JP2012519253A - 直接制御式線形可変容量ベーンポンプ - Google Patents

Abstract

動力伝達装置のための流体ポンプシステムであって、ロータと、ロータに連結された複数のベーンと、ポンプの容量を変動させるために直線状に移動が可能なスライドとを収容したハウジングを備えた可変容量ベーンポンプを含んでいる。制御システムはポンプの容量を変更し、ポンプの作動速度とは無関係な継続的に可変である範囲の出力圧力から選択された流体出力圧力を提供する。制御システムは、最小ポンプ容量位置と最大ポンプ容量位置との間でスライドを動かすためのリニアアクチュエータを含んでいる。リニアアクチュエータはスライドに作用するアクチュエータシャフトを双方向に移動させるための電気ステッパモータを含んでいる。
【選択図】図１

Description

本発明は自動車用の流体ポンプシステムに関する。特に本発明は、ポンプの作動速度とは無関係に継続的に可変である出力流量を提供する可変容量ベーンポンプおよびその制御システムに関する。

＜関連出願＞
本願は２００９年３月５日出願の米国仮特許願６１／１５７６０１の優先権を主張する。当該特許願の内容を本願に援用する。

内燃機関や自動変速機、等々の機械システムは、典型的に潤滑油ポンプを含み、加圧下で潤滑油を機械システムの多くの可動コンポーネント及び／又はサブシステムに送る。大抵の場合に潤滑油ポンプは機械システムの回転コンポーネントによって駆動される。ポンプの作動速度および出力は機械システムの作動速度と共に変動する。しかしながら機械システムの潤滑油需要は、典型的には機械システムの作動速度には直接的に対応しない。

従来の固定容量潤滑ポンプは、一般的にエンジンのアイドリング速度と作動時の最高潤滑油温度とに対応する比較的に遅い速度において十分な流量を提供するように設計されていた。この設計思想は自動車の運行時の大部分において潤滑油の過剰供給状態を招いた。少なくとも１つの構成形態では圧力解放弁が提供され、余剰の潤滑油をポンプインレットまたはオイル溜に戻し、機械システムにおいて過剰圧力状態を回避した。運行条件によっては加圧潤滑油の過剰供給は機械システムが必要とする量の５００％程度であった。その結果、多量のエネルギーが、やがては解放弁を介して廃棄される潤滑油の加圧に消費されていた。

さらに近年になって可変容量ベーンポンプが潤滑油ポンプとして利用されるようになった。一般的にはこのようなポンプは、ある作動速度においてポンプの容量、すなわちその出力を変更するように作動する制御リングまたは他の形態の制御機構を含んでいる。典型的にはフィードバック機構には加圧潤滑油がポンプの出力部から供給され、ポンプの容量を変更し、機械システムの運行条件の予測される範囲を通じてエンジンの過圧状況を回避する。

このような可変容量ポンプは固定容量ポンプに対してエネルギー効率のいくらかの改善を提供するが、機械システムの変動する需要に応じてではなく、機械システムの作動速度に応じて変動するポンプの出力圧力によってポンプ容量が直接的あるいは間接的に制御されるため、大きなエネルギー損失が発生する。

別な可変容量ポンプ制御システムが特許文献１において解説されている。この制御システムは可変容量ポンプに連結された電気ソレノイドを含み、エンジン作動時にポンプの容量を変動させる。電気ソレノイドは追加的なポンプ制御を提供するであろうが、その利用にはいくつかの問題が存在する。

典型的なソレノイドは、ポンプの作動時を通じてその作動状態を保つためには電流の継続的な供給を必要とする。そのための電力消費は、ポンプが過剰な潤滑油を提供する時間を最短化するように制御する利点を相殺するであろう。さらにソレノイドの最大動力性能は電磁石のサイズおよびそこに供給される電流量によって制限される。適用状態によっては、所望の動力を提供するのに必要な電磁石のサイズは自動車環境内にソレノイドを設置することを不可能にする。

米国特許第７０１８１７８号

従って必要エネルギーを最少限に保ったまま所望の潤滑油流量を発生させる改良された潤滑油システムが求められている。

この章では本発明の概要を提供するが、本発明の全範囲あるいは全特徴の包括的な開示ではない。

動力伝達装置のための流体ポンプシステムは、ロータと、ロータに連結された複数のベーンと、偏心量を変えることでポンプの容量を変えるための直線移動式スライドとを含んだハウジングを有した可変容量ベーンポンプを含む。制御システムがポンプの容量を変更し、ポンプの作動速度とは無関係に継続的に可変である範囲の出力圧力から選択された流体出力圧力を提供する。制御システムは最小ポンプ容量位置と最大ポンプ容量位置との間でスライドを動かすためのリニアアクチュエータを含む。このリニアアクチュエータはスライドに作用するアクチュエータシャフトを双方向に移動させるための電気ステッパモータを含む。

