CN104870850A - 用于离合器机构的屈曲弹簧构件 - Google Patents

Abstract

屈曲弹簧构件、特别是用于双模式水泵的摩擦离合器机构的屈曲弹簧构件。该屈曲弹簧构件是由薄片金属材料制成并且具有圆形构型。该弹簧构件的中心部分是凹的、带有多个开口和轮辐。这些开口优选是心形的。内环和外环是基本上平坦的并且提供刚性。该摩擦离合器机构和屈曲弹簧机构优选地用于具有两种运行模式的双模式冷却剂泵，这两种运行模式是电动机运行模式和皮带轮驱动的机械运行模式。

Description

用于离合器机构的屈曲弹簧构件

相关申请的交叉引用

本申请要求于2012年11月12日提交的美国申请序列号61/725,467的优先权，该美国申请与2011年4月13日提交的题为“压缩弹簧构件(Compression Spring Members)”的美国专利申请序列号61/474,907(当时于2012年4月10日提交的PCT/US 2012/032876)相关联。

技术领域

在此披露了屈曲弹簧构件、优选是用于摩擦离合器组件的屈曲弹簧构件。

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。在美国专利申请序列号61/474,862中披露了独特的双模式水泵。该装置以较小的功率运行、降低了发动机负载、改善了燃料经济性并且减少了不希望的排放。

在序列号61/474,862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。在该壳体内提供了一个摩擦离合器机构以用于选择性地允许由该皮带轮构件对水泵进行机械地操作。使用一个螺线管来对该摩擦离合器机构的运行进行控制。提供了一个弹簧构件，该弹簧构件在其被移位时“变软”并且使该离合器消耗的电功率最小化。

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。这种双模式冷却泵使用较少的功率、改善了车辆的燃料经济性、并且减少了排放。

发明概述

披露了一种用于双模式水泵的摩擦离合器机构的改进的弹簧构件。该弹簧构件的独特结构在其性能方面具有一个正刚度区域和另一个负刚度区域。当该弹簧构件被压缩时，弹簧力快速增大至其最大值。当它被进一步压缩时，弹簧力几乎线性地减小至一个小的值。

该弹簧构件具有圆形形状并且具有一个环形扁平外环和一个环形扁平内环。弹簧构件的中心区域是凹的并且具有位于该内环与外环之间的多个开口或“窗口”。这些环是扁平的并且对结构增加了刚度和刚性。

在一个优选实施例中，弹簧构件是由薄金属材料、优选约0.3mm厚的金属材料制成。由于该装置的凹结构，在优选实施例中内环与外环之间的高度差是约2.5mm。

该中心区域中的这些开口优选是“心”形的。优选提供六个开口，但也可以使用不同的数量。这些开口之间的区域被称为“轮辐”。

在双模式水泵中使用时，该弹簧构件被定位成邻近于电枢板，该电枢板被螺线管组件选择性地轴向移动。多个摩擦衬构件连接或附接至围绕该弹簧构件定位且附接至电枢板上的一个外环上。该弹簧构件返回至其正常形状使得这些摩擦衬构件移动到与泵壳体的内表面相接触并且完成该泵的机械运行。

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阐述。

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的一部分的放大的示意性局部截面视图。

图9描绘了一个螺线管组件的多个部件。

图10是包括多个弹簧构件的负载-偏转曲线。

图11描绘了本发明的一个优选实施例。

图12是图11的实施例的侧视图。

图13描绘了一个摩擦离合器组件。

图14是图13中所描绘的组件的截面视图。

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。本发明包括本发明所属领域的普通技术人员通常会想到的屈曲弹簧构件以及摩擦离合器机构的任何替代物和其他修改。

在此描述的本发明具体涉及选择性地被螺线管激活以改变双模式水泵的运行模式的弹簧构件。然而，本发明还可以用于其他情况和其他产品的其他组件。

出于描述本发明的屈曲弹簧构件的结构、使用和操作、及其优于美国申请序列号61/474,862中披露的压缩弹簧构件的改进这些目的，将首先讨论该申请中的独特且有益的双模式水泵。

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、当它牵引一个挂车时、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地驱动。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。

该双模式水泵在图1中示出并且总体由参考数字20表示。该混合动力水泵包括一个皮带轮组件22和一个水泵壳体24。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被定位在皮带轮构件28与泵壳体24之间，以便允许皮带轮组件22相对于该泵壳体自由转动。

一个电动机转子70被定位在一个前轴承座72内，该前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的前盖并且该摩擦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。该电路板通过如CAN网络的车辆通信网络而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，这是因为一旦偏转达到特定点，压缩该弹簧构件所必需的力就随着偏转的增加而减小。

