JP2013142311A - ウォータポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】構成が簡単で軽量・コンパクトなクラッチ機構を備えたウォータポンプを得る。
【解決手段】巻き掛けられたベルトにより回転駆動されるよう装置本体に軸支されたプーリ７と、プーリ７の回転軸芯Ｘと同軸芯で回転可能に装置本体に軸支された回転軸３と、回転軸３の一端側に冷却水を流通させるよう備えた羽根部４と、羽根部４とは反対側に回転軸３と一体回転する状態に設けられ、流体の給排によって自身が膨張収縮可能であり、膨張状態においてプーリ７の一部に当接して回転軸３を回転させる弾性部材８と、弾性部材８に対して流体を供給・排出する流体給排部９とを備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、巻き掛けられたベルトにより回転駆動されるよう装置本体に軸支されたプーリと、プーリの回転軸芯と同軸芯で回転可能に装置本体に軸支された回転軸と、回転軸の一端側に冷却水を流通させるよう備えた羽根部と、羽根部とは反対側に回転軸と一体回転する状態に設けられ、前記プーリに対して係合離脱可能なクラッチ部を備えたウォータポンプに関する。

例えば、自動車のエンジンに備えられるウォータポンプの場合、エンジン冷却水の温度が低いときにはウォータポンプを駆動する必要はない。従来のウォータポンプの中には冷却水の温度が設定値を越えた際にクラッチ機構を入り操作してウォータポンプを作動させ、冷却水をラジエータに循環させる制御が行われるものがある。

このようなウォータポンプを制御するクラッチ機構としては、例えば特許文献１に示すものがある。即ち、ベルトの駆動により駆動回転するプーリの内部でプーリと同軸芯に回転軸を備え、プーリの回転力を回転軸に伝える構成が示されている。回転軸の端部には冷却水を流通させるインペラが備えられており、このクラッチ機構の入切によってインペラへの駆動力を断続し、ウォータポンプの駆動を制御している。

特許文献１では、回転軸に外嵌する固定部に板バネが支持され、この板バネの外周部分にアーマチュアとクラッチ板とが備えてある。プーリの内部空間にはコイルが備えられている。クラッチ板はプーリの側面に隣接配置され、コイルに通電することによりアーマチュアが回転軸に沿って移動し、プーリの側面に引き寄せられる。これにより、クラッチ板がプーリの側面に圧接され、プーリの駆動回転力を、クラッチ機構を介して回転軸に伝え、ウォータポンプを駆動するように構成されている。

特開２０１１‐２０２５２６号公報

このようなクラッチ機構では、プーリの回転駆動力を回転軸に伝えるために、まず、アーマチュアを設ける必要がある。このアーマチュアは、駆動力が伝達される側の回転軸と一体回転し、かつ、回転軸の軸芯方向に沿ってスラスト移動可能に構成されなければならない。このような機構は限られた空間の中で構成しなければならず、構成が複雑となり、組み立ても煩雑となる。
また、アーマチュアをプーリの側に引き付けるコイルユニットが必要となるが、このコイルユニットは、アーマチュアとプーリとの当接状態を確実に維持するため、所定の磁力を発生させ得る大きさのものが求められる。このため、ウォータポンプのサイズが大きくなり、それに伴なって重量も増加する。
このように、従来のウォータポンプでは、特にクラッチ機構の構成が煩雑で組立工数が増加し、サイズ・重量も大きくなって搭載性に劣るなど、未だ改善すべき点が多い。

本発明の目的は、構成が簡単で軽量・コンパクトなクラッチ機構を備えたウォータポンプを得ることにある。

〔第１の特徴構成〕
本発明に係るウォータポンプの第１特徴構成は、巻き掛けられたベルトにより回転駆動されるよう装置本体に軸支されたプーリと、前記プーリの回転軸芯と同軸芯で回転可能に前記装置本体に軸支された回転軸と、前記回転軸の一端側に冷却水を流通させるよう備えた羽根部と、前記羽根部とは反対側に前記回転軸と一体回転する状態に設けられ、流体の給排によって自身が膨張収縮可能であり、膨張状態において前記プーリの一部に当接して前記回転軸を回転させる弾性部材と、前記弾性部材に対して前記流体を供給・排出する流体給排部と、を備えた点にある。

