混合动力冷却剂泵的制作方法

本申请是一项发明申请的分案申请，其母案的发明名称是混合动力冷却剂泵，申请日是2012年4月10日，申请号是201280017796.0（国际申请号：pct/us2012/032849）。

相关申请的交叉引用

本申请要求美国专利申请序列号61/474,862的优先权，与该申请相关的是：名称为“用于车辆附件的皮带轮组件”（dkt11001）的美国专利申请序列号61/474,876、名称为“摩擦离合器组件”（dkt11002）的美国专利申请序列号61/474,928、名称为“压缩弹簧构件”（dkt11003）的美国专利申请序列号61/474,907，以及名称为“用于摩擦离合器组件的控制系统”（dkt11004）的美国专利申请序列号61/474,895，这些申请均于2011年4月13日提交。

在此披露了一种水泵，该水泵具有两种运行模式，一种直接皮带轮机械模式和一种电动机运行模式。

背景技术：

水泵被用于水冷式发动机中，主要用于如带内燃发动机的汽车和载重车的车辆的运行。这些水泵典型地是由一个皮带驱动，该皮带被附接到发动机曲轴上并因此以一定比例的发动机转速运转。这些泵具有一个叶轮，该叶轮用于将发动机冷却剂从该发动机循环到散热器并且返回发动机以便使该冷却剂保持在可接受的温度极限之内。

如今正减少发动机附件（如水泵）的功率消耗以便改善燃油经济性和降低排放。因此优选的是此类附件（包括水泵）能被制作成以可变速度或以更小的功率运行，以便减小发动机所承受的负荷，并且进而改善燃油经济性并减少来自发动机的不希望有的排放物。

技术实现要素：

在此披露了一种改进的水泵。该水泵具有两种运行模式，第一模式由发动机附属装置皮带机械驱动，而第二模式由如无刷dc（bldc）电动机的一个电动机来操作。

用于这两种运行模式的部件被容纳在一个壳体中，该壳体包括作为该壳体一部分的皮带轮构件。连接到该水泵的叶轮上的一个轴被定位在该壳体中并且该轴依据某些因素而通过一种或另一种运行模式来控制。

该壳体由定位在该皮带轮构件上的发动机附属装置皮带来驱动而以输入速度转动。在该壳体内提供一个摩擦离合器以便该皮带轮组件选择性地驱动该水泵。一个螺线管被用来对该摩擦离合器的运行进行控制。

该水泵在其大部分运行范围内通常由电动机驱动。当需要峰值冷却时，采取机械运行模式并且该水泵由该皮带轮构件直接驱动。该摩擦离合器包括一个软化的弹簧构件，该弹簧构件使该离合器消耗的电功率最小化。混合动力冷却泵具有一种可变速度控制，这种可变速度控制导致消耗更少的功率、燃油经济性的改善、以及排放物的减少。