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，扭矩从皮带轮组件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扭矩通过压缩弹簧构件104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，该压缩弹簧构件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。

在图10中示出了将压缩弹簧构件104与下文讨论的屈曲弹簧构件150的操作进行比较的负载/偏转曲线。如图10所示，弹簧构件104的负载/偏转曲线140快速达到力的最大量140A并且然后在该弹簧构件开始变形之后需要较小的力来使该弹簧构件继续偏转。这意味着一旦该压缩弹簧达到点140A后，只需要较小的力来使该弹簧进一步挠曲并且因此防止该摩擦离合器组件接触该壳体的内部。因此，一旦达到使该弹簧屈曲或变形所必需的力的最大值，所必需的只是用逐渐减小的力来使该弹簧进一步挠曲并由此允许由电动机完成水泵操作。这个软化的弹簧构件因此能使该离合器与螺线管80脱离接合的寄生电功率消耗最小化。

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加部件的驱动力是常见的。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情况(如失去电功率)下该附加装置是有动力的。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。

如以上所指示的，该双模式水泵提供了一种“失效保护”的摩擦离合器设计。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。因此无论何时需要冷却剂循环，离合器就被接合。

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。

在图7至图9中示出了螺线管组件的一个实施例。该螺线管组件用参考号250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260、一个线圈构件270、一个通量板构件280、一个电枢板290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262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典型的“甜甜圈形状”。在该组件中，线圈构件270被压力配合或封装在该螺线管芯260中的空腔262中以使气隙最小化。

该通量板构件280具有一个外环构件282和一个内环构件284。这两个环构件是由几个连接构件286(又称“桥接构件”)连接的。尽管图9示出了三个连接构件286，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288适当隔开。

该通量板构件280是由一种磁性金属材料(例如低碳钢)制成。该通量板构件280在螺线管芯260内的空腔262中被压力配合到该线圈构件270的顶部，并且优选是直接定位在该线圈构件上。

螺线管芯260具有一个带有环形凸缘266的中心开口264，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270具有一个围绕该凸缘266紧密配合的对应开口272。

该电枢板290也是由一种磁性金属材料(例如低碳钢)制成的。该电枢板具有一个中心开口292，以便围绕该轴构件40和止挡构件300定位。

该止挡构件300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302，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304。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304的高度306高于或大于该螺线管芯260的高度或顶部边缘268。这样防止在该螺线管被激活时该电枢290与该通量板280直接接触。为此目的，电枢板290具有一个大小适当的中心开口292或一系列指形构件294，这些指形构件允许该电枢板接触该凸耳或肩台构件304。

一个可变形弹簧构件310被定位成与该电枢板290(见图7)接触。弹簧构件310的外环被附接到一个环形摩擦载体构件312上，该环形摩擦载体构件具有定位在其上的多个摩擦构件314(如下文所述，还参见图13和图14)。弹簧构件310的径向内边缘被固定在止挡构件300与间隔件301之间，该间隔件顶靠在轴承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270供电的通量板280将电枢板290拉靠在该止挡构件300上的凸耳或肩台上。这使该弹簧构件310压缩并屈曲、并且防止这些摩擦构件314接触泵壳体的内表面。这样就允许该水泵仅由电动机旋转。当必须机械地操作该水泵(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。这样允许弹簧构件310返回其休止状态并迫使这些摩擦构件314与该泵壳体接触。

图8中示出了通量回路320。这些通量线从该螺线管芯260进入该内环构件284，在此这些通量线跳过该气隙322，穿过电枢板290，跳回该通量板的外环构件282，并且最后返回到该螺线管芯。

通量板280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。

在图11和图12中更详细地示出了独特的屈曲弹簧构件310。该弹簧构件具有一个外环构件352和一个内环构件354以及一个凸形中心部分356。内环构件354固定至中心轴40上。

在中心部分356中提供了多个开口或“窗口”360以及多个轮辐构件362。这些窗口360优选是心形的，其中这些开口的尖端邻近于内环构件354。图11中标记为“A”的、总体上位于这些心形开口的径向向外的叶瓣之间的区域向弹簧构件310提供了额外的刚性。

优选提供六个开口360和六个轮辐362，但可以使用在从4到8的范围内的开口和轮辐数量。为有效实现本发明的优点，少于四个轮辐时，这些轮辐可能太宽，从而使得弹簧太坚硬，并且在多于8个轮辐时，这些轮辐可能太窄并且不提供足够的返回偏置力。

在外环352上提供了多个孔洞370。这些孔洞被用来安装摩擦构件314、或其上具有摩擦构件的环形载体构件312。在图13和图14中示出了这样的载体构件。

如图11和图12所示，中心部分356相对于内环和外环是凹的。内环354和外环352保持是基本上扁平的且基本上平坦的。为了允许该中心部分是凹的并且能够屈曲且返回至其正常形状，提供了一个环形弯折内凹槽380和一个环形弯折外凹槽382。

