JP2015529312A - 燃焼機関によって駆動される機械式流体ポンプ - Google Patents

Abstract

本発明は、燃焼機関によって直接駆動される入力軸と、ポンプロータを有する圧送ユニットと、入力軸及びポンプロータの間にあるクラッチであって、入力クラッチ本体及び出力クラッチ本体を備え、係合されたクラッチ状態において、入力クラッチ本体の回転を出力クラッチ本体に伝達するクラッチと、を備える燃焼機関によって駆動される機械式流体ポンプに関する。クラッチは、磁気粘性及び渦電流を組み合わせたクラッチである。クラッチは、磁気粘性クラッチ液体によって充填され、入力クラッチ本体及び出力クラッチ本体の間にある閉ざされたクラッチ液体間隙と、出力クラッチ本体と共に回転する導電性要素と、入力クラッチ本体と共に回転するように設けられた移動可能な永久磁石要素と、を備える。移動可能な永久磁石要素は、係合位置と分離位置との間を移動可能であり、係合位置において、永久磁石要素の磁界は大きい磁束でもってクラッチ液体間隙を貫通し、永久磁石要素は導電性要素に近接しており、分離位置において、クラッチ液体間隙を貫通する永久磁石要素の磁界の磁束は、係合位置における磁束よりも小さく、且つ永久磁石要素は導電性要素から遠く離れて位置している。アクチュエータは、永久磁石要素を、その係合位置と分離位置との間で移動させるために設けられている。

Description

本発明は、燃焼機関によって駆動される機械式流体ポンプに関し、当該ポンプは、内燃機関によって駆動され、自動車用ユニットに、液体、圧縮ガス又は負圧を提供する。

流体ポンプは、潤滑油ポンプ、冷却液ポンプ、負圧ポンプ、又は圧縮ガス例えば圧縮空気を提供するポンプであってよい。機械式流体ポンプは、電気ロータによって駆動されるのではなく、燃焼機関に直接連結されている。結果として、流体ポンプの回転速度は燃焼機関の回転速度に比例しており、このため、たとえ流体供給の必要がなくても、或いは負圧を形成するための吸引作用の必要がなくても、流体ポンプは常に回転している。

米国特許第７４２２０９３号明細書において、流体圧式パワーステアリングのために圧縮液体を供給する流体ポンプが記載されている。流体ポンプは磁気粘性クラッチを備えており、これにより、ポンプ能力は、パワーステアリングの流体要求及び圧力要求に基づいて制御され得る。

例えば潤滑油ポンプ、冷却液ポンプ、又はブレーキ支援システム用の負圧ポンプなどの極めて重要な流体ポンプでは、故障のリスクを容認することができない。磁気粘性クラッチを有する流体ポンプであって、フェイルセーフ機能を有する、燃焼機関によって駆動される機械式流体ポンプを提供することが本発明の目的である。この目的は、請求項１の特徴を有する、燃焼機関によって駆動される機械式流体ポンプによって解決される。

本発明における流体ポンプには、燃焼機関によって直接駆動される入力軸と、ポンプロータを有する圧送ユニットとが設けられ、当該圧送ユニットは、液体又はガスであり得る流体を圧送するためのものである。本明細書における「直接駆動される」という用語は、エンジンの回転要素とポンプの入力軸との間に分離可能なクラッチが存在しないことを意味する。ポンプの入力軸は、ベルト、歯車を介してエンジンによって、又はエンジンのカムシャフト或いはクランクシャフトと直接連結することによって駆動され得る。

クラッチは、磁気粘性クラッチと渦電流クラッチとの組み合わせであり、この場合、両クラッチ構成は、ただ一つの移動可能な永久磁石要素によって係合され且つ分離される。クラッチは、入力軸とポンプロータとの間に設けられており、２つのクラッチ本体の間にクラッチ液体間隙を備える。一方のクラッチ本体は入力軸に直接連結されており、他方のクラッチ本体はポンプロータに直接連結されている。２つのクラッチ本体の間にあるクラッチ液体間隙は磁気粘性クラッチ液体によって充填されており、当該磁気粘性クラッチ液体は、磁界が存在するときには相対的に高い粘性を有し、磁界が存在しないときには相対的に低い粘性を有する。磁気粘性液体を含む本文中における液体という用語は、文字通り解釈されるべきではなく、磁界によって活性化されるときに何らかの形で硬化し得る磁気粘性流体の一種として理解されるべきである。

