。由该螺线管线圈170供电的通量板180将电枢板190拉靠在该止挡构件200上的凸耳或肩台上。这样防止这些摩擦构件214接触该泵壳体的内表面，从而允许该水泵仅由该电动机旋转。当必须机械操作该水泵(如以上解释的)或者以双模式的两种模式来操作水泵时，断开螺线管的电源。这样允许该弹簧构件210返回其休止状态并迫使这些摩擦构件214与该泵壳体接触。
图8中示出了通量回路220。这些通量线从该螺线管芯160进入该内环构件184，在此这些通量线跳过该气隙222，穿过电枢板190，跳回该通量板的外环构件182，并且最后返回到该螺线管芯。
通量板180减少了螺线管的磁阻。这样允许该螺线管具有更大的力。通量板还减少了保持相同的力所需要的电流。
尽管本发明已参照多个优选实施例进行了说明，还应当理解的是本发明不是如此受限制的，因为可以在由下述权利要求所描述的本发明的全部范围内进行改变和修改。

Claims (22)

1.一种螺线管组件，包括：
在其中具有空腔的一个螺线管芯构件；
定位在所述空腔中的一个线圈构件；以及
定位在所述空腔中的一个通量板构件，
所述通量板包括一个环形内环构件、一个环形外环构件以及将所述外环构件连接在一起的多个连接构件。
2.如权利要求1所述的螺线管组件，其中所述螺线管芯是由一种第一金属材料制成，所述线圈构件是由一种第二金属材料制成，并且所述通量板构件是由一种磁性金属材料制成。
3.如权利要求2所述的螺线管组件，其中所述螺线管芯是由一种磁性金属材料制成，所述线圈构件包括铜线，并且所述通量板构件是由一种低碳钢制成。
4.如权利要求1所述的螺线管组件，其中所述线圈构件被封装在所述空腔中。
5.如权利要求1所述的螺线管组件，其中所述通量板构件是压力配合在所述空腔中。
6.如权利要求1所述的螺线管组件，其中提供了所述多个连接构件中的三个连接构件。
7.如权利要求1所述的螺线管组件，其中所述多个连接构件在该内环构件与该外环构件之间是基本上相等地间隔开的。
8.如权利要求1所述的螺线管组件，其中所述通量板构件是定位在所述空腔中并与所述线圈构件隔开。
9.如权利要求1所述的螺线管组件，其中所述线圈构件是定位在所述空腔中，并与所述空腔的侧表面和底表面隔开不接触，其中气隙被最小化。
10.如权利要求1所述的螺线管组件，进一步包括一个邻近于所述螺线管芯构件定位的止挡构件，所述止挡构件是由一种非磁性材料制成。
11.如权利要求10所述的螺线管组件，其中所述非磁性材料是不锈钢或铝。
12.如权利要求10所述的螺线管组件，其中所述止挡构件包括一个凸耳构件，该凸耳构件被轴向地定位在一个与所述螺线管芯构件的轴向范围不同的位置处。
13.如权利要求1所述的螺线管组件，进一步包括一个电枢板构件。
14.如权利要求12所述的螺线管组件，进一步包括一个电枢板构件，所述电枢板构件被定位成选择性地与所述止挡构件上的所述凸耳构件相接触。
15.一种螺线管组件，包括：
在其中具有空腔的一个螺线管芯构件；
定位在所述空腔中的一个线圈构件；以及
定位在所述空腔中的一个通量板构件，
所述通量板包括一个环形内环构件、一个环形外环构件以及将所述外环构件连接在一起的多个连接构件；以及
一个止挡构件，该止挡构件是邻近于所述螺线管芯构件定位。
16.如权利要求15所述的螺线管组件，其中所述止挡构件具有一个定位在其上的凸耳构件。
17.如权利要求15所述的螺线管组件，进一步包括一个电枢板构件。
18.如权利要求17所述的螺线管组件，其中所述电枢板构件是由一种磁性材料制成。
19.如权利要求18所述的螺线管组件，其中所述磁性材料是低碳钢。
20.如权利要求15所述的螺线管组件，其中所述螺线管芯是由一种第一金属材料制成，所述线圈构件是由一种第二金属材料制成，并且所述通量板构件是由一种磁性金属材料制成。
21.如权利要求20所述的螺线管组件，其中所述螺线管芯基本上是由一种磁性金属材料制成，所述线圈构件基本上是由一种铜材料制成，并且所述通量板构件是由一种磁性金属材料制成。
22.如权利要求17所述的螺线管组件，其中所述电枢板构件被定位成选择性地与所述止挡构件上的所述凸耳构件相接触。
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