CN105041895B - 包覆模制的通量环 - Google Patents

Abstract

一种用于涡流风扇驱动组件的包覆模制的钢通量环构件。该通量环构件包括一个底座构件，该底座构件具有一个轮毂构件、一个外部环状环构件以及多个连接臂构件。一种包覆模制材料例如铝被包覆模制在该外部环状环构件上、优选地在多个分开的区段中。所述底座构件中的多个通风开口允许空气流经磁铁环以进行冷却。

Description

包覆模制的通量环

相关申请的交叉引用

本申请要求于2014年4月12日提交的美国临时申请序列号61/978,844以及于2015年3月12日提交的美国实用申请序列号14/656,606的权益，这些申请通过引用结合在此。

技术领域

本发明涉及双速风扇驱动组件，并且更具体地涉及用于涡流风扇驱动组件的通量环。

发明背景

车辆发动机通常使用冷却组件来从发动机中去除多余的热量并且维持最佳的操作温度。该冷却组件将冷却剂泵送穿过该发动机和其他部件以便控制发动机温度。该发动机和其他部件内所产生的热量被冷却剂吸收并且通过使用散热器而散布至周围大气中。为了改善该散热器的散布，通常使用风扇组件来抽出空气或迫使空气经过该散热器以便有助于热传递。

总体上不希望这样的风扇组件连续运行。希望的是维持目标冷却剂温度；仅在产生高热量的时间段内需要高的风扇速度。另外，在不必要时连续的高速运行在发动机上产生不希望的抽吸并且由此降低了效率。为了补偿这点，目前的风扇组件例如“开关式”风扇驱动器使用了允许风扇选择性地接合发动机从而使得这些风扇仅在必要时被接合的风扇离合器组件。风扇离合器组件能以许多构型(包括电子的、液压的以及空气压力致动的构型)来运行。常见的是，这些系统朝风扇运行被偏置，而使得当离合器组件中发生故障时，该风扇连续地运行以保持该发动机凉爽。

大多数开关式风扇驱动器在被致动时仅以一个速度运行，即输入速度。在一些情形下，双速风扇驱动器是所希望的。这些驱动器通常使用涡流机构以允许该风扇驱动器以较低的速度运行。这些涡流组件在风扇脱接合时提供了慢得多的风扇旋转。

与涡流离合器、或同涡流驱动组件相结合的“开关式”附件驱动器相关的一个担忧是该涡流驱动器所产生的热量、尤其是通量环中产生的热量。该热量不仅可能降低产品的有效性，而且该热量可以随着时间使该通量环发生膨胀和扭曲，从而降低产品的耐用性和寿命。

高度有利的是可以提供用于涡流离合器组件的通量环，该通量环在操作过程中具有降低的温度和减小的应力。这将提供一种更耐用、更持久且更有效的涡流组件。

发明概述

本发明提供了用于制造和使用用于涡流组件的改善的通量环的方法、结构和系统。本发明提供了以改善的方式被冷却以维持在降低的温度下的通量环。另外，本发明提供了将应力和箍绕荷载最小化的通量环构造并且因此提供了更有效、耐用且持久的产品。

根据本发明的优选实施例，该通量环包括一个金属底座构件，该金属底座构件具有一个中央轮毂构件、一个外部环状环构件以及将该轮毂连接至该环构件上的多个柔性臂构件。该底座构件优选地是由钢制成的。另一种材料例如铝制成的多个分开的区段被包覆模制在该环状构件上。这些包覆模制的区段具有多个肋和叶片，以辅助将热量分布至大气中。

在该轮毂构件与包覆模制的环状构件之间提供了多个通风开孔以允许空气在该环状构件的两侧循环并且有助于将其冷却。这些柔性臂构件允许该环状构件在被加热时快速且受控地膨胀并且将径向的膨胀、扭曲和应力最小化。

在该底座构件的外部环状环上可以提供多个开口、凹陷或其他结构以帮助将这些包覆模制的区段固位在该环状构件上。这可以允许三维的差异膨胀从而将该通量环中的箍绕荷载和其他应力最小化。