〔作用効果〕
本構成のごとく、特に、流体の給排によって自身が膨張収縮可能な弾性部材を用いてプーリと回転軸との回転接続を行うものであれば、従来のウォータポンプが備えるクラッチ機構のように多数の部品を使う必要がなくなる。よって、クラッチ機構の構成を極めて簡単にかつ軽量に構成することができる。
また、弾性部材を用いるので、プーリと回転軸との間隔のバラつきや、両者間の隙間空間の形状に拘らず、両者に柔軟に当接させることができる。よって、プーリと回転軸との間に弾性部材を設置する際に厳しい取り付け精度は要求されない。
このように、本発明のウォータポンプはクラッチ機構を合理的に構成できる結果、装置のコストも低減することができる。

〔第２の特徴構成〕
本発明に係るウォータポンプの第２特徴構成は、前記弾性部材が環状のゴムチューブであり、前記回転軸から径方向に突出して設けられたホイール部の外周部に前記ゴムチューブを取り付けた点にある。

〔作用効果〕
弾性部材とプーリとは単に当接するだけであり、羽根部の駆動力は弾性部材の摩擦力に依存する。この摩擦力は、流体給排部の能力によって増減するが、弾性部材の膨張率を高めて押し付け力を増大させるにしても一定の限界がある。そこで本構成のごとく、回転軸に設けたホイールの外周部に弾性部材を設けることとすれば、回転軸からプーリまでの距離を長く確保し、羽根部を回転させるトルクを増大させて、羽根部を確実に回転させることができる。
さらに、ホイール部の半径を長くすることで、弾性部材の容量を小さくでき、クラッチ機構のサイズをコンパクトにすることも可能となって、合理的なウォータポンプを得ることができる。

〔第３の特徴構成〕
本発明に係るウォータポンプの第３特徴構成にあっては、前記プーリに、膨張した前記弾性部材のうち前記回転軸芯から最も遠い部位が当接する第１当接部を設けると共に、当該第１当接部よりも前記回転軸芯の側に前記膨張した弾性部材の他の部位が当接する少なくとも一つの第２当接部を備えておくことができる。

〔作用効果〕
本構成のように、弾性部材の複数の部位をプーリに当接させることで、プーリに当接する弾性部材の面積が増大する。よってプーリと弾性部材との間に発生する摩擦力が増大し、駆動力の伝達能力が向上する。

〔第４の特徴構成〕
本発明に係るウォータポンプの第４特徴構成においては、前記回転軸芯から離れる方向に突出可能な爪部を前記回転軸の側に設け、当該爪部と係合可能な受部を前記プーリに設けておくことができる。

〔作用効果〕
エンジンを稼動させている最中には、例えば運転者がアクセルをオンオフ操作することなどに起因してエンジン回転数が変化し、それに伴なってプーリの回転速度も変化する場合がある。その際、プーリと回転軸との駆動伝達を弾性部材のみで行っていると、プーリと回転軸との間で速度差が生じようとする度に回転方向に沿ったせん断力が弾性部材に作用する。このような外力は弾性部材の劣化を早める。
そこで、本発明のごとくプーリと回転軸とを一体係合する爪部を設けておけば、弾性部材に上記せん断力が作用することを阻止して、弾性部材の耐久性を高めることができる。
尚、爪部がプーリの側に係合したあとは、場合によっては弾性部材から流体を排出して弾性部材の使用を休止することもでき、この点においても弾性部材の耐久性の向上に寄与する。

〔第５の特徴構成〕
本発明に係るウォータポンプの第５特徴構成として、前記爪部を前記回転軸の側に常時付勢し、前記爪部に作用する遠心力の増大に伴なって前記爪部が外方へ突出可能となる付勢手段を、前記爪部と前記回転軸とに亘って設けておくことができる。

〔作用効果〕
本構成のごとく、遠心力によって爪部が外方に突出可能に構成しておけば、特にプーリおよび回転軸が高速で回転している場合に両者を確実に一体化することができる。つまり特に大きなせん断力が作用し易い状況において両者を一体回転させることができるため、弾性部材の耐久性を一層高めることができる。

