CN104919204B - 用于冷却剂泵的失效保护干式摩擦离合器 - Google Patents

用于冷却剂泵的失效保护干式摩擦离合器 Download PDF

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Abstract

一种用于车辆附件、特别是用于驱动车辆冷却泵、并且更特别地作为用于冷却泵的双模式驱动器的一部分的一种失效保护的摩擦离合器组件以及一种电动马达。该摩擦离合器组件包括一个摩擦片构件，该摩擦片构件与一个用于运行车辆附件的中央可旋转的轴构件相连。一对摩擦衬片构件被定位在该摩擦片构件的相反的两侧上。一个电枢构件受到弹簧偏置而轴向地迫使该摩擦片构件和摩擦衬片构件抵靠在一个正以输入速度旋转的壳体或盖上。一个螺线管组件用来克服弹簧偏置力并且将该电枢构件和摩擦片构件拉动而远离该壳体。

Description

用于冷却剂泵的失效保护干式摩擦离合器
相关申请的交叉引用
本申请要求于2012年12月24日提交的美国申请序列号61/745,647的优先权，其涉及美国专利申请序列号61/474,862和美国专利申请序列号61/474,928，这两个申请均是在2011年4月13日提交的。
技术领域
在此披露了摩擦离合器组件，特别是用于混合动力冷却剂泵的摩擦离合器组件。
背景技术
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。因此更优选的是此类附件(包括水泵)如果能够被制作成以可变速度或以更小的功率运行，以便减小发动机所承受的负荷，并且进而改善燃油经济性并减少来自发动机的不希望有的排放物。
发明概述
在此披露了具有改进的干式摩擦离合器机构的车辆水泵组件。水泵优选地具有两种运行模式，第一模式由发动机皮带机械传动，而第二模式由例如无刷DC(BLDC)马达的一个电动马达来操作。用于这两种运行模式的部件作为包含皮带轮构件的一个多部件式组件的一部分。该皮带轮由定位在该皮带轮构件上的发动机皮带驱动并以输入速度旋转。连接到水泵的叶轮上的一个轴被定位在该组件中并且该轴依据某些特定因素而通过机械操作或电操作或二者来控制。
该摩擦离合器组件被定位在该多部件式组件内以便选择性地允许由该皮带轮构件对水泵进行机械地操作。该干式摩擦离合器组件是通过使一个螺线管通电/断电而被致动的。当螺线管由于任何原因而断电时，该离合器将被接合，并且因此离合器是失效保护的。当螺线管被断电时，多个螺旋弹簧推动一个电枢板，该电枢板将摩擦片夹在该电枢板与一个盖构件之间。扭矩是通过该摩擦片的两侧而被传递的。通过接通该螺线管使得该离合器脱接合。
当螺线管通电时，螺线管力克服这些螺旋弹簧的力并且将这个电枢板拖拽回来抵靠该皮带轮，并且一个复位弹簧将摩擦片推开远离该盖件并将其保持在一个止挡件上，从而在这个摩擦片的两侧产生气隙。当离合器脱接合时，输入端(皮带轮)与输出端(轴)解除连接，从而消除了该输入端与输出端之间的相互作用(例如轴承阻力)。
该水泵在其大部分运行范围内通常由电动马达驱动。当需要峰值冷却时，采取机械运行模式并且该水泵可由皮带轮构件直接驱动。在某些情况下，机械操作和电操作二者可以同时进行。
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是可与本发明结合的车辆水泵组件的透视图。
图2是图1中所示的组件的截面图，并且描写了本发明的一个实施例的特征。
图3A和图3B是如图2所示的组件的多个部件的分解视图。
图4是图2至图3所示的组件的放大截面视图，其中这些部件是以螺线管脱接合的位置示出的。
图5是图2至图3所示的组件的放大截面视图，其中这些部件是以螺线管接合的位置示出的。
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装置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。
在此描述的本发明涉及多种尤其用于冷却剂泵的摩擦离合器组件，这些冷却剂泵用于使如汽车内燃发动机的发动机中的冷却剂循环。(术语“水泵”和“冷却剂泵”在此是可交换使用的。然而，本发明也可以用于其他发动机附件装置。
在此描述的本发明的优选实施例特别被适配成用于卡车、乘用轿车以及非公路用车辆、并且将关于其在双模式冷却剂泵中的用途加以描述。根据优选实施例，该电动马达是无刷DC(BLDC)马达。对于机械运行模式，该水泵由附接至发动机曲轴上的发动机皮带驱动，例如缠绕型附件皮带。
