JPH10510020A - 油圧モータ・システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 駆動軸を駆動するのに、複数の固定ディスプレースメント油圧モータを協同して使用することにより、無駄なパワーを最小にする油圧モータ・システム。モータは圧力媒体圧力の変動に対応して、選択的に駆動される。その結果、圧力媒体が、圧力条件により引起こされる流量で、所定の軸回転を生じさせるための複合ディスプレースメントを有する、モータ・システムに作用する。開示された発明は、自動車エンジンの冷却ファンの駆動に特に有効である。

Description

【発明の詳細な説明】 油圧モータ・システム 発明の背景 本発明は油圧モータに関し，特に内燃機関タイプの自動車エンジンの冷却ファ ンに接続される油圧モータに関するものである。 かかるエンジンには，ラジエータを通って循環される液体冷媒が供給される。 冷媒がラジエータを通る際、熱をラジエータに渡し、この熱は流れる空気により 冷却される。 ラジエータが動く車に搭載されている場合は、ある程度の冷却空気が自然に発 生する。しかし、自然の流れは当てにならず，また、近代的な自動車では不十分 である。そこで、冷却空気流れを強制的に生じさせるために，一般的に冷却ファ ンを使用している。 ラジエータの冷却空気ファンは，エンジンによって，直接の機械的接続により 又は間接的にファンモータを介して，駆動される。 このために各種のモータが利用されているが，油圧モータが，通常の自動車で 供給されている圧力媒体が利用できる点で特に望ましい。 しかし，自動車の圧力媒体は，一般的には，エンジンに固定の比率で機械接続 されたディスプレースメント式ポンプにより供給されている。このことは，圧力 媒体の流量及び冷却ファンの速度が，エンジン速度に直接比例して変化すること を意味している。これは望ましい結果ではない，何故なら，所望のファン速度の 変化は，エンジン速度の変化幅に比べて相当狭いからである。 冷却ファンの回転は，回転速度の二乗に比例して生ずる空気力学的ドラッグに よる反作用トルクに抗してなされることはご承知の通りである。 この反作用トルクは，エンジンで発生する力によりオーバカムされる。こうし て発生された力は，油圧モータのディスプレースメント室内のワーク・サーフェ スの投影面積（ワーク・エリア）に加えられる，反作用トルクにバランスする駆 動トルクを生じさせる圧力にまで，圧力媒体を加圧する。これが，エンジン速度 またはファン速度のサード・パワー（the third power）を上げるパワー・ドレ インを生じさせることになる。しかし，ファン速度にはノイズ，パワー・ドレイ ン及びファンの構造を考慮した場合の限界がある。 自動車エンジン速度は，典型的には，エンジンがアイドルからグレード（ｇｒ ａｄｅ）の間で作動する際に，約６００〜４０００ｒｐｍの間で変化する。これ はほぼ１：７の比率である。しかし，ファン速度はこれ程までに上げる必要はな い。必要とするファン速度は，エンジン構造により広く変わるが，グレードでの 回転速度はアイドルの場合の約１．５〜２．０倍に過ぎないことが知られている 。かくて，もし固定ディスプレースメント式油圧モータが，アイドルの場合に理 想的なファン速度を生ずるように設計されていると，グレードにおいて必要な速 度の数倍の速度で作動することになる。逆に、モータがグレードに対して適性な 速度で作動するようになっていると，アイドルに対しては適当な冷却が出来ない ことになる。 これまで，この問題は，次の何れかの方法により解決されてきた。 （１）可変ディスプレース室式油圧ポンプを用いる，または（２）モータのワ ーク・エリアをアイドルでの運転に設定しておき，許容されるモータ速度を，フ ァンの駆動に必要とされない圧力媒体を，バイパス・ラインを用いて他に流す。 第１の方法は，複雑で費用がかさむ，また第２の方法はパワーを無駄にする。 典型的な従来技術での固定ディスプレースメント室式モータでは，無駄にされる パワーは，エンジン速度３０５０ｒｐｍにおいて，約５５０ＢＴＵ／ｍｉｎであ ることが知られている。 