第１実施形態に係るウォータポンプの構造を示す断面図 弾性部材を膨張させた状態を示す断面図 第２実施形態に係るウォータポンプの構造を示す断面図 第３実施形態に係るウォータポンプの構造を示す断面図 第４実施形態に係るウォータポンプの構造を示す断面図 第５実施形態に係るウォータポンプの構造を示す断面図

〔概要〕
本発明の実施形態に係るウォータポンプについて図１乃至図６を用いて説明する。本実施形態のウォータポンプは、クラッチ機構Ｃを備えており、このクラッチ機構Ｃを任意のタイミングで稼動させてウォータポンプを始動させることができる。
このウォータポンプは、例えば、乗用車などのエンジン（図示せず）に用いられる。エンジンのポンプハウジング１にはボス状部１Ａが形成してあり、このボス状部１Ａの内周側に設けた滑り軸受２を介して回転軸３を支持してある。回転軸３の一方の端部には羽根部４を設けてある。回転軸３とポンプハウジング１との間にはシール５を配置してある。ボス状部１Ａの外周側にはプーリ軸受６を介してプーリ７を支持している。回転軸３とプーリ７とは共に回転軸芯Ｘを中心に回転する。プーリ７は、回転軸３の他端側に設けてあり、エンジンのクランクシャフト（図示せず）および環状ベルトによって回転駆動される。プーリ７と回転軸３との間にはエンジン冷却水の温度等に応じて回転伝達を入切可能なクラッチ機構Ｃを備えている。

〔第１実施形態〕
本実施形態のクラッチ機構Ｃを図１および図２に示す。図１は、クラッチ機構Ｃが接続されていない状態を示す。図２は、クラッチ機構Ｃが接続された状態を示す。
本実施形態のクラッチ機構Ｃは、流体の給排によって自身が膨張収縮可能な弾性部材８を備えている。弾性部材８としては、図１に示すごとく、回転軸３のうち、羽根部４と反対側の端部に回転軸３の周囲を取り囲むように例えば環状のゴムチューブを配置する。この弾性部材８は回転軸３と一体回転する。また、弾性部材８の内部に対して流体を供給・排出する流体給排部９を設けてある。この流体給排部９は、流体の一例である空気を弾性部材８に給排するよう回転軸３部などに設けた連通路９１と、当該連通路９１に対する空気の給排を行うコンプレッサ９２とを有する。弾性部材８は、空気の給排によって自身が膨張収縮可能である。弾性部材８は膨張した状態でプーリ７の当接部７１に当接し、この押し付けによって生じる摩擦力の作用でプーリ７と回転軸３とを一体回転させる。

弾性部材８に空気を供給するタイミングは、例えばポンプハウジング１に設けた温度計１０の測定値に基づいて行う。例えば、エンジンの始動直後は、エンジンを早期に暖機する必要があるためウォータポンプを駆動させない場合がある。そのためにポンプの駆動開始温度が例えば５０℃程度となるように制御部１１に記憶させておく。エンジン冷却水の温度が上昇し、予め設定した駆動開始温度に到達した時点でコンプレッサ９２に空気を供給する。その結果、弾性部材８が膨張し、ウォータポンプの回転が始まる。
一方、エンジン冷却水の温度が低下した場合には、コンプレッサ９２の空気の供給を停止し、弾性部材８の空気をドレインする等して弾性部材８を収縮させる。

本実施形態のクラッチ機構Ｃの最もシンプルな構成は、図２に示すごとく弾性部材８を比較的自由に膨張させ、弾性部材８の外方に設けたプーリ７の当接部７１に弾性部材８を接触させるものである。プーリ７の当接部７１は、回転軸芯Ｘと平行な方向に延出する円筒状の内面である。本構成であれば、弾性部材８を配置すると共に、空気を供給するコンプレッサ９２および連通路９１を設けるだけの構成でよい。

尚、弾性部材８の膨張態様を、特定の方向、例えば、径外方向に多く変形させたい場合には、当該径方向の領域においてゴムの厚みを薄くするなど弾性部材８の構成を設計しておく。このように弾性部材８の膨張方向を特定することで、弾性部材８が他の部位に接触してプーリ７から回転軸３への円滑な駆動伝達が損なわれることを防止できる。