作为一个双模式冷却剂泵，该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。因此，当车辆在大部分正常情况下行驶时，该水泵由电动马达驱动和运行。
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、或当它在夏季上山时、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。在某些情况下，可能有必要或可能需要执行这两种运行模式。
一个带有根据本发明的摩擦离合器组件的混合动力(双模式)水泵实施例在图1至图5中示出并且总体上是由参考数字20指示的。该混合动力水泵包括一个马达壳体22、一个螺线管壳体24、一个皮带轮构件26以及一个盖构件28。泵20使一个中央轴构件30旋转，从而操作水泵叶轮32。如图所示，该皮带轮构件具有一个光滑外表面27，一个发动机皮带(未示出)定位于该外表面上。该皮带轮构件的外表面还可以包括多个圆周凹槽用于与带有对应凹槽的发动机皮带相匹配。
水泵组件20的一个截面视图在图2中示出并且水泵组件20的组成部分的分解视图在图3中示出。图4与图5中示出了放大视图，这些视图中示出了摩擦离合器机构的失活和致动的运行模式。
该水泵组件具有一个叶轮轴30，该叶轮轴被定位在组件之中并且被附接到一个水泵叶轮32上。叶轮轴30是通过轴承34和36在该多部件式组件中保持在位的。一个冷却剂密封件38用于防止该泵中的冷却剂泄漏到马达壳体中。
一个马达50被定位在马达壳体22内部。马达50包括一个转子支架52、多个磁体53、以及一个定子54。多个磁体53结合至转子支架52上并且一起形成该马达的转子。马达50优选是一个无刷DC(BLDC)电动马达。转子52牢固地附接至、例如压力配合至轴30上，这在马达50运行时使得该轴并且因此叶轮32旋转。给马达50的电力是由一个电源(未示出)供应的。
马达壳体22具有多个安装构件，附图中仅示出了其中的两个安装构件23、25。这些安装构件具有多个开口以用于将水泵组件20附接在车辆的发动机隔室内部。
该摩擦离合器组件总体上用参考号60表示。该摩擦离合器组件总体上包括一个电枢板62、一个摩擦片64和两个摩擦材料环形圈66和68。电枢板62优选地是由一种磁性金属材料(例如低碳钢)制成的。摩擦片64优选地是由一种非磁性材料(例如不锈钢)制成的。摩擦材料66和68可以是现今用在摩擦离合器中的任何常规摩擦材料，并且可以是完整的环、多段环、或者总体上被定位在附图中环圈66和68所在位置的多个简单的摩擦材料件。优选地，摩擦材料66、68用一种粘接剂被粘接至摩擦片64上。
优选由非磁性材料(例如不锈钢)制成的这个盖构件28是通过多个连接销构件(例如多个紧固件或螺栓72)来直接连接到皮带轮构件26上的。这些紧固件的末端可以是有螺纹的(如在图2中具体示出)以用于与皮带轮构件26中的多个开74中的相对应的匹配螺纹进行配合。因此，当发动机皮带(未示出)使皮带轮旋转时，盖构件28以相同的输入速度旋转。
皮带轮构件26优选地是由一种磁性材料(例如低碳钢)制成。皮带轮构件围绕这些轴承80自由旋转。尽管这些轴承可以具有任何会具有足够的耐久性和性能的类型，但如附图中所示的还可以使用一对叠层式轴承。
摩擦离合器组件的操作是由一个螺线管组件90来执行的。螺线管组件包括一个被定位在螺线管壳体24中的螺线管线圈92。螺线管线圈构件包括铜导线的一个甜甜图形状的线圈，而螺线管壳体优选地是由一种磁性材料(例如低碳钢)制成。螺线管线圈构件92被承装在螺线管壳体24中。
螺线管壳体24利用轴承36而被独立地定位在水泵组件中。轴承36允许轴构件30相对于螺线管壳体24自由旋转。
螺线管壳体24直接连接至马达壳体22上，例如是通过压力配合和/或一系列紧固件构件29。在生产中，可以使用若干不同的方式来将螺线管壳体24锚固或固定至马达壳体22上。
螺母构件102是旋拧在，或者是以其他方式牢固地固定在轴构件30的末端上。摩擦片构件64例如是用键固定而连接到螺母构件102上。如图3A所示，该螺母构件具有多个花键构件103，这些花键构件装配在摩擦片构件64中心的相对应的槽口65中。以此方式，螺母与摩擦片构件随轴构件30旋转。螺母构件102以及轴构件30将止挡构件100与轴承构件36牢固地夹在一起。轴构件30以及其上固定的所有部件都是通过轴承构件36轴向地定位的。止挡构件100优选是由一种非磁性材料(例如不锈钢)制成。