该皮带轮组件由两个件构成，即一个皮带轮构件和一个离合器壳体构件。这种构形保证了皮带负荷在多个分离的轴承之间的分配从而使悬垂的轴承负荷最小化。

当结合附图和权利要求来考虑时，本发明另外的目的、特征和益处将在本发明的以下说明中给出。

附图说明

图1展示了根据本发明的一个实施例的一个水泵。

图2是图1所示的水泵的截面视图。

图3是如图1和图2所示的水泵的组成部分的分解视图。

图4展示了根据本发明可以使用的一个摩擦离合器实施例。

图5是如图4所示的摩擦离合器的分解视图。

图6是本发明可以使用的一个压缩弹簧构件的一个实施例。

图7是如图6所示的压缩弹簧构件的侧视图。

图8是处于未压缩状态下的该压缩弹簧构件的一个部分的放大视图。

图9是处于压缩状态下的该压缩弹簧构件的一个部分的放大视图。

图10是本发明所使用的一个压缩弹簧构件的一个实施例的一条负荷-挠曲曲线。

图11展示了本发明可以使用的一个压缩弹簧构件的一个替代实施例。

图12描绘了本发明可以使用的一个压缩弹簧构件的另一个替代实施例。

图13示意性地展示了本发明的一个优选的实施例的多种运行模式。

图14示意性描绘了本发明可以使用的一个压缩弹簧机构的另一个实施例。

图15和图16对应地展示了图14所示的实施例所使用的屈曲梁构件的平面视图和侧视图。

图17示意性地展示了一个电磁离合器机构。

图18示意性地展示了一种螺线管控制系统。

具体实施方式

为了促进和理解本发明的原理的目的，现在将参见在图中所展示的这些实施例并且将使用特定的语言对它们进行说明。尽管如此，应理解在此并不旨在限制本发明的范围。本发明包括在所展示的装置和所说明的方法中以及本发明的原理的进一步应用中的任何替代方案以及其他修改，这些将是在本发明所涉及的领域中的人员或普通技术人员通常会想到的。

在此描述的本发明具体涉及多种混合动力冷却剂泵，这些混合动力冷却剂泵用于使如汽车内燃发动机的发动机中的冷却剂循环。然而，本发明也可以用于其他发动机附件装置。更确切地说，在此描述的，包括但不限于压缩弹簧构件、螺线管致动的摩擦离合器和/或pwm控制系统的其他部件、机构和系统可以在其他装置和系统中具有重要用途。

作为一个冷却剂泵，该泵在大部分情况下是电驱动的。然而，在需要进行更多冷却的情况下该泵也可以是机械接合的。因此，当车辆在大部分正常情况下行驶时，该水泵由电动机驱动和操作。

在“最坏条件”的冷却情况下，如当车辆处于重载时、当它牵引一个挂车时、当它在夏季上山时、等等，该水泵被适配成直接由皮带用发动机机械驱动。这样提供了在此类情况下的必要的冷却。

根据本发明的一个优选的实施例，该电动机是一个无刷dc（bldc）电动机并且该电动机被定位在一个皮带轮组件内。该泵还被适配成当需要时由附接到发动机曲轴的、如蛇形带的发动机皮带来机械驱动。

在此描述的本发明的优选的实施例尤其适用于载重车、乘用车和越野车辆。由于这个优选实施例还提供了对该水泵的可变速度控制，该水泵使用了来自发动机的更少的功率并因此改善了燃油经济性并降低排放。

根据本发明的一个混合动力水泵实施例在图1中示出并且总体上是由参考数字20指示。该混合动力水泵包括一个皮带轮组件22和一个水泵壳体24。皮带轮组件22具有一个离合器壳体构件26和一个皮带轮构件28。皮带轮构件28具有用于由一条皮带（未示出）来驱动的多个圆周槽30。

水泵20的一个截面视图在图2中示出并且水泵20的组成部分的分解视图在图3中示出。

该水泵具有一个叶轮轴40，该叶轮轴被定位在皮带轮组件22之中并且还被附接到一个水泵叶轮42上。叶轮轴40通过滚针轴承44和中间轴承84而在泵壳体24中被固持在位。一个冷却剂密封件46用于防止该泵中的冷却剂泄漏到该皮带轮组件中。

一个电动机定子50被定位在皮带轮组件22中的一个定子壳体52内。一个如扳手螺母54的螺母用于将定子壳体52固持到泵壳体24上。

一个第二滚针轴承60被定位在皮带轮构件28与泵壳体24之间，以便允许皮带轮组件22相对该泵壳体自由转动。

一个电动机转子70被定位在一个前轴承座72内，该轴承座优选是由一种铝质材料制成的。该电动机优选是一个无刷dc（bldc）电动机。一个螺线管构件80被定位成紧密邻近前轴承座72。一个摩擦离合器组件90被定位成邻近电动机壳体22的前盖并且该离合器组件由螺线管构件80来操作。轴承构件84被定位在轴承座72与叶轮轴40之间。