磁気粘性クラッチ液体の粘性を増加させるための磁界は、電磁気手段によって生じるものではなく、分離位置と係合位置との間を移動可能な永久磁石要素によって生じるものであり、当該分離位置において、クラッチ液体間隙内を貫通する永久磁石要素の磁界の磁束は小さく、当該係合位置において、クラッチ液体間隙内を貫通する磁界の磁束は大きい。その係合位置において、永久磁石はクラッチ液体間隙に近接しており、分離位置において、永久磁石はクラッチ液体間隙からより遠くに位置する。永久磁石要素は入力クラッチ本体と共に回転し、この結果、永久磁石要素は常に入力軸の回転速度で回転する。

導電性要素は、出力クラッチ本体と共に回転するように設けられている。係合位置において、永久磁石要素は導電性要素に近接しており、分離位置において、永久磁石要素は導電性要素から遠く離れている。永久磁石要素の係合位置において、適切な渦電流効果が生じ、この結果、永久磁石要素と導電性要素との間に適切な回転速度差が存在している限りは、導電性要素と包囲された出力クラッチ本体とは、入力側によって駆動される。永久磁石の分離位置において、永久磁石要素と導電性要素との間に適切な渦電流効果は存在しない。

磁石要素は、係合位置と分離位置との間を、別個の磁石要素アクチュエータによって動かされる。

クラッチ液体間隙及び当該間隙内の磁気粘性クラッチ液体を貫通する磁界は電磁石によって生じるものではないので、ポンプの制御手段が故障した場合でも、磁気粘性クラッチは係合され得る。更に、渦電流クラッチ構成も電磁石手段の作用に依存していない。

たとえ磁気粘性クラッチ液体がクラッチ液体間隙から消失されたとしても、渦電流クラッチ構成を介した実質的な係合はまだ存在しており、このため実質的な圧送能力が保証される。結果として、流体ポンプは、高いフェイルセーフ機能を有しており、例えば潤滑油ポンプ、冷却液ポンプ、又はブレーキ支援システム用の負圧ポンプ等の、極めて重要な自動車用ポンプに好適なものである。

一般的に、磁気粘性渦電流クラッチは、エンジン近傍又は非近傍の他の自動車用装置と組み合わされてもよく、又は自動車外側での使用でさえも組み合わされ得る。

好ましくは、永久磁石要素は軸線方向に移動可能に設けられている。好ましくは、永久磁石は円周方向に磁化されているが、直径方向、半径方向、又は軸線方向などの他の方向に磁化されてもよい。

永久磁石要素は、好ましくは、受動的なプリテンション要素によって、その係合位置に予めテンションを掛けられている。アクチュエータが故障した場合、プリテンション要素は、永久磁石を係合位置に押し込む。このような構成は、完全なるフェイルセーフ機能を有するクラッチ構想を形成する。受動的なプリテンション要素は、例えばばね又は別の永久磁石であり得る。しかしながら、受動的なプリテンション要素は、プリテンション力を提供するために外部エネルギを必要としない。

好適な実施形態によれば、別個の移動本体は、永久磁石要素を備えるように設けられており、入力クラッチ本体の軸線方向案内手段と相互作用する軸線方向案内手段を備えるように設けられている。移動本体自体が軸線方向に案内され、且つ別個の永久磁石要素を保持する。結果として、永久磁石要素は単純なリング形状とすることができ、恒久的に磁化されていない移動本体は、相対的に複雑な形状及び構造を有している。移動本体及び永久磁石要素は、通常、回転対称部品として設けられている。

好ましくは、導電性要素は出力クラッチ本体の一部である。導電性要素は、例えば出力クラッチ本体における、ディスク状部分及び／又は円筒状部分であってよい。

本発明の好適な実施形態によれば、クラッチ本体はカップ形状であり、当該クラッチ本体の間にカップ状のクラッチ液体間隙を形成する。クラッチ本体は、ディスク状区分及び円筒状区分を有する。永久磁石は、その係合位置において、カップ状のクラッチ液体間隙によって規定されたリング形状の空洞内に位置づけられている。２つのクラッチ本体の間におけるクラッチ液体間隙がディスク形状であるだけでなく円筒状部分も備えているので、全体的な間隙表面積は著しく増大され、長いてこ腕の力を有し、この結果、クラッチの全体的な直径を増大することなく高いトルク値を伝達する。

別の択一的な実施形態によれば、クラッチは、少なくとも２枚の半径方向入力ディスクと少なくとも２枚の半径方向出力ディスクとを有する多板クラッチとして設けられており、この場合、出力ディスク及び入力ディスクは、それらの間において、半径方向のクラッチ液体間隙を形成する。クラッチにおける多板クラッチ構成は、クラッチにおける非常にコンパクトな直径を可能にする。