発明の概要 本発明は，仕事に必要とされる速度に調整して運転することのできる油圧モー タ・システムを提供することである。 かかるモータ速度の調整は，固定インクリメントの油圧モータ・システムでの ワーク・エリアの調整により達成される。 自動車冷却ファンの駆動機構への適用として，複数の油圧モータが準備され， 供給される圧力媒体の圧力状態に応じて，ファンとの駆動関係が切替えられる。 本発明によれば，油圧モータ・システムのワーク・エリアは，エンジンのアイ ドルでの理想的な速度になるようにセットされる。ワーク・エリアは他の運転条 件、好ましくはグレードでの運転条件での圧力媒体圧力に応じて調整される。 好ましくは，２つの油圧ファンモータは，運転のために，共通の圧力媒体サプ ライ・ラインからのパラレル・ブランチ・ライン内に接続される。 これらモータの内の１つ，アイドル・モータは，エンジンがアイドルにあると きの，冷却ファンの理想的な速度になるようなワーク・エリアを備えている。こ のモータは冷却ファンの駆動軸に固定接続されている。 第２のモータ，グレード・モータ，は，冷却ファンの駆動軸にオーバーライド ・スリップ・クラッチを介して接続されており，アイドル状態ではファンを駆動 していない。 圧力シーケンス弁が，グレード・モータと圧力媒体サプライ・ラインのブラン チ・ラインとの間に設けられている。この弁は，アイドルでは閉じられている。 従って，グレード・モータは低いエンジン速度では仕事をしていない。 エンジン速度および圧力媒体流量が増加すると，圧力媒体圧力が増し，圧力シ ーケンス弁を開け始める。そして，圧力媒体がグレード・モータに入り始める。 こうして，グレード・モータが回転を始め，次第に速度を増す。 グレード・モータの速度がファン軸の速度に一致すると、オーバーライド・ス リップ・クラッチが係合して、グレード・モータがファン軸のトルクに寄与し始 める。 グレード・モータによるトルク寄与は、圧力媒体サプライ・ラインへポンプ送 給される圧力媒体の流量の増加と共に、増加する。このグレード・モータによる トルク寄与は、グレード・モータを通っての圧力損失が、アイドル・モータを通 っての圧力損失とほぼ同じになる迄、増加する。この点において、２つのモータ は一体となって、２つのモータのデスプレースメントの和で、作動する。これに よって、エンジン・パワーの無駄が本質的に避けられる。 それ故、本発明の目的は、インプット流量の関数としてデスプレースメントを 変えることができる改善された油圧モータ・システムを提供することである。ま た、他の目的は、自動車冷却ファンの改善された油圧駆動方法を提供することで ある。 本発明の更なる他の目的及び効果は、以下の明細書及び添付図面から明らかに なるであろう。 図面の簡単な説明 図１は、パラレルで作動している油圧モータの組の模式説明図。 図２は、シリースで作動している油圧モータの組の模式説明図。 図３は、エンジン速度の幅を越えて作動するファン・モータによるパワー損失 を説明するグラフ。 図４は、回転油圧モータのディスプレースメント室の部分断面矢視図。 好ましい実施例の説明 本発明は、圧力媒体のモータ手段への供給量に関係なく、ほぼ理想的な速度で 駆動する油圧モータ手段を提供することを意図している。 これは、ディスプレースメント室手段中のワーク・サーフェス手段のワーク・ エリアを調整することにより達成される。 図１及び２に示す、好ましい実施例において、油圧モータ手段は、それぞれ、 共通のサプライ・ラインからの圧力媒体を受けるように接続されたディスプレー スメント室を有する、複数の油圧モータから構成されている。 自動車冷却ファン１２を駆動するために、アイドル・モータ１６及びグレード ・モータ１８が図１に示すようにパラレルに、また図２に示すようにシリースに 設けられている。 ベスト・モードは、図１に示すパラレル配置である。 図面を参照して、アイドル・モータ１６は、冷却ファン１２に接続された駆動 軸１４に固定して取付けられている。 