当形成屈曲弹簧构件的形状时，内环和外环被夹紧同时使用夹具或其他固定件来形成该中心部分的凹形结构。

在一个优选实施例中，用于该弹簧构件的金属材料的厚度是约0.3mm。而且图12中的距离“D”是约2.5mm。用于弹簧构件150的金属材料优选是弹簧钢。这些尺寸和材料类型不是关键的、而是取决于该装置的大小和规格以及设计者的经验。

在图10中示出了凹形的屈曲弹簧构件310的负载-偏转曲线并且用参考号311表示。图10包括弹簧构件310的负载-偏转曲线与以上描述的压缩弹簧构件104的负载-偏转曲线的对比。

该屈曲弹簧构件在双模式水泵的机械模式下为摩擦离合器提供接合力。该弹簧构件还传递扭矩。而且，如图10所示，该弹簧构件的独特结构提供了一个正刚度区域313和一个负刚度区域315。这个负区域比这个正区域宽得多。

该弹簧构件的结构和设计与弹簧构件104相比更容易做到并且更容易保持公差。在冲压过程中工具加工不难做到并且定位更容易。组装到摩擦离合器机构中也更容易并且耗时较少，因为不需要铆钉、翻转或点焊。

如图10所示，当弹簧310被压缩时，弹簧力快速增大至其最大值310A。当弹簧被进一步压缩时，弹簧力相对线性地下降至一个非常小的值。该弹簧的总行程可以小至2.0mm，这对于某些应用是非常有用的。

这种独特构型还将扭矩从外环传递到内环。

图13和图14提供了电枢板290、摩擦离合器载体构件312、和摩擦构件314的进一步的细节和特征。摩擦载体构件312是环形形状的并且通过多个紧固构件400如小螺栓和螺母被附接到弹簧构件310上。围绕载体构件312的外部定位了多个摩擦构件314。摩擦构件312的数量不是关键的，并且，虽然示出了八个，但数量可以大于或小于八。还可能的是，可以提供单一的环形摩擦构件(具有截头锥形形状)。

摩擦载体构件312还被附接至电枢板构件290上。提供了多个连接构件402，这些连接构件通过紧固构件404如小的螺纹构件而被紧固至电枢板290上。如图13所示，这些连接构件402的位置与弹簧构件310中的这些心形开口360重合。

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 (11)

1.一种屈曲弹簧构件，包括：

一个环形外环构件，所述外环构件是基本上平坦的；

一个内环构件，所述内环构件是基本上平坦的；

一个具有凹形构型的中心部分，所述中心部分具有多个心形开口以及对应数量的轮辐构件。

2.如权利要求1所述的屈曲弹簧构件，其中压缩该弹簧构件所必须的力的量达到最大值接着基本上线性地减小。

3.如权利要求1所述的屈曲弹簧构件，其中提供了六个心形开口并且提供了六个轮辐。

4.如权利要求1所述的屈曲弹簧构件，其中所述心形开口是径向定位的，使得该心形的叶瓣邻近于所述外环构件。

5.如权利要求1所述的屈曲弹簧构件，其中开口和轮辐的数量是在从4到8的范围内。

6.一种用于摩擦离合器组件的屈曲弹簧构件，该摩擦离合器组件包括：

一个摩擦衬承载构件；

至少一个摩擦衬构件，该至少一个摩擦衬构件被定位在所述摩擦衬承载构件上；

固定地附接至所述摩擦衬承载构件上的一个屈曲弹簧构件；

所述屈曲弹簧构件具有凹形构型并且包括其中的多个心形开口以及在所述开口之间延伸的多个轮辐构件。

7.如权利要求6所述的用于摩擦离合器组件的屈曲弹簧构件，该摩擦离合器组件进一步包括一个电枢板构件，所述摩擦衬承载构件附接至所述电枢板构件上。

8.如权利要求6所述的屈曲弹簧构件，其中所述弹簧构件包括一个环形外环构件和一个环形内环构件。

9.如权利要求6所述的用于摩擦离合器组件的屈曲弹簧构件，其中所述摩擦衬承载构件附接至所述外环构件上。

10.如权利要求6所述的用于摩擦离合器组件的屈曲弹簧构件，进一步包括用于激活所述摩擦离合器组件的一个螺线管机构。

11.如权利要求6所述的用于摩擦离合器组件的屈曲弹簧构件，其中压缩该凸形弹簧构件所必需的力的量一旦达到力的峰值量时，会随着位移而减小。