本发明的其他特征、益处和优点将结合附图和所附权利要求书从本发明的以下描述中变得清楚。

附图简要说明

图1描绘了包括涡流驱动组件的一个常规的双速风扇驱动器。

图2描绘了根据本发明实施例的一个通量环底座构件的透视图。

图3和图4描绘了图2中的通量环底座构件的前视图和截面侧视图。

图5是根据本发明实施例的一个包覆模制的通量环的透视图。

图6和图7描绘了图5中的包覆模制的底座构件的前视图和截面侧视图。

图8描绘了通量环底座构件上的一个包覆模制的区段。

图9是使用了根据本发明的包覆模制的通量环实施例的一个双速风扇驱动组件的截面视图。

图10描绘了根据本发明一个实施例的臂构件。

图11是一个放大视图，描绘了本发明一个实施例中的改善的空气流。

图12至图14描绘了本发明的一个替代实施例。

图15描绘了本发明的另外一个实施例。

优选实施方案的说明

图1描绘了一个已知的双速风扇驱动组件10。该组件包括一个气动摩擦离合器机构12以及一个涡流风扇驱动机构14。

如组件10所例示的双速风扇驱动组件的操作和细节是众所周知的，并且不需要在此描述其所有方面。例如美国专利号5,994,810、6,838,796和8,544,627以及美国公开2011/0180362中描绘并描述了此类组件。

出于本发明的目的，将简要描述该双速风扇驱动组件10。该组件具有一个气动致动的弹簧偏置外部壳体构件22。一个风扇(未示出)附接至该壳体构件上。壳体构件22附接至一个滑轮构件上并且通过一个适当的发动机皮带构件(未示出)以输入速度恒定旋转。该壳体构件具有一个第一环状摩擦背衬构件30，并且内部致动构件24带有一个第二环状摩擦背衬构件。摩擦材料34被定位在并且优选地粘接在这两个摩擦背衬构件之一上。

当该发动机中冷却剂需要冷却时，不施加空气压力并且该致动构件和壳体构件20相接触以允许该摩擦材料致使该壳体和风扇进行旋转。这是风扇的开启条件，并且该风扇将以输入速度(为风扇驱动组件10的两个速度之一)进行旋转。

当不需要该风扇以开启速度运行时，空气压力被施加到该壳体中的离合器机构上。这使得该壳体构件轴向地平移并且使壳体构件20与内部致动构件24之间的摩擦接触断开。

希望风扇在车辆中、甚至在不必以输入速度旋转时保持旋转是有许多原因的。该涡流机构提供了该壳体和风扇在低于该输入速度的第二速度下的旋转。

涡流机构14的基本部件是多个永磁铁40和一个相关联的通量环构件42。虽然来自该摩擦接触的动力已经停止，但是由这些磁铁和该通量环所引起的涡流保持该壳体和所连接的风扇构件以更慢的速度进行旋转。(例如，以约500rpm-600rpm。)

与已知的涡流组件相关的一个担忧是其操作所造成的显著的热量堆积。典型地，这些通量环是由导电性材料例如铝或钢制成的并且在被加热至高温时快速地膨胀。这可以造成扭曲并且可以影响该涡流组件的耐久性和性能。

本发明是被提供用于改善用于涡流组件的通量环的结构和性能。本发明尤其用于双速风扇驱动组件中，如通过以上所描述的组件10所例示的。

改善的通量环的优选实施例包括一个金属底座构件，该金属底座构件上包覆模制了另一种金属材料制成的多个区段以及提供了该通量环的改善(减小的)径向膨胀和增大的冷却的多个特征。

在图5至图8中描绘了根据本发明一个实施例的一个完整的通量环并且用参考号50表示。该通量环包括一个金属底座构件60(优选地由钢制成)以及包覆模制在该底座构件上的由第二材料(优选铝)制成的多个区段62。

底座构件60在图2至图4中被描绘出，其中图2是透视图，图3是平面正视图并且图4是截面视图。该底座构件包括一个中央轮毂构件64、一个外部环状环构件66以及多个连接臂构件68。