一个如六角螺母92的紧固构件通过前轴承82而将皮带轮组件22固定到叶轮轴40上。如图2和图3中具体指示的是，皮带轮组件22由两个件构成，即一个皮带轮构件28和一个离合器壳体26。这种构形提供用于在后滚针轴承60与前滚珠轴承82之间对皮带负荷进行分布，因而消除了悬垂轴承负荷。其结果是，轴承负荷的最小化导致一种更耐用且长久的产品。

如指示的，该水泵通常由电动机驱动。该电动机是通过连接到多个销针式接触构件86上的一个电路板（未示出）来电驱动的。电气引线和缆线可以被插入模压在壳体25和引线架29中，以便将电气信号传输到电动机定子50和螺线管80。该电路板通过如can网络的车辆通信网络而进一步与该车辆的电子控制单元（ecu）相联通。泵控制器电路板还可以被定位成在皮带轮组件22内、在定子壳体52之后且并具有一个环形室形状。

该电动机的速度以及由此该水泵的速度是根据发动机所需要的冷却来选定的。多个传感器将相关的数据提供到ecu，然后ecu对泵控制器发送一个信号来要求所希望的速度。该泵控制器然后确定使用该电动机或通过接合该摩擦离合器并直接从皮带轮驱动叶轮是否最好的达到了所希望的速度。

图13是示意性地展示该混合动力泵的功能模式的一个曲线图200。图13中沿x轴线示出的是发动机速度而沿y轴线示出的是叶轮速度。这两个速度均以每分钟转数（rpm）示出。

这种混合动力泵驱动的主要电力驱动模式以206示出。峰值转矩是由电动机208实现。完全皮带轮驱动（亦称“带驱动”）由线210示出。此处该泵由发动机通过附属皮带来机械地驱动。线210的斜率可以通过修改在该发动机曲轴皮带轮与泵皮带轮构件28之间的皮带轮驱动比而改变。

一个任选的电力驱动区域以212示出。这个区域表示的是在其中电动机能够提供一个“过驱动”特征的范围，在“过驱动”特征情况下，该泵可以用比机械输入速度更快的速度来旋转。范围214和范围216是在电力驱动模式中从机械能转化为交流发电机中的电能然后转化回电动机的机械能的过程中的效率损失导致的。尽管该泵可以在范围214和范围216中被电操作，然而对于该泵来说跳到机械驱动模式210是更加节能的。在202的情况下，该泵不工作，并且叶轮不转动。在此实施例中，不管发动机的速度如何，该泵都不工作。也有可能在发动机停止工作时电驱动该泵。这种情况以220示出。

摩擦离合器90的一个放大视图在图4中示出，而摩擦离合器90的组成部分的分解视图在图5中示出。摩擦离合器90包括一个离合器承载构件100，一个通量板构件102、一个压缩弹簧构件104、以及一个摩擦衬承载构件106。具有摩擦衬材料的多个件108被附接到该承载件106的外圆周上，如图4所示。这些摩擦衬构件108可以具有任何常规的摩擦材料并且可以具有任何尺寸和形状。尽管该摩擦衬材料是以多个分离的构件示出，如图4和图5所示，但该摩擦衬可以是一个单一件或者是定位成围绕该摩擦衬承载构件106周边的任何数目的分离的构件。

摩擦衬材料在混合动力泵被使用的情况下会随着时间磨损。一旦发生这种情况，由于压缩弹簧构件104被设计成随着衬片材料磨损而产生更大的力，摩擦离合器90的能力将增大。

一个压缩弹簧构件104的一个实施例的一个放大视图在如图6中示出。压缩弹簧构件104是一个“软化的”弹簧构件，这是因为压缩该弹簧构件必需的力一旦达到一个特定峰值时会随着时间而减小。