为了将轴承构件36在螺线管壳体24内部固定在一个轴向位置中，使用了一个波形弹簧构件104和轴承保持器构件106。轴承保持器构件106被螺纹附接到螺线管壳体上，如通过参考号101所示(参见图4)。
使用止挡构件100来止挡摩擦片构件64在螺线管组件90通电时的轴向运动，如在以下进行说明。一个复位弹簧110被定位在螺母构件102与摩擦片构件64之间并且在螺线管组件90被致动时起作用来使摩擦片构件64返回其机械脱接合位置。
如所指出的，水泵叶轮32通常由电动马达50驱动。该电动马达和螺线管线圈是通过一个电路板供电的(未示出)。电气引线和导线可以是插入模压制在马达壳体22中的，以便将电信号运送给电动马达50和螺线管线圈构件92。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。水泵组件控制器电路板还可以被定位在马达壳体22内、可能具有甜甜图形状。
该马达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马达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。
当水泵仅由电动马达50驱动时，摩擦离合器组件被螺线管组件90保持在脱接合的位置。这在图5中示出。当螺线管线圈构件92被电致动时产生一个通量回路120，该通量回路起作用来克服这些螺旋弹簧构件108的力从而将该电枢板62拉向螺线管线圈构件。当电枢板62被拉向螺线管时，复位弹簧110使摩擦片64固持抵靠在止挡构件100上。在这种情况下，摩擦片64上的摩擦材料不与盖构件28或电枢板62接触。
螺旋弹簧108的数量以及它们的偏置力是根据组件中所需要的力来确定的。附图中示出了六个螺旋弹簧108，但根据所需要的力而可以存在比这个数量更多或更少的数目。
在这种电气操作模式中，在摩擦片的这些摩擦材料的两侧上均存在空气隙，并且输入端(皮带轮构件)与输出端(轴构件)是完全断开连接的。这样消除了任何相互作用，例如输入端与输出端之间的轴承阻力。
为了产生适当的通量回路120，皮带轮构件26具有产生空气隙的多个开口115。这些开口115实质上形成一个环形的开口圈。通过这些空气隙，该皮带轮构件针对电磁目的而言实质上是一个外部环形圈116和一个分开的内部环形圈118。(这在图3B中最清楚示出。)
图5中示出了通量回路120。这个通量回路延伸经过螺线管壳体24、皮带轮构件26的皮带接合部分、皮带轮构件26的外部环形圈部分，并且然后跳转到电枢板构件62，并且接下来回到皮带轮构件26的内部环形圈部分，在此返回到螺线管壳体。这个回路将电枢板紧紧地拉向皮带轮构件，使得该电枢构件随皮带轮构件旋转并且以相同速度旋转。
图4描绘了螺线管组件90未被致动的情形。这样使该水泵由发动机皮带机械驱动，并且电动马达50可以被关闭。在这种情形下，螺旋弹簧108在远离皮带轮构件并且远离螺线管组件的方向上对电枢构件62施力。这使得电枢构件62接触该摩擦构件68，该摩擦构件进而迫使摩擦构件66接触盖构件28的内表面28A。由于电枢构件、皮带轮构件和盖构件都被固定在一起，这样使得该轴构件30以相同速度旋转。
图4中的箭头130示出了一个使轴构件机械地旋转的扭矩传送路径。在这个接合的离合器中，摩擦片构件被夹在盖构件与电枢构件之间并且扭矩经过摩擦片的两侧被传送。还存在一个从皮带轮构件26、经过紧固件72、电枢板构件62、摩擦片构件64、螺母构件100并且到达轴30的扭矩传送路径。
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。
如以上所示，本发明提供了一种“失效保护”的摩擦离合器设计。如果冷却剂泵的电气系统失效的话，螺线管会失电从而使得螺旋弹簧迫使摩擦离合器组件变为接合。因此泵将以机械模式运行而叶轮由皮带轮构件通过离合器组件来驱动，从而防止过热。
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 (14)

1.一种用于车辆发动机附件的摩擦离合器组件，该车辆发动机附件具有一个壳体构件、一个用于旋转该壳体构件的皮带轮构件、一个是选择性可旋转的以用于运行该附件的内部轴构件、以及一个螺线管组件，所述摩擦离合器组件包括：