アイドル・モータ１６は、駆動軸１４のためのワーク・サーフェス（図示せず ）を備えたディスプレースメント室を有している。ワーク・サーフェスは、アイ ドル・モータ１６の入口に接続されたブランチ・ライン２６の圧力媒体により回 転されるワーク・エリアを有している。 アイドル・モータ１６は、一般的な構造で、いろいろな変形をとり得る。 ブランチ・ライン２６は、サプライ・ライン２４に接続されており、このサプ ライ・ライン２４は、自動車エンジンにより駆動されるポンプ（図示せず）に接 続されている。 サプライ・ライン２４は、圧力媒体を自動車エンジンの速度に直接比例した流 量で供給するポンプ（図示せず）に接続されている。高速において、流量の一部 はバイパス・ライン（図示せず）を通ってバイパスされる。 自動車エンジンがアイドル速度で運転されている場合、ブランチ・ライン２６ を通る圧力媒体の全量が、軸１４を回転させるためにアイドル・モータ１６に流 入する。 アイドル・モータ１６により動かされるワーク・サーフェスのワーク・エリア は、エンジンがアイドリング状態のとき、圧力媒体を対応する流量でライン２４ に送り、駆動軸１４を所望の速度で回転させるように構成されている。 ワーク・エリアＡ_iは、次式により計算される。 Ａ_i＝Ｖ_i／（Ｒ_i・Ｍ_i） ここで、 Ｖ_i＝アイドル速度での圧力媒体の流量 Ｒ_i＝アイドル速度でのファンの理想的即ち所望の回転速度(ラジアン／秒) Ｍ_i＝ワーク・エリアＡ_iのモーメント・アーム 一般的に、Ｖ_iは既知で、またＲ_iは設定されている。 本発明では、アイドル・モータは、Ｖ_i／Ｒ_iに等しいエリア・モーメント積Ａ_i ・Ｍ_iが得られるようになっている。 そして、弁２０が閉じている限り、ファン１２の回転速度は、如何なる流量Ｖ に対しても、次式で与えられる。 Ｒ＝Ｖ／（Ａ_i・Ｍ_i） 流量Ｖ及びファン速度Ｒの両者は、エンジン速度の上昇に伴い上昇する。 本発明では、Ｒがグレード速度Ｒ_g′に達するまで、エリア・モーメント積を 増大させ、こうしてＲの増加割合を下げるようにしている。 エリア・モーメント積の増加は、サプライ・ライン２４内の圧力媒体の圧力が 所定の値に達した時の、グレード・モータ１８を通る圧力媒体のそらし部により 得られる。 ファン速度Ｒとライン圧力Ｐとの関係は、次の通りである。 Ｐ＝（Ｔ・Ｒ）／Ｖ ここで、Ｔは、軸１４に対する駆動モータによるトルクである。 グレード・モータ１８は、ブランチ・ライン２８、圧力シーケンス弁２０及び 他のブランチ・ライン３０を介してサプライ・ライン２４に接続されている。 圧力シーケンス弁２０は、自動車エンジンがアイドリング状態で閉じられてお り、この時点ではグレード・モータ１８はファン１２を駆動していない。 グレード・モータ１８は、アイドル運転中の軸１４の回転との干渉を避けるた めに、オーバーライド・スリップ・クラッチ１９を介して軸１４に接続されてい る。 自動車エンジンの速度が増し、ライン２４及び２６中の圧力媒体の流量が増す と、これに比例してファン１２の速度が増加する。ファン１２の速度が上がるに つれ、大きな反作用トルクがだんだんに生じ、これが逆に、自動車エンジンによ り供給される圧力媒体の圧力を増加させる。 圧力シーケンス弁２０はばね２２を有しており、このばね２２は、サプライ・ ライン２４に接続されたライン８３内の増大した圧力に降伏する。こうして、ラ イン２４内の圧力が増加するに伴い、弁２０は開き始める。ばね２２のばね定数 は、アイドル後で、ライン２４中の圧力がグレード運転時の圧力に達する前に、 圧力シーケンス弁２０を全開できるように選ばれている。 弁２０が開き始めると、圧力媒体はライン２４からブランチ・ライン２８に入 り、弁２０及びブランチ・ライン３０を通って、グレード・モータ１８内のディ スプレースメント室（図１には示されていない）内に流入する。圧力媒体が流入 すると、このディスプレースメント室内のワーク・サーフェスが、グレード・モ ータ１８を、軸１４の速度よりおそい速度で回し始める。 