压缩弹簧构件104具有多个孔或开口，以便附接到该摩擦衬承载构件与该离合器承载构件上。在此方面，一个系列的四个孔110被提供在压缩弹簧构件104上以便与摩擦衬承载构件106中的多个开口112配合。多个铆钉114或类似物被用于将压缩弹簧构件104固定到摩擦衬承载构件106上。该压缩弹簧构件可以通过任何常规的方法而联结到该摩擦衬承载构件上，如通过焊接、钎焊、螺纹紧固件，等等。

在该压缩弹簧构件中的第二系列的开口包括四个开口120。这些开口与在离合器承载构件100上的相对应的多个柱构件122相配合。这些柱构件122是在摩擦离合器组件90组装好后而变形或模锻的以便将该摩擦离合器组件的组成部分牢固地固持在一起。

当摩擦离合器组件90在接合的位置中时，转矩从皮带轮组件22通过这些摩擦衬构件108传输到摩擦衬承载件106。该摩擦衬承载件然后将转矩通过该压缩弹簧构件104而传输到使该叶轮轴转动的离合器承载件100。

这个压缩弹簧构件104实施例具有一个外环构件130和一个内环构件132。这两个环构件130和132由多个连接构件134、135、136和137连接在一起。压缩弹簧构件104的放大的部分在图8和图9中示出。当压缩弹簧构件104已组装在摩擦离合器组件90中时，外环构件130和内环构件132对应地被牢固地固持在位并被固定成使它们在该摩擦离合器组件的运行过程中不能够径向朝向或远离彼此而移动。

在图8中，该压缩弹簧构件是以未压缩的位置示出的。这也在图6和图7中示出。

当压缩弹簧构件104被压缩到图10所示的位置142时，该压缩弹簧构件迫使摩擦衬承载构件106和这些摩擦衬构件108抵靠在离合器壳体构件26的内部的圆锥形摩擦表面109（图2）上从而导致对该水泵的机械操作。离合器壳体构件26可以是铝质的并且该圆锥形摩擦表面可以被热喷镀有如低碳钢的多种材料。

当该摩擦离合器组件90由螺线管80激励时，由于在螺线管芯81与该通量板之间的空气隙中产生的力，通量板102被吸引到该螺线管组件上。当通量板102朝向该螺线管移动时，该压缩弹簧构件104被压缩，从而使摩擦衬承载构件106和这些摩擦构件从它们抵靠在离合器壳体构件26的内表面上的接合的位置分离。在压缩的情况下，这些连接构件134、135、136和137是屈曲且畸变的，如在图9中以示意性方式描绘的。在这个位置中，该水泵仅由电动机操作。

通量板102通过多个接片107（图4）而被牢固地附接到摩擦衬承载件106上。这种通量板与摩擦衬承载件的附接可以是通过任何常规的联接技术的，如电焊、螺钉、铆钉、等等。

该离合器组件的轴向行程是通过将通量板102上的多个接片103接合在离合器承载构件100上的多个凹座101中（图5）来限制的。这种轴向行程限制防止了极板与螺线管芯构件81发生接触，因为该极板以叶轮速度旋转而该螺线管芯是静止的。

根据一个优选实施例的压缩弹簧构件104的负荷/挠曲曲线在图10中示出。如图10所示，在该压缩弹簧构件开始屈曲和变形时，负荷/挠曲曲线140快速达到一个力的最大值140a并且然后需要较小的力来使该压缩弹簧构件继续挠曲。这由该曲线的第二部分140b示出。这意味着一旦该压缩弹簧构件达到点140a后，只需要较小的力来使该弹簧进一步挠曲并且因此防止该摩擦离合器组件接触该壳体的内部。在此方面，该离合器接合的位置以点142示出，该弹簧的工作负荷由线144指示，该弹簧的工作长度由线146示出，而该离合器脱离接合的位置以点148示出。因此，一旦达到使该弹簧屈曲或变形所必需的力的最大值时，所必需的是逐渐减小的力来使该弹簧进一步挠曲并由此允许由电动机对水泵完全操作。这个软化的弹簧构件因此使该离合器与螺线管80脱离接合的寄生电功率消耗能够最小化。这是通过对供应到该螺线管的电流进行脉冲宽度调制（“pwm”）来实现的。为使该螺线管脱离接合，螺线管驱动控制器使螺线管驱动场效应管（“fet”）以100%pwm运行，从而对该螺线管供应全部电流。该控制器具有一种电流感测技术，这样使得当该离合器处在完全脱离接合的位置中时该控制器能够感测指示该离合器脱离接合的电流变化。在这个点，该控制器将pwm降到如10%的一个较小水平，从而该螺线管消耗较少的电流。由于该压缩弹簧构件104在这个如图10所示的位置148中产生非常小的力并且因为空气隙变小而使磁路变得非常有效，所以较小的电流水平仍足以使该离合器保持在脱离接合的位置中。