好ましくは、半径方向入力ディスクは強磁性体であり、半径方向出力ディスクは導電性要素として設けられている。別の好適な実施形態によれば、強い渦電流効果を実現するために、半径方向出力ディスクは、多数の開口部、例えば半径方向スリットを有する。

好ましくは、アクチュエータは負圧アクチュエータとして設けられ得る。負圧アクチュエータは磁化されておらず、磁気粘性クラッチ液体によって充填されたクラッチ液体間隙を貫通するような又は導電性要素に対する影響を有し得るような電磁場を生じることがない。

択一的に、アクチュエータは、電磁コイル状の電磁アクチュエータである。電磁アクチュエータが作動される場合、移動可能な永久磁石要素は、その分離位置、即ちクラッチ液体間隙から遠く離れた分離位置に、引き込まれるか又は押し込まれる。

本発明の２つの実施形態は、添付の図面を参照することによって説明される。

カップ状のクラッチ本体を有する第１実施形態のクラッチを備える、燃焼機関駆動によって駆動される機械式流体ポンプを、係合状態において縦断面で示す。 図１の流体ポンプを、分離状態において示す。 多板クラッチとして認識される第２実施形態のクラッチを、係合状態において縦断面で示す。 図３のクラッチにおける、半径方向出力ディスクの半径方向横断面である。

図１及び図２は、内燃機関１２、内燃機関１２によって直接駆動される機械式流体ポンプ１０、及び負圧によって駆動されるブレーキ支援ユニット１４から成る、典型的な自動車の構成を示す。流体ポンプ１０は、負圧ポンプとして設計されており、空気圧式ブレーキ支援ユニット１４に低圧を形成する。内燃機関１２は、クラッチ１６の入力軸２０に機械的に直接連結されており、これにより入力軸２０は、常に、内燃機関１２の回転速度に正比例する回転速度で共に回転する。

クラッチ１６は入力軸２０と出力軸２１との間に配置されており、このクラッチ１６は、磁性流体式クラッチでもあり且つ渦電流式クラッチでもある。クラッチ１６は、図１に示されたような係合されたクラッチ状態において入力軸２０を出力軸２１と接続し、図２に示されたような分離された状態において出力軸２１を入力軸２０から分離する。

クラッチ１６の出力軸２１は、ポンプロータ１９を有する負圧圧送ユニット１８に直接結合されている。クラッチ１６は、磁気粘性クラッチ液体２８によって充填されるクラッチ液体間隙２６を形成する２つのクラッチ本体２２，２４と、別個の移動本体５４によって保持された、軸線方向に移動可能な永久磁石要素３０と、ばねとして設計されたプリテンション要素４４と、空気圧式アクチュエータ４２とを備えている。クラッチ本体２２，２４は共にカップ形状をしており、これによりクラッチ本体２２，２４は、それらの間に小さなカップ形状のクラッチ液体間隙２６を形成し、当該間隙２６はカップ形状であり、ディスクリング状部分及び円筒状部分を有する。

永久磁石要素３０は、環状の永久磁石リング本体３２として設けられており、当該リング本体３２は、強磁性の移動本体５４に着座され固定されている。移動本体５４及び永久磁石リング本体３２は、移動ユニット５２を形成する。入力クラッチ本体２４は閉じられた空気圧室５７を有しており、この空気圧室５７において、２つ又はそれ以上の軸線方向案内ボルト５８が設けられている。移動本体５４は、２つ又はそれ以上の対応する軸線方向案内ボア５６を有しており、これにより、案内ボルト５８及び案内ボア５６は、移動本体５４のための軸線方向案内手段を形成する。それゆえ、移動ユニット５２は、軸線方向に移動可能に配置されており、入力軸側のクラッチ本体２４と共に回転する。

出力クラッチ本体２２は、リング状部分及び円筒状部分を有するカップ状の導電性要素５０を備える。リング状部分は半径方向の開口部を有し、円筒状部分は軸線方向開口部を有し、これにより、導電性要素５０及び永久磁石リング本体３２によって形成される渦電流クラッチ構成のための好適な構造を提供する。

