JP6276518B2 - ウォータポンププーリユニット - Google Patents

Description

本発明は、ウォータポンププーリユニットに関し、特に自動車の水冷エンジンに好適なウォータポンププーリユニットに関する。

自動車用ウォータポンプは、エンジン冷却水をインペラの回転により循環する装置である。ベルトの張力をプーリを介して回転力に変換し、そのプーリと同期回転するシャフトの先端に取り付けられたインペラが回転することにより、エンジンの冷却水を循環させ、エンジンの温度上昇を防ぐ機能を有している。従来、外輪回転式の転がり軸受でプーリを支持するウォータポンプとして、例えば、特許文献１が提案されている。特許文献１のウォータポンプは、ハウジングに突設されたポンプ軸貫通用の筒部の外周面に外輪回転型の軸受を支持する軸受支持部を設け、ポンプ軸に連結されたプーリが軸受外周面に回転自在に支持された構造を有している。

また、自動車では環境への配慮から燃費向上を図るべく、駆動エネルギーの損失は極力抑えることが望まれており、自動車用ウォータポンププーリユニットにおいても、小型軽量化などが求められている。例えば、上記プーリの材質が鋼材である場合やサイズが大きい場合、重量が重くなり、必要とする駆動力が増加するために、エンジン駆動エネルギーの損失に繋がる。

このような観点から、本出願人は、外輪回転式であり、加えて部品点数を削減して低コスト化や小型化を図ったウォータポンプを開発している（特願２０１２−１４８５５６）。このようなウォータポンプを図６に基づいて説明する。図６に示すものは、プーリ、軸受、インペラ軸等が一体となったウォータポンププーリユニット１１である。このウォータポンププーリユニット１１は、ハウジング１２と、一端に冷却水を循環するインペラ１３が連接された回転軸１４と、主軸受である転がり軸受１５とを備えてなる。転がり軸受１５は、ハウジング１２に圧入固定された内輪１６と、外径部にプーリ２０が設けられた外輪１７と、内輪１６および外輪１７との間に介在する複数の玉１８と、内輪１６および外輪１７の軸方向両端開口部をシールする一対のシール部材１９とを有する複列の玉軸受である。プーリ２０は、合成樹脂材料を用いて、金属製の外輪１７の外径部に一体成形されている。回転軸１４は、一端部に冷却水を循環するインペラ１３が連接され、他端部に空冷のための冷却ファン２１が連接されている。外輪１７と回転軸１４とは、プレート２２を介して連結されている。エンジン出力をプーリ２０で受けて、プレート２２を介して回転軸１４が回転する。プレート２２は金属製であり、外輪１７の外輪端部１７ａに加締にて係合され、かつ、回転軸１４の冷却ファン２１側の軸方向中間部に圧入にて係合されている。

実用新案登録第２５０３０８１号

現在のＦＲエンジンでは、図６に示すように、ウォータポンプのインペラから冷却用ファンまでが同一軸上に配置され、その間に駆動用のプーリが設置されている。そのため、回転軸の軸長が長くなり、重量の増加に伴い荷重のアンバランスが生じやすくなる。また、長くなった軸の先端に冷却ファンが付くことで、該冷却ファンの回転による振動や振れ回りが大きくなる場合がある。図６に示す構造では、主軸受およびプレートにより回転軸を支持して、冷却ファンの回転による振動や振れ回りを抑制している。しかし、大きくなった荷重等は外輪の加締め部で受けるため、加締めによる強度にも限界があり、長期間の使用の際には、緩みや損傷等による故障のおそれがないとはいえず、耐久性の更なる向上が望まれる。

また、重量低減のために樹脂プーリを外輪外径に直接成形すると、仮に歩留りが悪くなった場合に主軸受を含めて廃棄する必要があり、廃棄金額が大きくなる。また、外輪外径部において、樹脂プーリとの回り止めとなるような相補的形状の加工形成は容易でない場合がある。これらの理由により、製造コストが高くなるおそれがある。

本発明はこのような問題に対処するためになされたものであり、樹脂製のプーリを用いて軽量化を図りつつ、耐久性に優れ、製造コストも低減できるウォータポンププーリユニットの提供を目的とする。