在如空调压缩机、泵、等汽车附件中使弹簧与离合器接合、电磁地脱离接合以便选择性地接通和关闭到达该附件部件的驱动力是非常常见的。典型的做法是在这个装置不需要能量时保存能量。这些装置典型地被设计成弹簧接合以便在如失去电功率的控制失效情况下该附件装置是有动力的。这样做提供了“失效保护”的功能，即该装置在失电时默认进入“工作”状态。

这些“失效保护”的离合器设计的主要缺点是它们需要连续的电功率使该装置在不需要该装置时保持脱离接合。对许多附加装置而言，这种状态可以构成它们大部分的运行寿命。此外，这些装置经常需要20+瓦的电功率，这些可以是交流发电机输出的一个重要部分。对于采用大量电气部件（座椅加热器、风窗玻璃去霜器、电动座椅、以及许多其他装置）的现代车辆而言，超出交流发电机的最大功率容量并非是不常见的。

本发明的一个优选实施例提供了一种缓和这种问题的方法，该方法是通过这些离合器电磁地脱离接合来使消耗的寄生功率最小化。从根本上说，这样的安排利用了在一个磁路的空气隙中产生的力与该空气隙的长度之间的物理关系。这样的关系由以下等式说明，其中m1和m2是该磁路的两极的对应的磁场强度，µ是自由空间磁导率，而r是这两个极之间的距离。

从这个等式明显看出的是磁场强度以这两个磁极之间的距离的平方减小。此外，从图17明显看出用于接合该离合器的弹簧力在该螺线管被激励且空气隙关闭时将线性地增大。这意味着该螺线管在其闭合位置中会具有多余的能力，这是由于磁场强度以距离的平方增大而反作用的弹簧力仅与距离成线性地增大。由于这些磁极的磁场强度与流过该线圈的电流以及线圈的匝数有关，显而易见的是与牵拉该离合器脱离接合所需要的电流相比，将该离合器保持在脱离接合的位置所需要的电流更小。此外，如果这个离合器接合弹簧被设计成使该弹簧在其如在此描述的被压缩时软化，这种效果将会是更加显著的。

为利用这种条件，本发明采用如图18所示的用于该螺线管的一个pwm（脉冲宽度调制）控制系统。该pwm控制系统使用一个pwm驱动器（典型的是一个场效应管和支持电路）来对该螺线管加以脉冲使其以非常高的速度通电和断电，典型的是大约几百赫兹。由于该螺线管提供了防止电流瞬时改变的一个相当大的电感，这具有的效果是使输送到该螺线管的平均电流减小。于是可以通过改变pwm驱动器的占空比来控制平均电流水平。

通过这种方法，pwm控制器被用于对螺线管施加100%占空比或全电流以便在空气隙中产生最大的力来使离合器脱离接合。一旦该离合器处于脱离接合的位置中，占空比可被减小到一个非常低的水平，从而有效地降低了供应到该螺线管的平均电流并因此减少了功率消耗。

该pwm驱动器可以进一步结合电流感测技术，其方式为使一个微控制器能够监测供应到螺线管的电流。这样的优点在于当该螺线管的运动极抵靠行程极限时在螺线管供电线路上明显可见一个电流峰值。这个电流峰值可以作为微处理器的一个信号来说明该离合器处于其缩回位置并且可以减小占空比。