底座构件60优选地是由金属性金属构件例如钢制成的。钢材料具有结构强度、刚度并且影响磁通量线。该底座构件优选地是由单件材料制成、没有任何焊接或连接。它可以通过冲压工艺、或任何其他常规工艺制成图中所示的形状。中央轮毂构件64具有一个中央开口70，用于与该气动风扇驱动组件进行组装。在该轮毂构件中提供了多个孔洞72以用于将该底座构件(和整个通量环构件50)紧固并固定至该风扇驱动组件上。这在图9中示出。使用多个紧固件例如螺栓74将构件50固定至该风扇组件上。

多个臂构件68将底座构件60连接至外部环状环构件66上。这些径向延伸的臂构件中具有一条或多条成形的曲线，以允许环状环构件66相对于轮毂构件64具有改善的径向移动自由度。如图所示，尤其如图2、4、7和图8所示，这些臂构件64优选地具有带有一条或多条曲线和多个拐点的一种形状。这提供了所希望的强度并且在不引起高的弯折应力情况下允许该中央轮毂构件与外部环状环构件之间的显著的差异膨胀。然而，这种构型不是强制性的，并且在被加热时可以适应径向膨胀而不造成明显应力点的其他臂形状将是足够的。

优选地，该臂构件应提供径向顺应性。图10中示出了用于本发明优选实施例的、实现了这点的一种优选的弯曲结构。在此，臂构件68具有三个弧部R1、R2和R3以及两个拐点或曲率反向点。这使得臂构件中的应力均衡，尤其是如果R1＞R2＞R3的话。该臂构件中的更大量弯曲部可能产生不希望的额外应力。优选地，该轮毂构件与环状环构件之间的臂构件中的至少一个弯曲部是希望的。

带轮辐的臂构件中的曲线或弯折优选地遵循“双弯曲线”。双弯曲线的形状略微像字母“S”并且可以接近正切函数。双弯曲线具有从两个基本上平行的末端延伸并且将其连接的一对相反弯曲的弧部。参照图10，这两个相反弯曲的弧部是R1和R3，并且这两个基本上平行的末端被标记为64和66。

这些臂构件68之间的开放区域80在该通量环安装于该涡流机构上并且处于操作中时提供了显著的空气流动和流通。这些开口80(称为“通风”区域)允许空气穿过它们被抽出，其中空气可以用来帮助冷却通量环的与磁铁相邻的那侧。

当该通量环被包含为该涡流机构的一部分时，如图9所示，这些开口80允许冷却空气流经这些开口并流到该通量环的相反侧上。这是由箭头82所示出的。

图5至图8更详细地披露了包覆模制。底座构件60上的外部环状环66被另一种材料例如铝包覆模制。该包覆模制优选地在多个分开的区段中进行，尤其如图8所示。在这些包覆模制的区段之间提供了多个显著的径向空气隙。这允许它们分开地膨胀而不影响该包覆模制的其他区域。

如图所示，该底座构件上存在六个柔性臂68并且在完整的通量环50上存在六个分开的包覆模制的区段62。这是臂和区段的优选数目，但不是强制性的。臂构件和区段的数目可以在2至24的范围内，但是更小的数目可能不保证相同的最佳结果，并且更大的数目可能造成该包覆模制工艺中更多的时间和成本。优选地，提供3至12个臂构件和区段，其中6是优选的数目。

为了将这些包覆模制区段62更牢固地附接并粘接至环状环66上，在该环状环中提供了一个或多个凹陷或开口，例如孔洞88。这些包覆模制孔洞88优选地被定位在每个铝区段的几何中心附近。这允许每个区段中的铝材料在所有方向上自由且均匀地膨胀。虽然将这些包覆模制的区段62固定在一个位置处是优选的(这允许具有更高膨胀系数的材料在所有方向上膨胀并且避免过度应变)，但在本发明的范围内还能以其他方式来固定这些区段。例如，可以使用一个或多个凹陷或凹部、或多个小孔洞或凹部。

在包覆模制中，在该通量环的两侧上形成了多个叶轮叶片90。这对热量逸出至大气中提供了更多区域并且因此冷却了该通量环。这些叶片(或“鳍片”)90可以完全或局部地延伸跨过这些区段的宽度。它们还可以是交替的多个长叶片和短叶片，如图所示。