一个电枢构件，所述电枢构件由磁性材料制成并且当由所述螺线管组件供电时能够在所述壳体构件中轴向移动；
一个邻近于所述电枢构件定位的摩擦片构件；
一对摩擦衬片构件，所述一对摩擦衬片构件各自位于所述摩擦片构件的相反两侧上；
多个偏置构件，这些偏置构件使所述电枢构件在轴向方向上背离该螺线管组件进行偏置；
其中，当所述螺线管组件被致动时，所述电枢构件被轴向拉向所述螺线管组件，从而防止所述一对摩擦衬片构件中的任一者接触该壳体构件；并且
其中，当所述螺线管组件没有被致动时，所述偏置构件轴向地对所述电枢构件进行偏置而抵靠所述摩擦片构件，从而致使所述一对摩擦衬片构件之一接触所述壳体构件以使所述内部轴构件旋转并运行所述附件，
其中，所述摩擦离合器组件还包括一个回位弹簧构件，该回位弹簧构件用于偏置所述摩擦片构件轴向远离所述壳体构件。
2.如权利要求1所述的摩擦离合器组件，其中，所述偏置构件包括多个螺旋弹簧构件。
3.如权利要求1所述的摩擦离合器组件，其中，所述这些摩擦衬片构件各自包括摩擦衬片材料的环形圈。
4.如权利要求1所述的摩擦离合器组件，其中，当螺线管组件被激活时使所述电枢构件轴向地移动的通量路径包括一条穿过所述螺线管组件、所述皮带轮构件、所述电枢构件、回到所述皮带轮构件、然后回到所述螺线管组件的路径。
5.如权利要求1所述的摩擦离合器组件，其中，当所述螺线管组件被致动时，也防止所述一对摩擦衬片构件接触所述电枢构件。
6.如权利要求1所述的摩擦离合器组件，其中，所述皮带轮构件包括多个开口，该多个开口在所述皮带轮构件的一个内圈部分与所述皮带轮构件的一个外圈部分之间形成绝缘气隙。
7.如权利要求1所述的摩擦离合器组件，其中，所述皮带轮构件和所述壳体构件被多个紧固件构件附接在一起。
8.如权利要求1所述的摩擦离合器组件，其中，所述螺线管组件没有被电致动时，所述电枢构件被施力而抵靠在所述摩擦衬片构件之一上，使所述电枢构件以输入速度旋转。
9.一种用于车辆附件的双模式驱动装置，包括：
(a) 一个壳体构件；
(b) 在所述壳体构件内的可旋转轴构件，该可旋转轴构件选择性地运行所述车辆附件；
(c) 在所述壳体构件内的一个电动马达，用于选择性地旋转所述轴构件并运行所述车辆附件；以及
(d) 在所述壳体构件内的一个摩擦离合器组件，用于辅助选择性地运行所述车辆附件，所述摩擦离合器组件包括：
带有一个螺线管线圈构件的一个螺线管组件；
一个以输入速度可旋转的皮带轮构件；
一个附接到所述皮带轮构件上并随之可旋转的壳体盖构件；
一个轴向可移动的磁性电枢构件；
弹簧构件，这些弹簧构件用于使得所述电枢构件轴向背离所述螺线管组件地偏置；
摩擦片构件，该摩擦片构件被连接到所述轴构件上并且是随之可旋转的；
一个第一摩擦衬片构件，该第一摩擦衬片构件位于所述摩擦片构件的一个第一表面上并邻近于所述电枢构件；以及
一个第二摩擦衬片构件，该第二摩擦衬片构件位于所述摩擦片构件的一个第二且相反的表面上并邻近于所述壳体盖构件；
其中，当所述螺线管组件没有被电致动时，所述这些弹簧构件在朝向所述壳体盖构件的方向上对所述电枢构件和所述摩擦片构件轴向地施力，其中所述第二摩擦衬片构件接触所述壳体盖构件，从而致使所述摩擦片构件和所述轴构件以输入速度旋转，
其中，所述摩擦离合器组件还包括一个回位弹簧构件，该回位弹簧构件用于偏置所述摩擦片构件轴向远离所述壳体盖构件。
10.如权利要求9所述的双模式驱动装置，其中，所述螺线管组件没有被电致动时，所述电枢构件被施力而抵靠在所述第一摩擦衬片构件上，使所述电枢构件以输入速度旋转。
11.如权利要求9所述的双模式驱动装置，其中，所述电动马达是无刷DC马达。
12.如权利要求9所述的双模式驱动装置，其中，所述车辆附件是一个水泵。
13.如权利要求9所述的双模式驱动装置，其中，所述皮带轮构件包括多个开口，该多个开口在所述皮带轮构件的一个内圈部分与所述皮带轮构件的一个外圈部分之间形成绝缘气隙。
14.如权利要求9所述的双模式驱动装置，其中，当该螺线管组件被激活时使所述电枢构件轴向地移动的通量路径包括一条穿过所述螺线管组件、所述皮带轮构件、所述电枢构件、回到所述皮带轮构件、然后回到所述螺线管组件的路径。
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