サプライ・ライン２４への流量が増えると、これに伴って、ライン３０及びグ レード・モータ１８を通る流量が増大する。その間、アイドル・モータ１６を通 る流量は、ほぼ一定のままである。ライン３０を通る流量が、ある点に達すると 、グレード・モータ１８は軸１４の速度になり、クラッチ１９が係合する。こう して、グレード・モータ１８は、ファン軸１４へのトルクに寄与し始める。 グレード・モータ１８を通る流量が増加すると、グレード・モータを通っての 圧力損失も、同様に増える。この圧力損失は、アイドル・モータ１６を通っての 圧力損失と同じになるまで増大する。 グレード・モータ１８を通っての圧力損失の増加中、アイドル・モータ１６を 通っての圧力損失はほぼ一定であり、圧力シーケンス弁２０の前後に圧力差がで る。 グレード・モータ１８を通っての圧力損失が、アイドル・モータ１６を通って の圧力損失と同じになると、ライン２４内の圧力が増加し始める。 この時点で、ファン１２の速度はＲ_g′となり、モータ１６，１８はＶ_g／Ｒ_g に等しい全エリア・モーメントで作動する。 全エリア・モーメントを得るために、グレード・モータ１８は、次式に従って 選ばれたエリア・モーメントが得られるディスプレースメント室３８を有してい る。 Ａ_g・Ｍ_g＝Ｖ_g／Ｒ_g−Ａ_i・Ｍ_i また、図１に示すように、油圧モータ１６，１８には排出ライン４４，４２が それぞれ接続されており、これらのラインは戻りライン３２に接続されている。 図１には、更に、ドレイン・ライン６９及び３３が示されており、これらは、 それぞれモータ１６，１８のドレイン・シール・キャビティ（図示せず）として 機能している。また、ドレイン・ライン３１があり、圧力シーケンス弁２０のば ね２２の室８１のドレインニングをしている。ドレイン・ライン３１は、弁２０ の圧力参照源に接続されている。この圧力参照源は、ライン６９，３３及び／又 はライン３２或いは他の参照と共通にしてもよい。 図２は変形例を示している。これではアイドル・モータ１６及びグレード・モ ータ１８がシリースに配置されている。 この配置で、アイドル・モータ１６は、駆動軸１４に接続するためのクラッチ ２１を有している。そして、圧力媒体を、アイドル・モータ１６の出口からグレ ード・モータ１８の入口に送る接続ライン５０が設けられている。 この配置において、両モータは低い流量で回転しているが、グレード・モータ １８だけがグレード状態で回転する。 なお、追加の油圧モータの採用及びブランチ・ラインへの弁の配置等を含む他 の配置も可能である。 図３は、図１の配置での、無駄なパワーを最小にする有効性を示している。 ファン速度Ｒに対して、対応する反作用トルクＴ及びパワー消費２πＴＲがあ る。 与えられたファン速度に対し、必要な圧力媒体量を送出す理想的なポンプ速度 がある。圧力媒体の過剰な流量に対するパワー消費は無駄と考える。しかし、図 ３では、最大の所望のファン速度を生じさせる速度以下のエンジン速度において は、無駄は無いと仮定している。従って、図３では、次式による典型的な自動車 冷却システムに対する無駄なパワーをプロットしている。 ＷＰ＝８.２７×１０^-5Ｐ（ＥＳ−ＥＳ_mf） ここで、Ｐは圧力媒体の圧力で単位ｌｂ／ｉｎ²であり、ＥＳはエンジン速度 である。 上記の式では、プリー比は１．１２及びポンプのディスプレースメントは一回 転当り０．６８９１ｎ³と仮定している。図３のプロットで、Ｐは１６００ｐｓ ｉ，エンジン速度最大１２００ｒｐｍ（アイドル速度の２倍）と仮定している。 ＷＰの値が、デュアル・パラレル・モータ（カーブ１００）及びシングル・モ ータ（カーブ１０２）に対するエンジン速度の関数として，図３にプロットされ ている。 カーブ１０２は急峻で、一定な傾斜をなしており、無駄なパワーが急速な割合 になっている。これに対し、カーブ１００は、１０４部で示されるように初めは 、緩やかな傾斜になっている。それから、エンジン速度約１７６０ｒｐｍで、弁 ２０が開き始め、負の勾配となっている（１０６部）。