さらに本発明は、ポンプの容量を変更するための直線的に移動可能なスライドを有した可変容量ベーンポンプを含んだ動力伝達装置のための流体ポンプシステムを開示する。リニアアクチュエータがスライドを最大ポンプ容量位置と最小ポンプ容量位置との間で移動させる。このリニアクチュエータは駆動部材を回転させる電気モータを含む。駆動部材は駆動されるアクチュエータシャフトと係合し、駆動部材の回転に応じてアクチュエータシャフトを直線移動させる。制御システムは、ポンプ容量の変更のためにアクチュエータシャフトを延伸あるいは引き戻させる信号をアクチュエータに送るコントローラを含む。

直接制御式可変容量ベーンポンプの１実施例の平面図である。 図１で示すポンプシステムの断面図である。 アクチュエータシャフトとスライドとを連結しているコネクタの斜視図である。 図１の可変容量ベーンポンプを制御する開ループ制御システムの概略構成図である。 図１の可変容量ベーンポンプと協調する閉ループ制御システムの概略構成図である。 別実施例による可変容量ベーンポンプの斜視図である。 図６で示すポンプのスライドとアクチュエータの配置を図示する平面図である。 図６で示すポンプのハウジングの平面図である。

本発明のさらなる利用分野は以下の説明から明確となるであろう。この章の説明と実施例は本発明の説明のみを目的としており、本発明の範囲の限定は意図されていない。 添付の図面は選択された実施例の図示のみを目的としており、全ての可能な実施態様を図示するものではなく、本発明の範囲の限定は意図されていない。

以下において添付の図面を利用して本発明の実施例をさらに詳細に説明する。

図１から図３は例示的な動力伝達装置１２と協調作用するポンプシステム１０を図示する。動力伝達装置１２は概略的に図示されており、内燃機関、トランスミッション、トランスファケース、車軸アセンブリ、等々を任意に含むことができる。ポンプシステム１０は、ポンプ１４を動力伝達装置１２に取り付けるためのフランジ１７を備えたハウジング１６を含んだ可変容量ポンプ１４を含む。あるいは、ハウジング１６は動力伝達装置と一体的に形成される。インレット１８はポンプ作業対象流体を保存するオイル溜２２に低圧路２０を連結するようにハウジング１６を通って延びる。ハウジング１６のアウトレット２４は高圧チャンバ２６を動力伝達装置１２と連結する。

ポンプ１４はロータチャンバ３２の内部に回転式に取り付けられたポンプロータ２８を含む。ドライブシャフト３４は動力伝達装置１２の一部であり、ポンプロータ２８と共に回転するように固定されており、潤滑油を搬送させるエネルギーを提供する。複数のポンプベーン３６がロータ２８に連結されており、ロータ２８に対して放射状にスライド可能である。それぞれのベーン３６の放射方向外端はスライド４０の内面３８と係合する。複数のポンプチャンバ４４は内面３８、ポンプロータ２８およびベーン３６により形成される。

スライド４０はハウジング１６内に形成された第１凹部４８内にスライド式に配置された第１アーム４６を含む。スライド４０はさらに第２ハウジング凹部５２内にスライド式に配置された第２アーム５０を含む。スライド４０はさらにハウジング１６の壁部５８と６０にそれぞれ隣接した実質平行である両側の壁部５４と５６を含む。前述した形状的特徴に基づいてスライド４０は第１の位置と第２の位置との間で直線的に移動するが、ハウジング１６に対しては回転できない。

スライド４０の内面３８は円形断面形状を有する。ロータ２８の外面６１も円形断面形状を有する。円筒状の内面３８の中央線は外面６１の中央に対して偏位している。従ってそれぞれのポンプチャンバ４４の容積はロータ２８が回転するにつれて変化する。チャンバ４４の容量はインレット１８と連通状態であるポンプの低圧側で増加する。ポンプのチャンバ４４はポンプ１４のアウトレット２４と連通状態である高圧側でサイズを減少させる。ポンプのチャンバ４４の容量変化はオイル溜２２から作動流体を導き出し、アウトレットポート２４から加圧流体を導くことでポンプ作用を発揮する。

