JP2008095726A - 温度感応型流体式カップリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ファン回転速度を低下させエンジン出力の損失を減少させ各種回転部品の耐久性を向上させる。燃費を向上させ環境の悪化を防ぐ。感温体を利用しない単純な構造の温度感応型流体式カップリング装置を提供する。
【解決手段】仕切板の油溜り室側にスライド弁部材を揺動可能に支持し、この弁部材がアーム式に揺動することにより供給通路の油溜り室内の開口端を摺動しながら開閉するように配置する。カバーの外部にスライド弁部材と接触して運動させるソレノイド式アクチュエータを配置する。アクチュエータのピストンの端部がスライド弁部材と接触して運動させることにより、油溜り室からトルク伝達室への油の流れを制御し、トルクの伝達を制御する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、主として車両用内燃機関に適用される冷却ファンの作動を、車両の走行条件、機関の運転条件、周囲の温度条件などに応じて自動制御する機能を備えた温度感応型流体式カップリング装置の改良に関する。

この種の温度感応型流体式カップリング装置は例えば実開昭６１−４９１３８号公報に記載されており、その典型的構造では、先端に駆動ディスク（ホイール）を固着した回転駆動軸上に軸受を介して密封ケースが相対回転可能に支持され、密封ケース内部が仕切板によって油溜り室とトルク伝達室とに区画されている。外周に冷却ファンを取付けた密封ケースは、カバーと軸受を保持するボディとで組立てられている。そして密封ケースのカバー側外部に配置されたバイメタルから成る感温体が温度変化を受けて湾曲変形し、これに連動してピストン杆に当接する弁部材が仕切板に設けられた流出調整孔を開閉し、油溜り室からトルク伝達室へと油が流れ込むことによりトルクを伝達するようになっている。

感温体が検知する温度は一般にラジエータ通過後の空気の温度であり、例えば６０℃以下の低温ではバイメタルが略平坦になっていて弁部材が流出調整孔を閉鎖しカップリングがＯＦＦの状態にあり、６０℃以上の高温ではバイメタルが湾曲し弁部材が離れて流出調整孔を開放しカップリングがＯＮになるように設定されている。

流体カップリング装置は、ＯＦＦの状態では伝達トルクが小さくファンの回転速度も低いが、ＯＮの状態では伝達トルクが大きくなってファンの回転速度が上昇するという基本的な特性を備えている。

しかしながら、例えば自動車を急加速させたいときは、アクセルを踏み込んでスロットル開度を増加させ（続いて吸入空気量が増大する）エンジン側からカップリング側への入力（ＩＮＰＵＴ）回転速度を例えば１０００ｒｐｍから６０００ｒｐｍまで急上昇させることになるが、図４（Ａ）に示すように流体カップリングがＯＮであればファンの回転速度も同時に急上昇し、例えば５０００ｒｐｍまでオーバーシュート（つれ回り）した後、２５００ｒｐｍ程度に低下して安定する。このオーバーシュートの瞬間は、ファンの駆動馬力分だけ自動車の走行馬力が食われる（消費される）ことになるから、加速性能に悪影響を及ぼし、レスポンス（応答性）が劣っているという印象を与える。また、急激な回転速度の上昇によりファン騒音が発生すると共に燃費も悪化し排気ガスも増大して環境にも良くない等の問題点があった。

カップリング側への入力回転速度が６０００ｒｐｍよりもさらに上昇すると、流体カップリングがＯＮであっても油の粘性が低下するので、図５（Ａ）に示すようにファンの回転速度はやや低下し２０００〜２５００ｒｐｍ程度で安定する。しかしながら、このときは自動車が最高速度近くで走行しているので、ラジエータ前面に衝突する空気流だけでラジエータは充分に冷却されることになり、ファン回転速度を２０００ｒｐｍ以上に保つ必要はない。むしろファンが高速回転することにより走行馬力が食われ、ファンベルト等の部品が消耗し耐久性が低下することになると共に燃費にも環境にも良くないという問題点があった。