本発明のウォータポンププーリユニットは、内輪および外輪を有する主軸受と、上記外輪側に固定される樹脂製のプーリと、上記外輪と回転軸とを連結する連結部材とを備え、上記プーリで受ける動力を上記連結部材を介して回転軸側に伝達する外輪回転式のウォータポンププーリユニットであって、上記連結部材は、上記外輪と上記プーリとの間で該外輪の外径に固定され、上記プーリは該連結部材を介して上記外輪側に固定されることを特徴とする。また、上記プーリは、射出成形により上記連結部材に一体に成形されていることを特徴とする。

上記連結部材と上記プーリとの固定部、および、上記連結部材と上記外輪との固定部の少なくともいずれかにおいて、両部材の相対的な移動を防止する相補的な形状が形成されていることを特徴とする。

上記ウォータポンププーリユニットが上記回転軸を備え、該回転軸が上記連結部材と一体であることを特徴とする。

上記回転軸の一端に冷却水を循環するインペラが設けられ、他端に冷却ファンが設けられていることを特徴とする。また、別の態様として、上記回転軸に冷却水を循環するインペラが設けられ、上記連結部材に冷却ファンが設けられていることを特徴とする。

本発明のウォータポンププーリユニットは、内輪および外輪を有する主軸受と、外輪側に固定される樹脂製のプーリと、外輪と回転軸とを連結する連結部材とを備え、プーリで受ける動力を連結部材を介して回転軸側に伝達する外輪回転式のユニットであり、上記連結部材が、外輪とプーリとの間で該外輪の外径に固定され、プーリは連結部材を介して外輪側に固定されるので、連結部材として外輪端部に加締めで直接固定するプレートを採用する場合における、振れ回りやモーメント荷重増加による加締め部強度の心配がなくなる。このため、緩みや損傷等による故障を防止でき耐久性に優れる。

また、樹脂製のプーリの成形時に不良が生じた場合、外輪とプーリを一体とする方法では主軸受を含めたベアリングアッシーごと廃棄する必要があったが、上記連結部材を設けることで廃棄部材が連結部材およびプーリのみとなり損失を抑えられる。このため製造コストを低減できる。

また、プーリの回り止め機構は、連結部材およびプーリに形成すればよく外輪外径には必要ない。このため、加工が容易であり、任意の形状の回り止め防止機構を容易に形成できる。特に、樹脂製プーリを射出成形により連結部材に一体に成形（インサート成形）することで、連結部材側に対応形状の加工を施すのみで、プーリ成形時に回り止めとなるような相補的な形状が容易に形成できる。

また、上記回転軸が連結部材と一体であるので、連結部材に別部材の回転軸を圧入固定する場合と比較して、これらの部材間の緩み等の心配がなくなり、また、組み立て工程の削減等による製造コストの低減が図れる。

本発明のウォータポンププーリユニットは、上記構成により、回転軸の一端に冷却水を循環するインペラが設けられ、他端に冷却ファンが設けられ、回転軸長が長くなるＦＲエンジンに対しても好適に用いることができる。

ウォータポンププーリユニットの例を示す軸方向断面図である。 回り止め（連結部材とプーリ）を有するウォータポンププーリユニットの例を示す斜視図である。 回り止め（連結部材とプーリ）を有するウォータポンププーリユニットの例を示す斜視図である。 回り止め（外輪と連結部材等）を有するウォータポンププーリユニットの例を示す斜視図である。 回転軸を一体化した連結部材の斜視図である。 別態様のウォータポンププーリユニットの軸方向断面図である。