ポンプ１４の出力はスライド４０を移動させることで変更できる。スライド４０の内面３８とロータ２８の外面６１との間の偏位量は、スライド４０が図１で示す第１位置に存在するときに最大となる。ポンプの出力流量はこの位置で最大である。スライド４０が第２位置に存在するときポンプ１４の偏位量と出力は最小あるいはゼロとなる。

リニアアクチュエータアセンブリ６２は第２アーム５０に連結され、スライド４０を軸６３に沿って第１位置、第２位置および両者間の任意位置にまで移動するように作動する。従ってポンプ１４は、ポンプの作動速度とは無関係である継続的に可変な範囲の出力圧力から選択される流体圧力を出力するように制御できる。

アクチュエータアセンブリ６２による提供が必要な作動力の大きさを減少させるため、圧力バランスチャンバ６４がスライド４０の一部を包囲する。圧力バランスチャンバ６４はアウトレット２４から提供される加圧流体と通流状態にある。圧力バランスチャンバ６４の形状と位置がスライド４０に作用する作動力を効果的に均衡させ、スライド４０の移動に必要な作動力を最小にし、ポンプ出力を変更する。

圧力バランスチャンバ６４は、軸６３に直交し、内面４８の中央線を通って延びている線の両側でスライド４０の一方側に沿って延びる。圧力バランスのためのこのような構成は望ましいが、ポンプシステム１０の必須要件ではないことは理解されるべきである。圧力バランスチャンバが存在せずともアクチュエータ６２は機能するが、スライド４０を移動させるのに必要なさらに大きな入力作動力を提供することが必要となる。

図２と図３で示すようにアクチュエータアセンブリ６２は、ハウジング７５の内部に収容されているステータ７２とロータ７４とを含んだ電気ステッパモータ７０を含む。ロータ７４は外ネジ式アクチュエータシャフト７８とネジ式に係合するナット７６に連結されている。ハウジング７５はポンプハウジング１６に連結されたフランジ７９を含む。あるいはフランジ７９は動力伝達装置１２に固定される。

図３は第２アーム５０にクリップ８２によって連結された先端８０を含んだアクチュエータシャフト７８を図示する。アクチュエータシャフト７８はクリップ８２の半円部８６を受領する溝８４を含む。クリップ８２はまた第２アーム５０内で形成されたスロット部９０内に移動される長形上部８８をも含み、アクチュエータシャフト７８をスライド４０に連結する。

図４に示すアクチュエータアセンブリ６２はコントローラ１００、電源１０２および駆動装置１０４と協調作用する。コントローラ１００は速度、圧力、流量または温度マップのアルゴリズムでプログラムされ、図４で示すような開ループ制御システムを利用してコントローラにポンプの流量を制御させる。図５はコントローラ１００と協調する圧力センサー１０６を含んだ閉ループ制御システムを図示する。

運用にあたりドライブシャフト３４は回転を開始してロータ２８を駆動する。潤滑油圧力および潤滑油流量はアウトレット２４で増加し始める。スタート時にコントローラ１００はスライド４０を第１位置に配置し、最大流量を提供する。従って流量はドライブシャフト３４の速度と共に線形に増加する。特定の速度においてポンプ１４によって搬送される流量は動力伝達装置１２が必要とする潤滑油量を超える。このときコントローラ１００は駆動装置１０４に信号を送る。

駆動装置１０４は電源１０２から電力を受領する。駆動装置１０４は電気パルスを発生させて電気ステッパモータ７０に送り、ナット７６を片方に回転させ、コントローラ１００により指令されたようにアクチュエータシャフト７８を延出あるいは引き戻させる。アクチュエータシャフト７８はスライド４０に直接的に連結されているため、アクチュエータシャフト７８とスライド４０の直線運動はポンプの偏心度を変更してポンプの出力流量を変える。

図４の開ループ制御システムが利用されるとコントローラ１００は駆動装置１０４に信号を送り続け、制御アルゴリズムの速度、圧力、流量または温度マッピングの任意の１種以上に基づいてスライド４０を配置させる。ポンプ１４と関係する専用の圧力センサーは不要である。代わりに図５で図示した閉ループフィードバックシステムは圧力センサー１０６を含み、ポンプ１４で出力された圧力を示す信号をコントローラ１００に提供する。コントローラ１００は駆動装置１０４に信号を出力してスライド４０を配置し、ポンプ１４に所望の潤滑油圧力を出力させる。