叶片(也称为“鳍片”)90尤其存在于该通量环上、从该通量环与磁铁102之间的空气隙95径向地向外。这尤其在图9和图11中示出。在图11中，这些叶片90A被定位成从空气隙95径向地向外。对于本发明的优选实施例，当该通量环旋转时，产生了空气82并且该空气穿过该底座构件的这些通风开孔80、穿过磁铁/通量环空气隙95、并且进入这些叶片90A。

图9中还示出了磁铁环100和该多个永磁铁102中的一个，这些永磁铁围绕该磁铁环被安排成环状图案。如在涡流组件中所示，该磁铁环中的磁铁所产生的磁通量与该通量环中的金属导电性材料反应致使该通量环进行旋转。这进而致使该输出构件(壳体14和风扇构件)旋转。并且，使用的磁铁越多，产生的磁力和磁通量越强，则涡流使该风扇构件旋转得越快。

如图9所示，包覆模制的通量环50的直径大于磁铁环100和该多个磁铁102的直径。这允许该通量环与磁铁之间的空气隙改善由该涡流组件所产生的热量的消散。这些铝叶片90作为冷却鳍片并且还通过引导空气流移动穿过该通量环中的通风孔洞80到达该空气隙中的通量环的表面来传递热量。

通过该包覆模制的铝材料的分段，减小了钢底座构件60的外部环状环66的径向膨胀。在每个包覆模制的区段62下方使用单一冲压孔洞(例如孔洞88)允许在该铝与钢之间发生三维的差异膨胀。这将高温下该环状钢环上的箍绕荷载最小化。

这些柔性臂构件68允许环状外钢环66构件与轮毂构件64的钢部分相比具有更大的径向膨胀。这由于差异性的热膨胀减小了应力。并且通过本发明降低了该内部钢轮毂构件的温度，这保护了该气动摩擦离合器组件的靠近或接触该轮毂部分的轴承96和其他热敏感部件。

双速干摩擦风扇驱动器(一个具有全部为铝的通量环并且一个具有根据本发明制成的通量环)之间的对比试验显示，本发明具有显著的优点。最大温度是从209℃降低至158℃，轮毂构件处的温度是从176℃降低至89℃，最大主应力是从545MPa减小至129MPa，并且差异径向膨胀从0.329mm减小至0.213mm。

在图12至图14中描绘了本发明的通量环的一个替代实施例并且用参考号200表示。该通量环包括一个金属底座构件210以及包覆模制在该底座构件上的多个区段230。底座构件210优选地是一个冲压的钢盘式构件。这些区段230优选地由铝材料制成并且被包覆模制在该底座构件上。

底座构件200类似于以上所描述的底座构件60，但是具有一些改变的特征。该底座构件200包括一个中央轮毂构件212、一个外部环状环构件214以及多个连接臂构件216。这些臂构件216也称为“轮辐”。在这些臂构件之间形成了多个开口218。轮毂构件212具有一个中央开口220，用于将该通量环与风扇驱动组件组装在一起。在该轮毂构件中提供了多个开口(孔洞)222以用于将该通量环紧固至该风扇驱动组件上。

这些臂构件216各自具有一条或多条成形的曲线，以允许相对于轮毂构件212在径向方向上的移动自由度。这是与以上参照图2至图11所讨论的臂构件68相同的。虽然臂构件216比臂构件68更宽，但是它们优选地具有与以上所讨论的臂构件68相同或类似的曲线和拐点。

这些开放区域(开口)218在该通量环安装于涡流机构中且正在运行时提供了类似的空气流动和流通，如以上所讨论的、尤其相对于图9所讨论的。

这些区段230的包覆模制以及所提供的区段的数目是与以上参照图2至图11所讨论的相同的。

出于与以上相对于开口88所讨论的相同原因，在外部环状环214中也提供了多个开口240(也称为孔洞)。这些开口240是相对于包覆模制的区段230居中定位的、但是是与开口218对齐而不是与带轮辐的臂构件216对齐。这还将包覆模制的区段220的中心定位在这些臂构件之间。这种关系对于制造该通量环提供了方便。在功能上，所描绘的这两个通量环实施例应表现相同。

也在包覆模制的区段230的一侧或两侧上提供了多个叶片(或鳍片)250。这些是与以上所讨论的叶片90相同的并且是出于相同的原因(空气冷却)而提供的。这些叶片的数目和长度并不是至关重要的。