そこで本発明者等はその改良策として、実開平１−５３６３４号を提案し、実用新案登録第１９８３０９６号として登録された。しかしながら、この装置はバイメタルから成る感温体とソレノイド式のアクチュエータとを組み合わせた構成のため、構造が複雑で調整が容易でないという問題点があった。

本発明の主たる目的は、流体カップリングを所要の瞬間にＯＦＦにすることによりファン回転速度を低下させ、エンジン出力の損失を減少させることが可能な温度感応型流体式カップリング装置を提供することにある。

本発明の他の目的は流体カップリングの外周に取り付けられているファンの高速回転状態を減少させることにより、各種回転部品の耐久性を向上させると共に燃費を向上させ環境を悪化させないことが可能な温度感応型流体式カップリング装置を提供することにある。

本発明のさらに他の目的は感温体を利用しない単純な構造の温度感応型流体式カップリング装置を提供することにある。

前述した課題を解決するため、本発明は、先端に駆動ディスクを固着した回転駆動軸上に相対回転可能に支持されかつ外周に冷却ファン等を取り付けたボディとカバーとから成る密封ケースと、この密封ケースの内部を前記駆動ディスクを包囲するトルク伝達室とその反対側の油溜り室とに区画する仕切板と、前記油溜り室から前記トルク伝達室へと油を送る供給通路と、前記トルク伝達室から前記油溜り室へと油を戻す回収通路とを備え、前記仕切板の油溜り室側にスライド弁部材を揺動可能に支持するブラケットが固定され、前記スライド弁部材はアーム式に揺動することにより前記供給通路の油溜り室内の開口端を摺動しながら開閉するように配置されており、前記カバーの外部に前記スライド弁部材と接触して運動させるソレノイド式アクチュエータが配置され、前記アクチュエータのピストンの端部が前記スライド弁部材と直接又は間接的に接触して運動させることにより、前記油溜り室から前記トルク伝達室への油の流れを制御し、トルクの伝達を制御するようにした温度感応型流体式カップリング装置を提供する。

かかる構成に基づき、本発明によれば、自動車の急加速時あるいは高速走行時などファン回転速度を低下させたい瞬間には、ソレノイドを作動させればピストンの端部がスライド弁部材と直接又は間接的に接触した状態でピストンが伸長（あるいは収縮）してスライド弁部材を揺動させ、油溜り室からトルク伝達室への油の流れを遮断し、トルクの伝達を急激に低下させること（カップリングＯＦＦ）ができる。かくして、エンジン出力の損失を減少させて加速性能及び高速走行性能を向上させることができる。カップリングをＯＦＦにすることにより、急激な回転速度上昇に起因するファン騒音の発生、燃費の悪化、排気ガスの増加が防止できる。また、カップリングがＯＦＦになる時間が増加することにより高速回転状態が減少し、ファンベルトや軸受などの高速回転部品の耐久性が向上し、燃費の向上と排気ガスの減少を実現できる。さらにまた、感温体を利用しないので、構造が単純になり、コストが著しく低減する。

反対に、エンジン周囲の温度が上昇してファン回転速度を高めたいときには、ソレノイドを逆方向に作動させればピストンの端部がスライド弁部材と直接又は間接的に接触した状態でピストンが収縮（あるいは伸長）してスライド弁部材を揺動させ、油溜り室内の油が供給通路の開口端を通ってトルク伝達室内へと流入する。油がトルク伝達室内に流入しトルク伝達間隙（駆動ディスクと密封ケースの間隙）に油が充当されると、油の粘性（剪断）抵抗によってトルクが伝達されるようになり、カップリングがＯＮの状態になる。

前述したように、トルク伝達室内の油がトルク伝達室から油溜り室へと流出すると、トルク伝達間隙の油が微量となり、粘性（剪断）抵抗が減少してトルクが伝達されなくなる。従って、カップリングがＯＦＦの状態になる。カップリングＯＦＦの状態では、トルク伝達室内の油は、好適にはダム等の手段により駆動ディスクの外端部分から回収通路を経て油溜り室の側へと遠心力で押しやられ、あるいはダムにより掻き出されており、トルク伝達間隙には油がほとんど存在しないので、いわゆる「つれ回り」はほとんど発生しない。