連結技術が動力伝達装置１２のポンプハウジング１６または別部分にアクチュエータハウジング７５をリッジ式に取り付けるように解説されてきた。この接続は線状に可動なスライド４０をアクチュエータシャフト７８に線状に移動させ、そこに動力を移動させる。ピン固定、リベット固定、溶接固定、プレス固定、接着剤固定、等々によってアクチュエータシャフト７８をスライド４０に固定するいかなる方法であっても本発明の範囲内である。さらに閉ループ制御システムは圧力センサーと協調関係であると解説したが、コントローラ１００に、アクチュエータ６２とポンプシステム１０の制御に関する決定のためのデータを提供するために利用できる任意の他のセンサーであっても利用が可能である。

図６と図７は別実施例による可変容量ポンプ１５０を図示する。ポンプ１５０は実質的にポンプ１４に類似する。よって前図で使用した部材番号にプライム符号（′）を付して使用する。ポンプ１５０はポンプ１４とは次のように異なる。すなわちスライド４０′は第１位置、すなわち最大偏心位置の方向に付勢されている。圧縮バネ１５２の１端はスライド４０′内に設けられたポケット１５４内に配置される。バネ１５２の反対端はハウジング１６′に設けられた凹部１５６内に配置される。バネ１５２は継続的に加圧され、スライド４０′を第１位置の方向に付勢する。

この構成でスライド４０′を第１位置の方向に移動させるのにアクチュエータ６２′は不要となる。アクチュエータ６２′はスライド４０′を第２位置の方向に移動させる動力を提供する。よってアダプタ１５８がアクチュエータシャフト７８′に固定できる。スライド４０′に設けられた平坦部１６２と接触する端面１６０を含む。端面１６０と平坦部１６２は圧縮バネ１５２の作用によって相互接触状態に保たれる。第１位置または最大偏心位置にて平坦部１６２はハウジング１６′に設けられたシート部１６４と接触状態にされる。

ポンプ作動時にアクチュエータ６２′は選択的にエネルギーを付与され、アクチュエータシャフト７８′を延出させたり、スライド４０′を第１位置から第２位置の方向へと動かす。電気エネルギーがアクチュエータ６２′に供給されなくなるとスライド４０′の位置はステッパモータ７０′の内部形状によって維持される。スライド４０′を第１位置の方向に移動させるために、アクチュエータ６２′に再びエネルギーが付与され、バネ１５２により提供されるバネ力によってスライド４０′を移動させる。最大流量を提供する第１位置と最小流量を提供する第２位置との間の無限数の位置が前述したようにアクチュエータ６２′の制御を通じて得られる。

前述の説明は本発明の単なる例示的な実施例を解説しているだけである。専門家であればそのような説明および添付の図面並びに「請求の範囲」には様々な変更が可能であり、それら変更は「請求の範囲」に属することを容易に認識するであろう。

Claims (22)