本発明のウォータポンププーリユニットの一例を図１に基づいて説明する。図１は、ウォータポンププーリユニットの軸方向断面図である。図１に示すように、ウォータポンププーリユニット１は、内輪３および外輪４を有する主軸受２と、樹脂製のプーリ６と、外輪４と回転軸８とを連結する連結部材７とを備えている。連結部材７は、外輪４とプーリ６との間で、外輪４の外径に固定され、プーリ６は連結部材７を介して外輪４側に固定される。連結部材７は、円筒一端面７ａが閉じ、その中央部に回転軸８との連結部７ｂが形成された略円筒形部材（カラー）である。連結部材７は、この円筒内径部に外輪４の外径部が圧入嵌合等されることで主軸受２に固定されている。連結部材７の円筒他端面は開口しており、図示しないハウジングの一部が挿嵌され、内輪３の内径部が該ハウジングに圧入固定される。回転軸８、ハウジング、インペラ、冷却ファン等の構成は、図６に示す形態と同様である。本発明における上記連結部材（およびプーリ）は、外輪外径に圧入嵌合等により安定的に固定されるので、長期間にわたり緩み等による故障を防止でき耐久性に優れる。

連結部材７の円筒一端面７ａには、開口部を形成してもよい（図２や図３の７ｃ）。インペラ側（図１中左側）に存在する冷却水が、連結部材と主軸受とハウジングとに囲まれた空間まで浸入した場合でも、この開口部から浸入した冷却水を外部に排出できる。

連結部材７の材料は、十分な耐荷重性や加工性を確保できるものであれば、任意のものを使用できる。本発明で使用可能な材料としては、例えば、一般構造用炭素鋼（ＳＳ４００など）、軟鋼（ＳＰＣＣ、ＳＰＣＥなど）、ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６など）などの鉄系材料（めっき処理したものを含む）、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金などが挙げられる。さらに、十分な耐熱性および耐荷重性が確保可能であれば、金属製とせずに、後述するプーリ用の樹脂材料で形成してもよい。

主軸受２は、内輪３と、外輪４と、この内輪３および外輪４の間に介在する複数の転動体（玉）５とを有する転がり軸受である。また、図示を省略するが、各転動体５は保持器により保持され、転動体周囲にグリースが封入され、必要に応じて軸方向両端開口部にシール部材が設けられる。また、主軸受２は、内輪３がハウジングに固定され、エンジン出力をプーリ６で受けた際に連結部材７と外輪４とが一体に回転し、連結部材７を介して回転軸８が回転する、外輪回転式の転がり軸受である。この態様では、内輪回転式と比較して、軸受外径を大きくでき、大径ボールが採用可能であり、高負荷容量化および長寿命化が可能となる。また、ウォータポンプ重量の低減が図れる。なお、主軸受２の形式としては、図１に示す形成に限定されず、図６に示す複列の深溝玉軸受や、アンギュラ玉軸受などを組み合わせた複列軸受なども採用できる。

プーリ６は、連結部材７の外径部に固定されている。このため、外輪４と、連結部材７と、プーリ６とが一体に回転する。プーリ６の外径形状は、フラット形状、タイミング歯車形状、Ｖリブド形状など、任意の形状とできる。また、プーリ６のサイズは、特に限定されないが、プーリ幅は連結部材７の軸方向幅以下とすることが、小型化や軽量化を図れるため好ましい。

プーリ６の材料として用いる合成樹脂としては、射出成形が可能であり、エンジン周辺の高温環境下でも高い剛性を確保できるものであれば、任意のものを使用できる。本発明で使用可能な合成樹脂としては、例えば、ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）樹脂、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）樹脂、ポリエーテルケトン（ＰＥＫ）樹脂、ポリアミドイミド（ＰＡＩ）樹脂、ポリアミド（ＰＡ）樹脂、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）樹脂、ポリアセタール（ＰＯＭ）樹脂、ポリカーボネート（ＰＣ）樹脂、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）樹脂、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）樹脂、ポリエチレン（ＰＥ）樹脂、フェノール樹脂などが挙げられる。これらの中でも、ＰＰＳ樹脂、ＰＥＥＫ樹脂、フェノール樹脂が好ましい。また、これらの各合成樹脂は単独で使用してもよく、２種類以上混合したポリマーアロイであってもよい。

また、プーリの弾性率などの機械的強度を向上させるため、これらの合成樹脂に、射出成形性を阻害しない範囲で、ガラス繊維、アラミド繊維、炭素繊維、各種鉱物性繊維（ウィスカー）などの繊維状補強材を配合できる。さらに必要に応じて、繊維状充填材以外の無機充填材や添加剤を配合できる。従来、プーリは鋼材で構成されているものが多く、プーリの駆動に際して大きな動力を必要とし、エネルギーの損失を生じていた。これに対して、樹脂製プーリを採用することで軽量化が図れる。