ソレノイドを作動させる電源としては、スリップリングとブラシを介してエンジン側の電源を利用することが好ましいが、カップリング側に電池を搭載し外部から制御するなどしてもよい。

ソレノイドのＯＮ−ＯＦＦ作動は、エンジンの回転速度を検知するセンサと、吸入空気量を検出するエアーフローメータ又はスロットルバルブやアクセルペダルの開度を検出するセンサなど急加速を検出する手段と、マイクロコンピュータなどの制御ユニットを利用して実行することが望ましい。

本発明はさらに好適な態様として、スライド弁部材と仕切板との間にオイルダンパーを連結し、該オイルダンパーに内蔵されたダンパーピストンに設けられたダンパー弁の開閉作用によって、スライド弁部材がＯＮからＯＦＦの方向に移動するときは瞬時に移動させ、スライド弁部材がＯＦＦからＯＮの方向に移動するときは油がオリフィスを通過することによってゆっくり移動させるように、その運動速度を制御することができる。これにより、急激な回転速度上昇に起因するファン騒音の発生などを防止することができる。以下、添付図面の実施例を参照しながら本発明をさらに詳細に説明する。

図１は、本発明の好適な実施態様による温度感応型流体式カップリング装置の非作動時（ファンＯＦＦ時）を表し、図２はカップリング装置の動作時（ファンＯＮ時）を表している。図３はカップリング装置を正面側から見た図である。このカップリング装置は、その先端に駆動ディスク２を固着した回転駆動軸１上に軸受３を介して相対回転可能に支持されかつ外周に冷却ファン１６を取り付けたボディ５とカバー４とから成る密封ケース６と、この密封ケース６の内部を駆動ディスク２を包囲するトルク伝達室９とその反対側の油溜り室８とに分割する仕切板７と、油溜り室８からトルク伝達室９へと油を送る供給通路１０と、トルク伝達室９から油溜り室８へと油を戻す回収通路１１とを備えている。

カバー４の油溜り室８側にはスライド弁部材１２を揺動可能に支持するブラケット１３が固定され、スライド弁部材１２は支点１４を軸としてアーム式に揺動することにより供給通路１０の油溜り室内の開口端１０ａを摺動しながら油の通路を開閉するように配置されている。

トルク伝達室９から油溜り室８へと油を回収する回収通路１１と対応する位置の密封ケース６上に、油を掻き出すためのダム１８が設けられ、回収通路１１はダム１８に対して回転方向手前側に位置決めされている。

駆動ディスク２の側面は、その一方の側面でボディ５の内面との間に第１のトルク伝達間隙２１ａを形成し、その他方の側面でカバー４の内面との間に第２のトルク伝達間隙２１ｂを形成するようになっている。

本発明の特徴に従い、カバー４の外部にスライド弁部材１２と接触して運動させるソレノイド式アクチュエータ２２が配置され、アクチュエータ２２のピストン２４の先端２４ａがスライド弁部材１２と直接接触して弁部材１２をアーム式に揺動させることにより、油溜り室８からトルク伝達室９への油の流れを制御し、トルクの伝達を制御するようになっている。ソレノイドを作動させる電源としては、スリップリングとブラシを介してエンジン側の制御ユニットからの電源を利用している。

すなわち、密封ケース６のボディ５側の外表面にスリップリング２６が固定され、これと接触するブラシ２８はそのホルダー３０内に取り付けられたスプリング３２の作用でスリップリング２６に押し当てられている。ブラシ２８はマイクロコンピュータから成る制御ユニット４０に電気的に接続され、制御ユニット４０は一方でエンジンの回転速度を検出するセンサ４１と吸入空気量を検出するエアーフローメータ４２に接続され、他方でエンジン用のバッテリ導線４４に接続されている。さらに、エンジン又は車両の外気温を検出するためのセンサ４６が設けられている。なお、エアーフローメータ４２の代わり又は追加としてスロットルバルブの開度を検出するセンサ４３あるいはアクセルペダルの開度を検出するセンサ４７を接続してもよい。