本実施形態のごとく、クラッチ機構Ｃを自身が膨張・収縮する弾性部材８を用いて構成することで、プーリ７と回転軸３とが正確に同軸芯状態に構成されていない場合でも、弾性部材８の変形によってプーリ７と弾性部材８との片当たりを防止し、両者を一体回転させることができる。弾性部材８の変形は、流体の供給・排出によって容易に実現可能であるから、クラッチ機構Ｃを簡便に構成することができ、低コストのウォータポンプを得ることができる。

〔第２実施形態〕
図３には、本発明の第２実施形態を示す。即ち、回転軸３にホイール部１２を設けておき、この外周に弾性部材８を設けることができる。
ホイール部１２は、回転軸３に対して例えば円盤状の部材を設けたり、複数の支柱を設けると共にその先端部に円環状の部材を取り付けるなど、各種の構成を採用可能である。図３では、円盤状の基部１２ａの外周部に筒状の台部１２ｂを設けて、ホイール部１２の断面形状をＴ字状に構成した例を示す。一方の弾性部材８は、環状のゴムチューブなどで構成しておく。

本構成であれば、弾性部材８の内部容積を所定の範囲に抑えつつ、回転軸芯Ｘから離れた位置に弾性部材８を配置することができる。弾性部材８とプーリ７とは単に当接するだけであり、羽根部４の駆動力は弾性部材８の摩擦力に依存する。この摩擦力は弾性部材８の膨張程度によって増減するが、弾性部材８の膨張収縮能力等を勘案した場合、摩擦力を大きくするにも一定の限界がある。その分、本構成のごとく、回転軸３からプーリ７までの距離を長く確保することで、羽根部４を回転させるトルクを増大することができる。ホイール部１２の半径が長くなれば弾性部材８に求められる摩擦力は低減する。よって、弾性部材８の容量を小さくしてクラッチ機構Ｃのサイズをコンパクトにするなど、合理的なクラッチ機構Ｃを得ることができる。

〔第３実施形態〕
本実施形態のクラッチ機構Ｃは、弾性部材８をプーリ７の複数箇所に当接させるよう構成することができる。例えば、図４に示すごとく、プーリ７の当接部７１をコの字状に構成する。この場合、膨張した弾性部材８のうち、回転軸芯Ｘから最も遠い最外周部がプーリ７の筒状の内面７１ａ（第１当接部の一例）に当接する。また、弾性部材８の外面のうち、回転軸芯Ｘと平行な方向に沿って互いに反対方向に向く部位が、プーリ７のコの字状の面を構成する対向面７１ｂ（第２当接部の一例）に夫々当接する。

このように弾性部材８の複数の部位をプーリ７に当接させると、弾性部材８とプーリ７との当接面積が増大し、両者間に生じる摩擦力が増大する。よって、駆動力の伝達能力が向上する。

また、プーリ７の当接部７１を図４に示すようなコの字状に構成することで、弾性部材８の膨張後の形態が規制される。つまり、弾性部材８がプーリ７の形状に倣うように膨張しながら、プーリ７に対する弾性部材８の当接部７１の容積が増大する。その際、弾性部材８の何れかの表面部が当接部７１から外れて膨張することはなく、略全ての表面部が摩擦力の発生に寄与する。よって、両者間に発生する摩擦力が大きく確実なものとなり、ウォータポンプが確実に駆動回転される。図４では、弾性部材８の初期の断面形状をプーリ７の形状に合わせて略矩形に構成してある。ただし、膨張時にプーリ７の当接部７１と確実に当接するものであれば、弾性部材８を単なる丸断面形状にするなど各種の形状に構成可能である。

さらに本構成のごとく、プーリ７のコの字状の部位をホイール部１２の台部１２ｂの近傍まで延出させることで、プーリ７とホイール部１２とで弾性部材８を取り囲む円環状のトンネル空間が形成される。これにより、弾性部材８とプーリ７との間に異物が進入するのを防止するなど、当該クラッチ機構Ｃの信頼性・耐久性を高めることができる。