移動ユニット５２はカップ形状の空洞２７の内側に位置しており、当該空洞２７は、図１に示される、永久磁石要素３０の係合位置におけるカップ状のクラッチ液体間隙２６によって規定される。この係合位置において、永久磁石本体３２は、磁気粘性クラッチ液体２８を含有するクラッチ液体間隙２６の両部分に近接しており、これにより、永久磁石要素３０によって生じた磁界は、クラッチ液体間隙２６の内側における磁気粘性クラッチ液体２８を最大磁束でもって貫通する。さらに、係合状態にある永久磁石要素３０は導電性要素５０に近接しており、これにより、永久磁石要素３０及び導電性要素５０は、作用状態にある渦電流クラッチを形成する。入力クラッチ本体２４及び出力クラッチ本体２２の回転速度が互いに異なっている限りは、出力クラッチ本体２２は、渦電流に起因する力に基づいて入力クラッチ本体２４によって駆動される。

軸線方向に移動可能な永久磁石要素３０は、図１に示されるように、その係合位置に、プリテンション要素４４によって予めテンションが掛けられている。この構成はクラッチ１６をフェイルセーフとするものであり、なぜならば、空気圧式アクチュエータ４２が故障した場合でも、永久磁石要素３０は、常にその係合位置に押し込まれるからである。

空気圧式アクチュエータ４２が作動すると、入力クラッチ本体２２の空気圧室５７は、空気圧式アクチュエータ４２によって排気して真空にされ、これにより、図２に示されるように、移動ユニット５２はその分離位置に引き込まれる。

空気圧式アクチュエータ４２は制御ユニット４０によって制御されており、当該制御ユニット４０は、ブレーキ支援ユニット１４の圧力センサ１５に信号ラインを介して接続されている。制御ユニット４０は、空気圧式のブレーキ支援ユニット１４の作業室内の空気圧に基づいて、クラッチ１６を係合し且つ分離する。ブレーキ支援ユニット１４の作業室内の空気圧が臨界圧力値を下回っている限り、クラッチ１６は空気圧式アクチュエータ４２の作動によって分離状態を維持し、このために、図２に示すように、移動可能な磁石要素３０はその分離位置に引き込まれ且つその位置を維持する。永久磁石要素３０の分離位置において、クラッチ液体間隙２６を貫通する磁界の磁束は相対的に小さく、これにより磁気粘性クラッチ液体の粘性は相対的に低くなる。さらに、永久磁石本体３２が導電性要素５０から遠く離れているので、渦電流の効果は存在しない。結果として、クラッチの滑りが大きくなり、これによりクラッチは事実上分離される。

ブレーキ支援ユニット１４の作業室内の空気圧が臨界圧力値を上回るとすぐに、クラッチ１６はアクチュエータ４２を作動させることなしに係合状態に切り換えられ、この結果、移動可能な磁石要素３０は、図１に示されるように、プリテンション要素４４によってその係合位置に押し込まれる。この状態において、クラッチ液体間隙２６を貫通する磁界の磁束は相対的に大きく、これにより磁気粘性クラッチ液体の粘性は相対的に高くなる。さらに、渦電流の効果によって、強大なトルクが、入力クラッチ本体２４から出力クラッチ本体２２に伝達される。結果として、クラッチの滑りは小さくなり、これによりクラッチは事実上係合される。この係合状態において、出力軸２１は、入力軸２０と同じ回転速度で回転する。出力軸２１は圧送ユニット１８のポンプロータ１９を駆動し、これによりブレーキ支援ユニット１４の作業室は、当該作業室内の空気圧が臨界圧値を下回るまで排気される。

図３及び図４は、多板クラッチ６０として設けられたクラッチ構成の第２実施形態を示す。多板クラッチ６０は、強磁性体材料から成る４枚の半径方向入力ディスク６２と、例えば銅などの、高い導電性を有する材料から成る５枚の半径方向出力ディスク６４とを備える。

入力ディスク６２は、出力ディスク６４の間に軸線方向に設けられている。出力ディスク６４の外周には、非強磁性体材料から形成された連結リング６８が設けられている。永久磁石要素３０’は、軸線方向又は円周方向に磁化され得る環状の磁石として実現されており、このために、図４に示すような４つの磁性区分が存在する。出力ディスク６４は、導電性要素７０がスポークホイールとして形成されるように、導電性要素７０を形成するとともに８区分の開口部７２を備える。ディスク６２，６４の間に、半径方向でリング状のクラッチ液体間隙６６が形成されており、この間隙６６において、磁気粘性クラッチ液体が存在する。

Claims (11)