従って、ソレノイド２２への電力供給は、プラス側はスリップリング２６とソレノイド２２とを接続する導線３４で行われ、マイナス側はバッテリ導線４４から自動車の車体へのボディアースを通じて行われる。なお、ボディアースとカップリングとの間の電気的接続が不確実な場合は、スリップリング２６を同心円状に２個設けて２個のブラシ２８と接触させるようにする。

エンジン回転センサ４１はエンジン回転速度を瞬間的に検出し得るタイプとし、その信号を制御ユニット４０へと伝達する。制御ユニット４０はその信号を受けてエンジンの高回転時を判定し、ソレノイド２２に電流を流して作動させる。

エンジンの急加速は、エアーフローメータ４２及び／又はスロットルバルブ開度センサ４３あるいはアクセルペダル開度センサ４７を用いて検出する。すなわち、ある瞬間における吸入空気量をＱanとし、ΔＱan＝Ｑan−Ｑan-1を吸入空気量増加率とし、ΔＱanが設定値α以上になった時に急加速であると判定する。吸入空気量は、例えばクランク軸１回転ごとに測定すればよい。あるいはスロットルバルブ又はアクセルペダル開度をＴＶθとし、Ａ＝ｄθＴＶθ／ｄｔをスロットル開度増加率とし、Ａが設定値β以上になった時に急加速であると判定する。

スロットル開度などの変化率は例えば０．０１秒ごとに測定すればよい。いずれかの方法により、制御ユニット４０が急加速を判定するとソレノイド２２に電流を流して作動させる。

本発明による流体カップリング装置は以上のように構成されているので、外気温検出センサ４６が外気温の低い状態を検出した場合は、制御ユニット４０の作動により、ソレノイド式アクチュエータ２２はＯＦＦ（伸長状態）となり、図１に示すようにスライド弁部材１２が供給通路１０の油溜り室内の開口端１０ａを閉鎖する。これにより、油は遠心力によってトルク伝達室９内の外周部分へと送られ、さらにダム１８の働きにより、密封ケース６の外周付近に設けられた回収通路１１を通じて油溜り室８へと送り出されて油を滞留させる。かくして、第１及び第２のトルク伝達間隙２１ａ，２１ｂにはほとんど油が存在せず、ファンは回転しない状態になる。

さらに、制御ユニット４０が、エンジンの急加速又は高回転を判定した場合にも、外気温検出センサ４６が外気温の低い状態を検出した場合と同様に、制御ユニット４０の作動により、ソレノイド式アクチュエータ２２はＯＦＦ（伸長状態）となり、図１に示すようにスライド弁部材１２が供給通路１０の油溜り室内の開口端１０ａを閉鎖し、ファン回転速度が急激に低下する。

外気温が上昇し外気温検出センサ４６が外気温の高い状態を検出した場合には、ソレノイド式アクチュエータ２２はＯＮ（収縮状態）になり、図２に示すようにピストン２４の先端２４ａが後退し、スライド弁部材１２が支点１４を中心にしてアーム式に揺動し、供給通路１０の油溜り室内の開口端１０ａがスライド弁部材１２の先端１２ａから外れて開放させられる。これにより、油溜り室８内の油は遠心力によって供給通路１０へと流入し、油溜り室８からトルク伝達室９へ流入し、トルク伝達間隙２１ａ，２１ｂに流入することにより密封ケース６を回転させ、外周に取り付けられたファン１６が回転することになる。

図示の例では、スライド弁部材１２と仕切板７との間にオイルダンパー５０が連結され、ダンパーピストン５２に内蔵されたダンパー弁５１の開閉作用によって、スライド弁部材１２がＯＮからＯＦＦの方向に移動するときは瞬時に移動させ、スライド弁部材１２がＯＦＦからＯＮの方向に移動するときは油がオリフィス５３を通過することによってゆっくり移動させるようになっているので、急激な回転速度上昇に起因するファン騒音の発生や燃費の悪化などを防止することができる。オイルダンパー５０とカバー４の内面との間にはバックアップスプリング５５が挿入されて、ダンパーの作用を補助している。