一个替换形式的压缩弹簧构件160在图11中示出。在此实施例中，一个系列的连接器构件162被定位在一个外环164与一个内环166之间。当该压缩弹簧构件160被用在一个摩擦离合器组件中时，外环构件164和内环构件166对应地被约束和固定在位。这些内部连接构件162包括多个径向的压缩梁163和多个切向的挠性臂165。当该弹簧被压缩时，这些切向的挠性臂变形以允许这些径向空隙167在该弹簧变平时关闭。

本发明可以使用的一个压缩弹簧构件的另一个替代实施例在图12中示出。压缩弹簧构件104’与上述压缩弹簧构件104类似，但不具有外环构件或内环构件。替代的是，压缩弹簧构件104’具有多个连接构件134’、135’、136’和137’，这些连接构件在多个开口110’和120’的区域105之间延伸。这些开口110’和120’与图4至图6中的开口110和开口120是一样的，在相同的位置、并且用于相同的功能和目的。

当该压缩弹簧构件104’被用在一个摩擦离合器组件中时，这些连接构件134’、135’、136’和137’像上述连接构件134至137一样变形和屈曲从而提供了一个类似的“软化”弹簧构件。

另一个压缩弹簧构件（未示出）可以与图6中的压缩弹簧构件104类似，但只包括一个内环构件或一个外弹簧构件（即不是两个），连同多个连接构件。

另一个“软化的”压缩弹簧机构在图14中示出，其部件之一在图15和图16中示出。这个机构250具有一个系列的三个“屈曲梁”弹簧构件252、253和254。这三个梁式弹簧构件也统称为参考数字258。如图14所示，这些梁构件252至254表示为适配成附接到一个内环构件260与一个外环构件262上。当这些梁构件被用于一个摩擦离合器机构时，如上述的摩擦离合器构件90，这些环构件将由一个离合器承载构件和一个摩擦衬承载件来替代。

当这些梁式弹簧构件258被附接到多个外环构件或承载构件上时，多个紧固件构件（未示出）将被定位并固定在对齐的开口270和开口280中。这些紧固件构件可以是任何常规的类型，但优选是铆钉。这些开口还可以按上述方式被定位在多个可模锻的柱的上方。

如图15和图16所示，梁式弹簧构件252至254中的每个构件优选是具有示出的形状和结构的弹簧钢材料的薄片件。这些梁式弹簧构件从一个侧视图看具有一个弯曲的形状，如图16所示，具有多个平的区域272、274和276，在这些区域上设置有附接孔273、275和277。

压缩弹簧机构250、或至少多个屈曲梁式弹簧构件的这个组258可以与上述这些压缩弹簧构件104、104’和160按相同的方式使用并用于相同的目的。当这些外环构件和内环构件（或离合器承载构件和摩擦衬承载构件）在水泵运行过程中被迫使朝向彼此时，这些梁式弹簧构件258可以在负荷作用下屈曲和变形。

如以上所示，本发明提供了一种“失效保护”的摩擦离合器设计。如果车辆的电气系统失效的话，螺线管会失电从而允许压缩弹簧构件104将摩擦离合器组件接合到离合器壳体上。因此泵将以机械模式运行，其中叶轮是由皮带轮通过离合器组件来驱动的。因此无论何时需要冷却剂循环，离合器能够被接合。

本发明的另一个设计特征是其模块化组件构形。常见的是冷却剂泵壳体从一种应用到另一种应用在形式和构造上有很大的不同。为了用最小设计修改来适应壳体构造的这种广泛的变化，该混合动力泵被设计成使水泵壳体24可以容易地进行修改而皮带轮组件22以及包含在其中的多个部件可以基本上保持不变。

尽管本发明已参照多个优选实施例进行了说明，还应当理解的是本发明不是如此受限制的，因为可以在由下述权利要求所描述的本发明的全部范围内进行改变和修改。