無駄なパワーは、グレー ド速度、約３０００ｒｐｍ（１０８部）では全く無くなり、それからグレードを 越えた速度（１１０部）では上り勾配になっている。 図４は、典型的な平歯車油圧モータ１４０での、ワーク・エリア及びモーメン ト・アームを説明している。なお、他の種類の油圧モータも使用することがき、 平歯車油圧モータは本出願での術語の説明のために示されているに過ぎない。例 えばジェロータ（ｇｅｒｏｔｏｒ）タイプの油圧モータは一般的に安価で、図４ に示す配置についても好ましいものである。 図に示す油圧モータは、ハウシング１４２を含んでおり、その中に、軸１６０ 、１６２にそれぞれ取付けられた、相互に噛合う平歯車１４６，１４８が設けら れている。圧力媒体は、ディスプレースメント室１４５に入り、出口（図示せず ）から排出される。軸１６０、１６２のいずれかがファンの軸１４に接続されて いる。 モータ１４０のワーク・サーフェスは、平歯車１４６，１４８のはの上流面１ ５０である。 圧力媒体が面１５０に作用すると、歯車１４６，１４８を、矢印１５２，１５ ４方向に回転させるトルクが生ずる。このトルクが生ずる理由は、圧力媒体が、 如何なる時点でも３つの歯面１５０に作用するからである。これら面の内の２つ は、協同して作用し、２つの歯（各歯車の上）はハウシング１４２の内面に接線 となる。第３の作用面１５０が、２つの歯車１４６，１４８のまさに噛合おうと する歯と協同する。この第３の面１５０が、矢印１５２，１５４で示す回転に対 向するトルクを生じさせる。ディスプレースメント室１４５のワーク・エリアＡ は、１つの歯の面１５０と等しくなる。この面のモーメント・アームは、歯車１ ４６，１４８の間で、図４で２つの矢印Ｍに示されるように、前後に切替わる。 前述のように、本発明では、無駄なパワーを減少させるために、少なくとも２ つのエリア・モーメント積ＡＭを選択している。このエリア・モーメント積は、 寸法的には容積と同じであることが理解されると思う、実際にラジアン当たりの ディスプレースメントに等しい。また、１回転当たりのディスプレースメントの １／２π倍に等しい、これはこの分野ではよく知られていることである。 図４に示す配置に適用した場合、エリア・モーメント積は、歯車１４６，１４ ８の半径、または歯の大きさにより調節できる。歯の大きさは、歯の長さ、また は軸１６２，１６４の軸と平行な方向の歯の厚みを変えることにより調節できる 。これらのいずれかの調節により、１回転当たりのディスプレースメントを調節 することができる。 以上の装置及び方法についての説明は、好ましい実施例を示すにすぎず、本発 明はこれらの装置及び方法の詳細に限定されるもので無く、本発明の請求項に限 定された要旨から外れることのない変更を含むものである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．油圧駆動装置で、 （ａ）圧力媒体を受入れるサプライ・ラインと、 （ｂ）前記圧力媒体により順次充填されるように、それぞれが前記サプライ・ラ インに接続された、複数のデイスプレース室を画すデイスプレース室手段と、 （ｃ）それぞれが、前記の順次充填に対応して動くように、前記デイスプレース 室内に設けられた複数のワーク・サーフェスと、 （ｄ）前記圧力媒体を前記複数のデイスプレース室間に分配する流れ分配手段と 、 から構成されている油圧駆動装置。 ２．前記流れ分配手段が、前記デイスプレース室を、それぞれ前記サプライ・ ラインに接続する複数のブランチ・ラインと、これらブランチ・ラインの１つに 設けられた圧力感知弁とから構成されている請求項１に記載の装置。 ３．前記圧力感知弁が，前記ブランチ・ライン内の圧力変動に対応して、前記 の１つのブランチ・ラインを比例して緊縮するようになっている請求項１に記載 の装置。 ４．