プーリ６を連結部材７の外径部に一体に設ける方法は特に限定されないが、製造工程の簡略化が図れ、係合部不良の発生を防止でき、回り止め用の複雑形状の形成も容易であること等から、射出成形により連結部材７に重ねて一体に成形（インサート成形）することが好ましい。インサート成形では、金型内に予め連結部材を配置し、これに合成樹脂材料を充填して、所望の形状のプーリを連結部材の外径部に一体成形する。なお、プ―リの使用温度が射出成形の金型温度以上の場合、成形応力の緩和により寸法変化を起こすため、該使用温度以上でのアニール処理（熱処理）を施すことが好ましい。

プーリ６において、成形時のウェルドは径方向に位置することが好ましい。これは、軸方向に位置する場合と比較して、運転時にライン部分に発生する応力を均質化させることが可能になるからである。特に、成形時のウェルドを径方向で２箇所以上とし、かつ、軸方向中心から外れた位置にすることが好ましい。これらウェルドの位置は、射出成形時のゲート位置やゲート数を適宜設定することで調整可能である。

プーリ６は連結部材７にのみ固定されるので、プーリのインサート成形時において不良が発生した場合は、連結部材とプーリとを廃棄すればよく、主軸受については影響がない。また、連結部材とプーリとの固定部において、両部材の相対的な移動を防止（回り止め）する相補的な形状を容易に形成できる。

本発明のウォータポンププーリユニットの他の例を図２および図３に基づいて説明する。図２および図３は、回り止め（連結部材とプーリ）を有するウォータポンププーリユニットの斜視図である。図２に示すウォータポンププーリユニット１では、連結部材７の外径部に凸部７ｄが形成され、プーリ６の内径部に上記凸部７ｄと相補的な凹部６ａが形成されている。凸部７ｄと凹部６ａの嵌合により、プーリ６が連結部材７に対して滑る（回る）ことを防止できる。凹凸の形状および数等は、図に示す例に限定されず、適宜設定できる。連結部材７の外径部に凸部７ｄを形成しておくことで、インサート成形時にこの凸部間に樹脂が入り込み、プーリ側の相補的な凹部６ａが形成される。

図３に示すウォータポンププーリユニット１では、連結部材の外径部にローレット形状の凸部７ｅが形成され、プーリ６の内径部に凸部７ｅと相補的な凹部６ｂが形成されている。この回り止め形状も図２に示す場合と同様に、予め連結部材の外径部にローレット形状を形成し、プーリ６をインサート成形することで形成できる。

また、連結部材と外輪との固定部において、両部材の相対的な移動を防止（回り止め）する相補的な形状を形成してもよい。本発明のウォータポンププーリユニットの他の例を図４に基づいて説明する。図４は、回り止め（外輪と連結部材等）を有するウォータポンププーリユニットの斜視図である。図４に示すウォータポンププーリユニット１では、図２に示す凹凸形状に加えて、連結部材７およびプーリ６にスリット９が形成されており、このスリット９に主軸受（図示省略）の回り止めピンが嵌合する。該図においてスリット９は、連結部材７およびプーリ６の両部材にわたり形成されているが、主軸受の回り止めピンが嵌合可能であれば、連結部材７にのみ形成すればよい。これにより、連結部材７が主軸受の外輪に対して滑る（回る）ことを防止できる。なお、連結部材と外輪との固定部における回り止め形状は、図に示す例に限定されず、図２や図３に示すような凹凸形状等も必要に応じて設定できる。

図２〜図４に示す回り止め形状は、それぞれ単独で形成しても、組み合わせて形成してもよい。連結部材とプーリとの固定部、および連結部材と外輪との固定部の双方で回り止め機構を設けることで、信頼性の高いウォータポンププーリユニットとなる。