1. 動力伝達装置のための流体ポンプシステムであって、
   ロータと、該ロータに連結された複数のベーンと、ポンプの容量を変動させるために直線状に移動が可能なスライドとを収容したハウジングを備えた可変容量ベーンポンプと、
   前記ポンプの容量を変更し、該ポンプの作動速度とは無関係な継続的に可変である範囲の出力圧力から選択された流体出力圧力を提供するための制御システムであって、該制御システムは、最小ポンプ容量位置と最大ポンプ容量位置との間で前記スライドを動かすためのリニアアクチュエータを含んでおり、該リニアアクチュエータは前記スライドに作用するアクチュエータシャフトを双方向に移動させるための電気ステッパモータを含んでいる、制御システムと、
   を含んで成ることを特徴とする流体ポンプシステム。
2. 前記ハウジングは、前記スライドと協調作用状態にあり、加圧作動流体を受領する圧力バランスチャンバを含んでおり、流体バランス作動力は該スライドに対して作用し、結果として該スライドに作用する作動力はゼロに接近することを特徴とする請求項１記載の流体ポンプシステム。
3. 前記制御システムは駆動装置と協調作用状態にあるコントローラを含んでおり、前記電気ステッパモータに電気パルスを提供する駆動装置を備えていることを特徴とする請求項２記載の流体ポンプシステム。
4. 前記スライドは前記ハウジングに形成された凹部の実質平行である両側の壁部に隣接して配置された実質平行である両側の表面を備えた第１アームを含んでおり、該第１アームは前記スライドと前記ハウジングとの間の相対的な回転を規制することを特徴とする請求項１記載の流体ポンプシステム。
5. 前記スライドは前記ハウジングに形成された別な凹部の実質平行である両側の壁部に隣接して配置された実質平行である両側の表面を備えた第２アームを含んでおり、該第２アームは前記スライドと前記ハウジングとの間の相対的な回転を規制し、前記第１アームと前記第２アームとは互いに対向的に配置されていることを特徴とする請求項４記載の流体ポンプシステム。
6. 前記第２アームは前記アクチュエータシャフトを受領するポケットを含んでいることを特徴とする請求項５記載の流体ポンプシステム。
7. 前記アクチュエータシャフトと前記第２アームとを相互連結するクリップをさらに含んでいることを特徴とする請求項６記載の流体ポンプシステム。
8. 前記スライドは前記ベーンを受領するスライド腔部を含んでおり、前記圧力バランスチャ
   ンバは前記スライドの片側に沿って延びており、前記スライド腔部を通って延びる中央線の両側で流体を前記スライドの部分に作用させることを特徴とする請求項２記載の流体ポンプシステム。
9. 前記アクチュエータシャフトと前記スライドはそれぞれ互いに平行に移動することを特徴とする請求項１記載の流体ポンプシステム。
10. 前記スライドは前記ベーンを受領するスライド腔部を含んでおり、前記アクチュエータシャフトの移動線は該スライド腔部の中央線と交差することを特徴とする請求項９記載の流体ポンプシステム。
11. 前記スライドを前記アクチュエータシャフトと接触するように付勢するバネをさらに含んでおり、該アクチュエータシャフトは前記スライドに固定されていないことを特徴とする請求項１記載の流体ポンプシステム。
12. 動力伝達装置のための流体ポンプシステムであって、
    ポンプの容量を変動させるために直線状に移動が可能なスライドを含んだ可変容量ベーンポンプと、
    最小ポンプ容量位置と最大ポンプ容量位置との間で前記スライドを動かすためのリニアアクチュエータであって、該リニアアクチュエータは駆動部材を回転させる電気モータを含んでおり、該駆動部材の回転に対応して該駆動部材は駆動されるアクチュエータシャフトと係合し、該アクチュエータシャフトを直線状に移動させるリニアアクチュエータと、
    前記ポンプの容量を変更するために前記アクチュエータシャフトを延び出させるか引き戻すよう前記アクチュエータに信号を送るコントローラを含んだ制御システムと、
    を含んで成ることを特徴とする流体ポンプシステム。
13. 前記コントローラは開ループモードで作動し、前記ポンプにより出力される圧力を示す信号を受領しないことを特徴とする請求項１２記載の流体ポンプシステム。
14. 前記コントローラは前記ポンプにより出力される圧力を示す信号に対応して閉ループモードで作動することを特徴とする請求項１２記載の流体ポンプシステム。
15. 前記電気モータは最小容量位置と最大容量位置との間の様々な位置に前記スライドを配置するように作動する電気ステッパモータであることを特徴とする請求項１２記載の流体ポンプシステム。
16. 前記ポンプはハウジングを含み、前記スライドと協調作用状態であり、加圧作動流体を受領する圧力バランスチャンバを備えており、流体バランス作動力は前記スライドに作用し、結果として該スライドに作用する作動力はゼロに接近することを特徴とする請求項１２記載の流体ポンプシステム。
17. ＜４＞
    前記スライドは、前記ハウジングに形成された凹部の実質平行である両側の壁部に隣接して配置された実質平行である両側の表面を備えた第１アームを含んでおり、該第１アームは前記スライドと前記ハウジングとの間の相対的な回転を規制することを特徴とする請求項１６記載の流体ポンプシステム。
18. ＜５＞
    前記スライドは前記ハウジングに形成された別な凹部の実質平行である両側の壁部に隣接して配置された実質平行である両側の表面を備えた第２アームを含んでおり、該第２アームは前記スライドと前記ハウジングとの間の相対的な回転を規制し、前記第１アームと前記第２アームとは互いに対向的に配置されていることを特徴とする請求項１７記載の流体ポンプシステム。
19. ＜６＞
    前記第２アームは前記アクチュエータシャフトを受領するポケットを含んでいることを特徴とする請求項１８記載の流体ポンプシステム。
20. ＜７＞
    前記アクチュエータシャフトと前記第２アームとを相互連結するクリップをさらに含んでいることを特徴とする請求項１９記載の流体ポンプシステム。
21. ＜１１＞
    前記スライドを前記アクチュエータシャフトと接触させるように付勢するバネをさらに含んでおり、該アクチュエータシャフトは前記スライドに固定されていないことを特徴とする請求項１２記載の流体ポンプシステム。
22. ＜９＞
    前記アクチュエータシャフトと前記スライドはそれぞれ同一線に沿って移動することを特徴とする請求項１２記載の流体ポンプシステム。

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