自動車冷却ファンを駆動する油圧モータ・システムで、 （ａ）圧力媒体を受入れるサプライ・ラインと、 （ｂ）前記サプライ・ラインに流体接続される第１ブランチ・ラインと、 （ｃ）前記第１ブランチ・ライン内の圧力媒体流れに応じて、前記ファンを駆動 する第１油圧モータと、 （ｄ）前記サプライ・ラインに流体接続される第２ブランチ・ラインと、 （ｅ）前記第２ブランチ・ラインを制御可能にブロックする弁と、 （ｆ）前記第２ブランチ・ライン内に圧力媒体が流れている間に、前記第１油圧 モータと協同して、前記ファンを駆動する第２油圧モータと、 から構成されている油圧モータ・システム。 ５．更に、前記ファン及び第１油圧モータに接続される軸並びに前記第２油圧 モータを前記軸に解除可能に接続するクラッチとが設けられている，請求項４に 記載のシステム。 ６．更に、前記第１油圧モータを通った圧力媒体を受け、また、該圧力媒体を 前記第２油圧モータに送る接続ラインがシリースに設けられている，請求項４に 記載のシステム。 ７．前記圧力感知弁が、前記第２ブランチ・ライン内の圧力変動に対応して、 前記第２ブランチ・ラインを調節可能に緊縮する手段から構成されている請求項 ４に記載のシステム。 ８．前記圧力感知弁が、前記サプライ・ラインが圧力媒体を、所定の圧力以下 で送っているときに、前記第２ブランチ・ラインをブロックし，また前記サプラ イ・ラインが圧力媒体を、所定の圧力以上で送っているときに、前記第２ブラン チ・ラインを圧力媒体に対して，比例して開く手段から構成されている請求項７ に記載のシステム。 ９．エンジン冷却ファンの油圧駆動装置で， （ａ）圧力媒体を受けるサプライ・ラインと， （ｂ）アイドル速度において，エンジンを冷却するに十分なエリア・モーメント を有している，前記圧力媒体により駆動される第１油圧モータと， （ｃ）前記第１油圧モータのエリア・モーメントに加えられたときに，グレード 速度において，エンジンを冷却するに十分なエリア・モーメントを有している， 前記圧力媒体により駆動可能な第２油圧モータと， （ｄ）通常は，前記第２油圧モータへの圧力媒体流れを阻止し，また，圧力媒体 圧力が所定の値に達したときに，前記第２油圧モータへの圧力媒体流れを許容す る弁と， から構成されている油圧駆動装置。 １０．更に，前記圧力媒体を前記サプライ・ラインから前記第１及び第２油圧 モータに送るパラレル・ブランチ・ラインが設けられている請求項９に記載の油 圧駆動装置。 １１．更に，前記ファンを駆動する駆動軸及び前記第２油圧モータを前記駆動 軸に解除可能に接続するクラッチとが設けられている請求項１０に記載の油圧駆 動装置。 １２．前記第１油圧モータは前記駆動軸に強固に接続されている請求項１１に 記載の油圧駆動装置。 １３．油圧駆動装置で， （ａ）圧力媒体を受入れるサプライ・ラインと、 （ｂ）前記圧力媒体を前記サプライ・ラインからパラレルに受入れる複数のブラ ンチ・ラインと， （ｃ）駆動軸と， （ｄ）前記ブランチ・ラインに接続され，前記パラレル流れに対応して前記駆動 軸を協同して駆動する複数の油圧駆動モータと， （ｅ）前記油圧モータが前記軸よりも遅い速度で作動しているときに，前記油圧 モータの１つを前記軸から離すクラッチと， （ｆ）前記圧力媒体の前記１つの油圧モータへの流れを選択的に遮断する，前記 ブランチ・ラインの１つに設けられた弁と， （ｇ）前記弁の動作を制御するための，前記圧力媒体の所定の圧力条件に感応す る圧力感知手段と， から構成されている油圧駆動装置。 １４．前記圧力感知手段は．前記圧力媒体による圧力に降伏し，これにより前 記弁を作動させるばねから構成されている請求項１３に記載の油圧駆動装置。 １５．前記弁は常時は閉じている弁である請求項１４に記載の油圧駆動装置。 １６．回転荷重の駆動方法で， （１）圧力媒体を第１回転油圧モータに供給する工程と， （２）前記圧力媒体に応じた荷重で，前記第１回転油圧モータを回転させる工程 と， （３）前記圧力媒体を弁に供給する工程と， （４）前記圧力媒体の圧力変動に対応して，前記弁を開状態と閉状態とに切替え ることにより，前記弁を流れる圧力媒体流れを選択的に生じさせる工程と， （５）前記弁を流れる圧力媒体に対応して，前記第２回転油圧モータによって， トルクを前記荷重に作用させる工程と， から構成されている回転荷重の駆動方法。