また、連結部材の外径面において、上記のような回り止めに加えて、インサート成形後の樹脂製のプーリとの密着性を高めるために、その表面をショットブラスト、機械加工などにより、微細凹凸形状に荒らすことができる。また、同部分に、酸性溶液処理、アルカリ性溶液処理などの化学表面処理を施すこともできる。化学表面処理により形成された微細凹凸形状は、機械的に単純に荒らした形状とは異なり、多孔質のような複雑な立体構造となっているため、アンカー効果を発揮しやすく、強固な密着が可能となる。

本発明における連結部材の他の例を図５に基づいて説明する。図５は、回転軸と一体化した連結部材の斜視図である。図５に示すように、この連結部材７は、他の態様の回転軸に相当する回転軸部分７ｆが、連結部材７の一部として一体に成形されている。連結部材に別部材である回転軸を圧入固定する場合と比較して、これらの部材間の緩み等の心配がなくなり、組み立て工程の削減による製造コストの低減も図れる。

本発明のウォータポンププーリユニットは、加締め強度等の懸念がなく耐久性に優れ、振動や振れ回りを抑制できるので、主にＦＲエンジンで採用される、回転軸の一端部に冷却水を循環するインペラが連接され、他端部に空冷のための冷却ファンが連接され、インペラと冷却ファンとが同一回転軸上に配置される構造のウォータポンプに好適に利用できる。

さらに、連結部材（カラー）を含む構造とするため、該連結部材周囲の構造の設計自由度が増し、上述の図５のように回転軸を一体化する他、回転軸ではなく、連結部材自体に空冷のための冷却ファンを取り付ける構造とすることもできる。これにより、ユニット全体の小型軽量化が図れ、また、冷却ファンの連接が不要な分、回転軸の軸長を短縮することができ、振動の抑制が可能になる。

以上、各図に基づき説明したが、本発明のウォータポンププーリユニットの構造はこれらに限定されるものではない。

本発明のウォータポンププーリユニットは、樹脂製のプーリを用いて軽量化を図りつつ、耐久性に優れ、製造コストも低減できるので、自動車のエンジン（特にＦＲエンジン）冷却用のウォータポンプに用いられるユニットとして好適に利用できる。

１ ウォータポンププーリユニット
２ 転がり軸受（主軸受）
３ 内輪
４ 外輪
５ 転動体
６ プーリ
７ 連結部材
８ 回転軸
９ スリット
１１ ウォータポンププーリユニット
１２ ハウジング
１３ インペラ
１４ 回転軸
１５ 転がり軸受
１６ 内輪
１７ 外輪
１８ 玉
１９ シール部材
２０ プーリ
２１ 冷却ファン
２２ プレート

Claims (4)

1. 外輪、および、内径部がハウジングに圧入固定されている内輪を有する主軸受と、前記外輪側に固定されるプーリと、前記外輪と回転軸とを連結する連結部材とを備え、前記プーリで受ける動力を前記連結部材を介して前記回転軸側に伝達する外輪回転式のウォータポンププーリユニットであって、
   前記回転軸の一端に冷却水を循環するインペラが設けられ、他端に冷却ファンが設けられており、
   前記インペラと前記冷却ファンとの間に前記プーリが設けられていて、
   前記連結部材は、金属製であり、前記外輪と前記プーリとの間で該外輪の外径に固定される円筒内径部と、前記回転軸に連結される連結部と、前記円筒内径部と前記連結部とをつなぎ、前記冷却ファン側に設けられる円筒一端面とを有し、
   前記プーリは、樹脂製であり、金属製の前記連結部材を介して前記外輪側に固定されることを特徴とするウォータポンププーリユニット。
2. 前記プーリは、射出成形により前記連結部材に一体に成形されていることを特徴とする請求項１記載のウォータポンププーリユニット。
3. 前記連結部材と前記プーリとの固定部、および、前記連結部材と前記外輪との固定部の少なくともいずれかにおいて、両部材の相対的な移動を防止する相補的な形状が形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２記載のウォータポンププーリユニット。
4. 前記ウォータポンププーリユニットが前記回転軸を備え、該回転軸が前記連結部材と一体であることを特徴とする請求項１または請求項２記載のウォータポンププーリユニット。

Images