図４（Ｂ）は本発明による急加速時のファン回転速度の上昇の一例を表したもので、エアーフローメータ４２又はセンサ４３、４７が急加速を検出すると、制御ユニット４０が働いてタイマーにより約１０秒間カップリングをＯＦＦにする。これにより、ファンのオーバーシュートは約２０００ｒｐｍ程度ですぐ終了し元の回転速度付近に戻る。１０秒経過後にカップリングがＯＮになると、約２５００ｒｐｍへと上昇し、このときはエンジン回転速度が定常状態に入っているのでオーバーシュートを生じない。かくして、急加速時の馬力損失が約４ＰＳほど減少し、加速性能及び応答性が改善されることが判明した。

図５（Ｂ）は本発明による急回転時のファン回転速度の変化の一例を表したもので、センサ４１が高回転を検出しファン回転速度が６０００ｒｐｍ以上であることを制御ユニット４０が判断すると、制御ユニット４０が働いてカップリングをＯＦＦにする。これにより、ファン回転速度は２５００ｒｐｍ程度から１０００ｒｐｍ程度へと急激に低下し、馬力損失が約４ＰＳほど減少し、高速走行性能が改善されることが判明した。これは特に回転速度域が高い領域を使用する高速エンジンにとって有利であることも判明した。

以上詳細に説明したように、本発明によれば、次のような利点が得られる。
（１）急加速時における損失馬力が減少し加速性能及び応答性が向上する
（２）高回転時における損失馬力が減少し高速走行性能が向上する
（３）ファン騒音が低下する。
（４）燃料消費率が小さくなる
（５）回転部品の寿命が延長され、信頼性が高まる
（６）感温体を利用しないので構造及び制御が簡単になり、コストが著しく低減する
（７）排気ガス量と有害物質量が減少し環境への悪影響が減るなど、その技術的効果には極めて顕著なものがある。

本発明による温度感応型流体式カップリング装置の概略断面図。 本発明による温度感応型流体式カップリング装置の概略断面図。 本発明による温度感応型流体式カップリング装置の概略正面図。 従来例と本発明による急加速時のファン回転速度を表すグラフ。 従来例と本発明による高回転時のファン回転速度を表すグラフ。

符号の説明

１・・・駆動軸 ２・・・駆動ディスク ３・・・軸受
４・・・カバー ５・・・ボディ ６・・・密封ケース
７・・・仕切板 ８・・・油溜り室 ９・・・トルク伝達室
１０・・・供給通路 １０ａ・・・開口端 １１・・・回収通路
１２・・・スライド弁部材 １２ａ・・・スライド弁部材先端
１３・・・ブラケット １４・・・支点
２１ａ，２１ｂ・・・トルク伝達間隙 ２２・・・ソレノイド
２４・・・ピストン ２４ａ・・・ピストン先端
４０・・・制御ユニット ５０・・・オイルダンパー

Claims (2)

1. 先端に駆動ディスクを固着した回転駆動軸上に相対回転可能に支持されかつ外周に冷却ファン等を取り付けたボディとカバーとから成る密封ケースと、この密封ケースの内部を前記駆動ディスクを包囲するトルク伝達室とその反対側の油溜り室とに区画する仕切板と、前記油溜り室から前記トルク伝達室へと油を送る供給通路と、前記トルク伝達室から前記油溜り室へと油を戻す回収通路とを備え、
   前記仕切板の油溜り室側にスライド弁部材を揺動可能に支持するブラケットが固定され、前記スライド弁部材はアーム式に揺動することにより前記供給通路の油溜り室内の開口端を摺動しながら開閉するように配置されており、
   前記カバーの外部に前記スライド弁部材と接触して運動させるソレノイド式アクチュエータが配置され、
   前記アクチュエータのピストンの端部が前記スライド弁部材と直接又は間接的に接触して運動させることにより、前記油溜り室から前記トルク伝達室への油の流れを制御し、トルクの伝達を制御することを特徴とする温度感応型流体式カップリング装置。
2. 前記スライド弁部材と前記仕切板との間にオイルダンパーが連結され、前記スライド弁部材の運動速度を制御するようになっている請求項１記載の温度感応型流体式カップリング装置。
   

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