还能够提供具有重叠“之字形”构型的包覆模制的区段，如图15所示。这个通量环实施例300基本上是与以上所讨论的通量环实施例50和200相同的，但是在这些包覆模制的区段310之间具有不同的侧边缘302和不同的空气隙304。该轮毂构件和带轮辐的空气构件可以是与以上所讨论的其他实施例相同或类似的。这些包覆模制的区段310在一侧或两侧上也优选地具有多个冷却鳍片或叶片320。

虽然已经结合一个或多个实施例描述了本发明，但是要理解的是，已经描述的这些具体机构和技术仅是对本发明原理的展示，并且在不背离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围的情况下可以对所描述的方法和设备做出大量修改。

Claims (13)

1.一种用于涡流组件的通量环，该通量环包括：

由第一金属材料制成的一个底座构件，所述底座构件具有一个中央轮毂构件、一个外部环状环构件以及将该轮毂构件连接至该外部环状环构件上的多个臂构件，所述臂构件沿径向延伸；以及

被定位在所述外部环状环构件上的、由第二金属材料制成的包覆模制的构件，

其中，所述包覆模制的构件包括多个分开的区段，在所述区段之间提供了多个径向空气隙，

其中所述第一金属材料是钢并且所述第二金属材料是铝，

其中所述底座构件用于与所述涡流组件的磁铁环中的磁铁所产生的磁通量反应。

2.如权利要求1所述的通量环，其中所述第二金属材料的膨胀系数大于所述第一金属材料的膨胀系数。

3.如权利要求1所述的通量环，其中所述包覆模制的构件被包覆模制在所述外部环状环构件上、在多个分开的区段中。

4.如权利要求3所述的通量环，其中提供了2至24个区段。

5.如权利要求3所述的通量环，进一步包括在所述外部环状环构件中的多个开口或凹陷，所述开口或凹陷的至少一个被定位在所述分开的区段各自的下方。

6.如权利要求1所述的通量环，其中所述臂构件是柔性的并且是径向顺应性的。

7.如权利要求6所述的通量环，其中所述臂构件各自包括至少两个弯曲的材料弧部。

8.如权利要求1所述的通量环，进一步包括在所述底座构件中的多个通风开口，所述通风开口被定位在多个臂构件之间。

9.一种制作通量环的方法，该方法包括：

提供第一金属材料的一个底座构件，所述底座构件具有一个中央轮毂构件、一个外部环状环构件以及将该轮毂构件连接至该外部环状环构件上的多个臂构件，并且

在该外部环状环构件上包覆模制一个第二金属构件，所述第二金属构件被包覆模制在所述外部环状环构件上、在多个分开的区段中，在所述区段之间提供了多个径向空气隙，

其中所述第一金属材料是钢并且所述第二金属构件由铝材料制成，

其中所述底座构件用于与涡流组件的磁铁环中的磁铁所产生的磁通量反应。

10.如权利要求9所述的方法，其中所述第二金属构件的膨胀系数大于所述第一金属材料的膨胀系数。

11.如权利要求9所述的方法，其中提供了2至24个区段。

12.如权利要求9所述的方法，进一步包括在所述外部环状环构件中提供多个开口，所述开口的至少一个被定位在所述分开的区段各自的下方。

13.一种改善到涡流组件的磁铁环和通量环的环境空气中的热传递的方法，所述磁铁环具有多个磁铁，该方法包括：

将多个叶片定位在所述通量环上；

将所述叶片的至少一部分定位成在所述磁铁环上的磁铁的径向向外；

在所述通量环中提供多个空气流动开口；

其中空气流被引导穿过所述空气流动开口、穿过该通量环与该磁铁环上的磁铁之间的空隙并且经过叶片，由此适应从该磁铁环和通量环到环境空气的热传递，

所述方法进一步包括对所述通量环提供一个底座构件和包覆模制构件，所述通量环具有一个轮毂构件、一个外部环状环构件以及多个臂构件而在所述臂构件之间留下所述空气流动开口，

其中，所述臂构件沿径向延伸，并且所述包覆模制构件包括多个分开的区段，在所述区段之间提供了多个径向空气隙，所述底座构件由钢制成，所述包覆模制构件由铝制成。