1. 燃焼機関（１２）によって直接駆動される入力軸（２０）と、
   ポンプロータ（１９）を有する圧送ユニット（１８）と、
   前記入力軸（２０）及び前記ポンプロータ（１９）の間にあるクラッチ（１６）であって、入力クラッチ本体（２４）及び出力クラッチ本体（２２）を備え、係合されたクラッチ状態において、前記入力クラッチ本体（２４）の回転を前記出力クラッチ本体（２２）に伝達するクラッチ（１６）と、を備える燃焼機関によって駆動される機械式流体ポンプ（１０）であって、
   前記クラッチ（１６）は、磁気粘性及び渦電流を組み合わせたクラッチ（１６）であり、
   前記クラッチ（１６）は、
   磁気粘性クラッチ液体（２８）によって充填され、前記入力クラッチ本体（２４）及び前記出力クラッチ本体（２２）の間にある閉ざされたクラッチ液体間隙（２６）と、
   前記出力クラッチ本体（２２）と共に回転する導電性要素（５０）と、
   前記入力クラッチ本体（２４）と共に回転するように設けられ、係合位置と分離位置との間を移動可能な移動可能永久磁石要素（３０）と、
   前記永久磁石要素（３０）を該係合位置と該分離位置との間で移動させるためのアクチュエータ（４２）と、を備え、
   前記係合位置において、前記永久磁石要素の磁界は大きい磁束でもって前記クラッチ液体間隙（２６）を貫通し、前記永久磁石要素（３０）は前記導電性要素（５０）に近接しており、
   前記分離位置において、前記クラッチ液体間隙（２６）を貫通する前記永久磁石要素の磁界の磁束は、前記係合位置における磁束よりも小さく、且つ前記永久磁石要素（３０）は前記導電性要素（５０）から遠く離れて位置していることを特徴とする、燃焼機関によって駆動される機械式流体ポンプ（１０）。
2. 前記永久磁石要素（３０）は軸線方向に移動可能に設けられている、請求項１記載の燃焼機関によって駆動される機械式流体ポンプ（１０）。
3. 前記永久磁石要素（３０）に移動本体（５４）が設けられ、
   該移動本体（５４）は永久磁石本体（３２）を有し、該移動本体（５４）には前記入力クラッチ本体（２４）の軸線方向案内手段（５８）と相互作用する軸線方向案内手段（５６）が設けられている、請求項１又は２記載の燃焼機関によって駆動される機械式流体ポンプ（１０）。
4. 前記導電性要素（５０）は前記出力クラッチ本体（２２）の一部である、請求項１から３までのいずれか１項記載の燃焼機関によって駆動される機械式流体ポンプ（１０）。
5. 前記入力クラッチ本体（２４）及び出力クラッチ本体（２２）は、カップ形状であり、且つ前記入力クラッチ本体（２４）及び出力クラッチ本体（２２）の間にカップ形状の間隙（２６）を形成しており、
   前記永久磁石要素（３０）は、その係合位置において、前記カップ形状の間隙（２６）によって規定されたカップ形状の空洞（２７）の内側に位置づけられている、請求項１から４までのいずれか１項記載の燃焼機関によって駆動される機械式流体ポンプ（１０）。
6. 前記クラッチ（６０）は、少なくとも２枚の半径方向入力ディスク（６２）と少なくとも２枚の半径方向出力ディスク（６４）とを有する多板クラッチ（６０）として設けられており、前記入力ディスク（６２）及び前記出力ディスク（６４）は、該入力ディスク（６２）及び該出力ディスク（６４）の間に、半径方向のクラッチ液体間隙（６６）を形成している、請求項１から５までのいずれか１項記載の燃焼機関によって駆動される機械式流体ポンプ（１０）。
7. 前記半径方向入力ディスク（６２）は強磁性体であり、
   前記半径方向出力ディスク（６４）は、導電性要素（７０）として設けられている、請求項６記載の燃焼機関によって駆動される機械式流体ポンプ（１０）。
8. 前記半径方向出力ディスク（６４）に開口部（７２）が設けられている、請求項６又は７記載の燃焼機関によって駆動される機械式流体ポンプ（１０）。
9. 前記永久磁石要素（３０）は、受動的なプリテンション要素（４４）によって、前記係合位置に予めテンションを掛けられている、請求項１から８までのいずれか１項記載の燃焼機関によって駆動される機械式流体ポンプ（１０）。
10. 前記アクチュエータは電磁アクチュエータである、請求項１から９までのいずれか１項記載の燃焼機関によって駆動される機械式流体ポンプ（１０）。
11. 前記アクチュエータは負圧アクチュエータである、請求項１から４までのいずれか１項記載の燃焼機関によって駆動される機械式流体ポンプ（１０）。

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