さらに、図４の例において、弾性部材８が膨張する際に、まず弾性部材８の側面がプーリ７の対向面７１ｂに当接し、次に弾性部材８の最外周部がプーリ７の円筒状の内面７１ａに当接するように、弾性部材８の膨張態様あるいはプーリ７の形状を設定しておいてもよい。この場合、弾性部材８のうち回転軸芯Ｘに近い側の部位から順次プーリ７に当接する。よって、静止している回転軸３が既に高速で回転しているプーリ７と当接を開始する際に、回転周速度の低い内側から当接することとなり、弾性部材８に掛かる負担を軽減することができる。

〔第４実施形態〕
本実施形態に係るクラッチ機構Ｃは、図５に示すごとく爪部１３を設けることができる。このような爪部１３を設けることにより、特にエンジンを高速回転している際にプーリ７と回転軸３とを確実に一体化することができる。

エンジンが高速で運転されている最中にも、運転者は例えばアクセルのオンオフ操作を行う。エンジンのクランクシャフトとプーリ７とは連動回転していることが多いため、上記オンオフ操作に伴ってプーリ７の回転数が変動する。その際、プーリ７と回転軸３との駆動伝達を弾性部材８のみで行っていると、慣性回転しようとする回転軸３と速度が変化したプーリ７とにより、弾性部材８に対して回転方向にせん断力が作用する。このような外力は弾性部材８の劣化を早めてしまう。

これを防止するために図５に示すような爪部１３を設ける。この爪部１３は、例えば、ホイール部１２に設けた複数のガイド部１４にスライド可能に支持させる。ガイド部１４には爪部１３を回転軸芯Ｘに対する径方向内側に付勢するバネ１５を設けてある。例えば、アイドリング状態のように回転軸３の回転速度が遅い場合には、このバネ１５の付勢力によって爪部１３は回転軸芯Ｘの側に保持される。一方、エンジン回転数が増大した高負荷運転中などには、爪部１３に作用する遠心力がバネ１５の付勢力に勝って爪部１３は外方に突出する。プーリ７には、爪部１３が突入可能な受部としての孔部１６が周方向に沿って多数形成してあり、爪部１３の係合によってプーリ７と回転軸３とが一体となる。なお、孔部１６を形成するプーリ７の部位は、弾性部材８が当接する前記当接部７１を利用してもよいし、図５に示すように、プーリ７に別途フランジ部７２を形成しておいても良い。

図５には、爪部１３が係合するよう孔部１６を記載してあるが、これに代えて、爪部１３の天面とプーリ７のフランジ部７２とに各種形状の細かな凹凸を設けておいても良い。爪部１３が突出する状態にあるとき、弾性部材８は既に膨張しており、プーリ７と回転軸３とが同期回転を始めている。よって、この状態で突出した爪部１３がプーリ７の側に確実に噛み合うためには、爪部１３と孔部１６との係合部のピッチをできるだけ小さくしておく必要がある。仮に、爪部１３と孔部１６とが異なる位相にあっても、両者が僅かに相対回転することで爪部１３が係合するものが好ましい。そのためには、例えば、プーリ７のフランジ部７２を、一般の内歯ギヤのように構成したり、ピラミッド形状の凹凸を多数設けたローレット状に構成しておくとよい。

爪部１３は、径方向に出退する構成のものを示したが、これに代えて、揺動タイプの爪部１３を備えておいても良い。図示は省略するが、例えば、ホイール部１２の平面部に複数の揺動部材をその一端部で枢支しておく。他方の端部にはプーリ７に当接する爪部１３を形成しておき、揺動部材を常に回転軸芯Ｘの側に引き込むバネ部材を回転軸３の側と揺動部材とに亘って設けておけばよい。

尚、図５に示した爪部１３は、図５に示した構成の他に回転軸３とプーリ７とを係合できるものであれば他の箇所に設けるなど適宜構成することができる。また、前述した揺動タイプの爪部１３についても、その構成或いは取付箇所は適宜設定可能である。このように爪部１３を備えることで、プーリ７と回転軸３とを確実に一体化することができる。

図５に示したホイール部１２においては、基部１２ａの外周に設ける台部１２ｂの材断面形状をＬ型に構成してある。この結果、プーリ７の内面７１ａおよび対向面７１ｂと合わせて弾性部材８の膨張空間を規定することができ、弾性部材８とプーリ７との間に異物が侵入するのを防止することができる。

〔第５実施形態〕
本実施形態のクラッチ機構Ｃは、図６に示すごとく、回転軸３に設けたホイール部１２に揺動可能に構成した摩擦部材１７を備えている。摩擦部材１７は、その中央部に設けた軸支部１８によってホイール部１２に軸支してある。摩擦部材１７の一方の端部には、プーリ７の当接部７１と接触するパッド１９を設けてある。他方の端部には、バネ取付部２０を設けてあり、例えばコイル状の引張りバネ２１によって当該端部を回転軸芯Ｘの側に常時付勢する。これにより、パッド１９がプーリ７の側に押し付けられ、プーリ７と回転軸３とが一体回転可能となる。さらに、軸支部１８とバネ取付部２０との間に、流体の供給によって膨張収縮可能な弾性部材８を配置する。この弾性部材８にも第１実施形態で示したような流体給排部９を備えてあり、任意のタイミングで弾性部材８を膨張収縮操作することができる。

本実施形態のクラッチ機構Ｃは、パッド１９がプーリ７に常時押し付けられる所謂ノーマルオンタイプである。例えば、エンジン始動直後のエンジン冷却水の温度が低い段階では、弾性部材８を膨張させ、パッド１９をプーリ７から離間させて、ウォータポンプを稼動させない状態とする。これによりエンジンの暖機を早める。エンジンの暖機が終了した時点で、弾性部材８に対する流体の供給を停止し、弾性部材８を収縮させてウォータポンプを稼動させる。このようなノーマルオンタイプのウォータポンプであれば、仮にクラッチ機構Ｃが故障した場合でも、エンジン冷却水を循環させることができ、エンジンの過熱を防止することができる。

〔その他の実施形態〕
図１や図２に示すクラッチ機構Ｃにおいては、主に環状の弾性部材８を使用する例を示した。しかし、これに代えて、複数のブロック状の弾性部材をホイール部１２の周方向に分散配置するものであっても良い。
そのように構成すれば、異なる外径のプーリ７に対しても同じ規格の弾性部材を用い、弾性部材の設置個数を調節して適切なクラッチ機構Ｃを得ることができる。よって、ウォータポンプの生産性を向上させることができる。

本発明のウォータポンプは、例えば自動車のエンジン冷却用として広く用いることができ、特に、任意のタイミングで冷却水の流通を開始したいウォータポンプを構成する場合に特に有用である。

３ 回転軸
４ 羽根部
７ プーリ
７１ａ 第１当接部
７１ｂ 第２当接部
８ 弾性部材
９ 流体給排部
１２ ホイール部
１３ 爪部
Ｘ 回転軸芯

Claims (5)

1. 巻き掛けられたベルトにより回転駆動されるよう装置本体に軸支されたプーリと、
   前記プーリの回転軸芯と同軸芯で回転可能に前記装置本体に軸支された回転軸と、
   前記回転軸の一端側に冷却水を流通させるよう備えた羽根部と、
   前記羽根部とは反対側に前記回転軸と一体回転する状態に設けられ、流体の給排によって自身が膨張収縮可能であり、膨張状態において前記プーリの一部に当接して前記回転軸を回転させる弾性部材と、
   前記弾性部材に対して前記流体を供給・排出する流体給排部と、
   を備えたウォータポンプ。
2. 前記弾性部材が環状のゴムチューブであり、前記回転軸から径方向に突出して設けられたホイール部の外周部に前記ゴムチューブを取り付けてある請求項１に記載のウォータポンプ。
3. 前記プーリに、膨張した前記弾性部材のうち前記回転軸芯から最も遠い部位が当接する第１当接部を設けると共に、当該第１当接部よりも前記回転軸芯の側に前記膨張した弾性部材の他の部位が当接する少なくとも一つの第２当接部を備えている請求項１または２に記載のウォータポンプ。
4. 前記回転軸芯から離れる方向に突出可能な爪部を前記回転軸の側に設け、当該爪部と係合可能な受部を前記プーリに設けてある請求項１から３の何れか一項に記載のウォータポンプ。
5. 前記爪部を前記回転軸の側に常時付勢し、前記爪部に作用する遠心力の増大に伴なって前記爪部が外方へ突出可能となる付勢手段を、前記爪部と前記回転軸とに亘って設けてある請求項４に記載のウォータポンプ。

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