专利名称：汽车的冷却风扇系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及吸入周围空气使其通过内燃机冷却系统中的散热器的风扇系统。
背景技术：
发动机驱动及液压或电力驱动的散热器冷却风扇均已被用于内燃机达将近一个世纪。这些冷却风扇通常包括安装在中央定位的马达上的多叶片元件。专利号为5,660,149的美国专利和专利号为6,342,741的美国专利，以及公开号为US2004/0223845的已公开申请都揭示了其中马达被安装在风扇排列中心的典型散热器冷却风扇。这种类型的风扇结构具有一个主要的缺点。即，如果汽车以较高或甚至中等的对地速度运行，则在散热器前方进入汽车的冲压空气会形成足够的压力迫使周围空气通过散热器，但风扇叶片和轮毂严重地阻挡了空气流。虽然某些风扇连接有温度调节装置以便节约能量，但这些离合器风扇的叶片和轮毂阻挡空气流到达散热器的中心部分，从而削弱了散热器的冷却能力。作为对使用冲压空气冷却的可能性的认可，美国专利6,106,228公开了在散热器背后存在高压力时开启以允许冲压空气流过散热器的叶片装置。遗憾的是，‘228专利中的叶片装置并不处在散热器中心，冷却空气在散热器中心会具有最大的有益效果。同时，这样的叶片装置并不解决风扇轮毂引起的阻挡空气的问题。
发明内容
根据本发明的系统利用具有基本上空心、固定、环形的轮毂的风扇，该轮毂具有叶片装置以允许受控的空气流进入。这允许风扇在轮毂叶片装置关闭时有效地吸入空气通过散热器，同时在叶片装置开启时允许最小的限制，相伴地允许最大的空气流通过风扇轮毂。这允许对发动机和散热器进行最优的冲压空气冷却。
一种用于内燃机的冷却风扇系统，包括具有在其中形成的圆孔的风扇罩，及固定的环形轮毂，环形风扇元件通过至少一个介于该轮毂外表面和该风扇元件内表面之间的轴承而轴颈连接到该轮毂上。风扇元件从环形轮毂延伸到罩上的圆孔。若干个叶片装置延伸否则是开启的环形轮毂内部，以控制通过轮毂的空气流。驱动系统向环形风扇元件提供动力。
根据本发明的另一方面，一种内燃机的冷却系统包括散热器，用于排出热量到周围空气中；风扇罩，安装到所述散热器上并具有在其中形成的圆孔；轴流式风扇，包括环形风扇元件，所述环形风扇元件具有圆形的轴承表面及多个连接到所述圆形轴承表面并延伸到所述圆孔外表面的叶片；大体上为环形的固定轮毂；多个可移动叶片装置，延伸过所述大体上环形的轮毂的至少部分；至少一个轴承，介于所述环形轮毂的外表面和所述风扇元件的所述环形轴承表面之间；及旋转风扇驱动系统，操作上与所述环形风扇元件相连接。
根据本发明的又另一方面，一种内燃机的冷却系统包括散热器，用于排出热量到周围空气中；风扇罩，安装到所述散热器上并具有在其中形成的圆孔；轴流式风扇，包括环形风扇元件，所述环形风扇元件延伸过所述罩中的所述圆孔，且所述风扇元件具有内表面；环形轮毂，安装到所述风扇罩上；多个可控制的、通常关闭的叶片装置，轴颈连接到所述轮毂上且延伸过所述轮毂的内部；多个轴承，介于所述环形风扇元件的内表面和所述轮毂之间；旋转风扇驱动系统，操作上与所述环形风扇元件相连接；及控制器，用于监视所述冷却系统的至少一个操作温度及安装所述冷却系统于其上的汽车的对地速度，所述控制器操作所述风扇驱动系统及所述叶片装置，以便如果汽车具有足够的速度能迫使预先确定的周围空气流通过所述散热器并通过所述叶片装置，则来开启所述叶片装置。
根据本发明的另一方面，风扇驱动系统可以包括由环形风扇元件的动力输入部件的至少部分牵引的弹性动力传动构件。动力传动构件从动力输入部件延伸到原动机，该原动机可以是动力轴，如与发动机联合的曲轴或凸轮轴，或马达，如液压或电动马达。作为另一种选择，风扇元件可以在其外表面由用齿轮连接到风扇元件的马达驱动。这有时被称为“环形马达”。作为又一种选择，风扇元件自身可以充当电动马达的转子或电枢，而马达的平衡装置位于风扇罩中。
安装在冷却风扇系统的轮毂内的叶片装置是可移动的，且具有至少一个允许轴向空气流通过叶片装置并通过轮毂的开启位置，及在其中不允许或只允许最小限度的空气流通过叶片装置的关闭位置。叶片装置可以具有矩形的构形，或半圆形，或弓形的构形，或熟悉本领域技术的人已知及由本发明暗示的其他构形。叶片装置较佳地铰接到环形轮毂，且可以由弹性元件控制，或由控制器通过如齿条和小齿轮装置这样的机械联动装置来控制。或者，叶片装置可以由直接连接到放气孔的电动马达驱动。
在叶片装置由如扭转弹簧这样的弹性元件控制时，叶片装置通常是关闭的，但是将具有响应于跨轮毂的空气压力差的开启特性。在空气压力差使得开启叶片装置将导致附加的空气流通过散热器或其他热交换器的情况下，叶片装置被开启。
根据本发明的又一方面，本发明的冷却系统包括用于监视冷却系统或动力系统的至少一个操作参数，以及其他参数如其上安装冷却系统的汽车的对地速度。控制器操作风扇驱动系统以降低风扇的转速，同时如果汽车具有足够的速度则开启叶片装置来迫使预先确定量的周围空气通过叶片装置穿过散热器。
根据本发明的又一方面，风扇驱动系统可以包括由安装在环形风扇元件内表面处的滑轮牵引的弹性动力传动构件，而该动力传动构件延伸到马达。在这方面，术语“马达”同样不仅包括液压或电动马达，还包括曲轴或其他连接到发动机的旋转轴。
根据本发明的冷却系统的一个优点是可以实现增强的发动机冷却而运转冷却风扇不需消耗额外的能量。
根据本发明的冷却系统的又一个优点是在特定的情况下，可以缩小冷却系统散热器的尺寸，因为冲压空气得到了更有效的利用。
本发明的其他优点以及特征和目标对本说明书的读者来说会是显而易见的。
图1是根据本发明的内燃机冷却系统的局部示意图。
图2是根据本发明的冷却风扇系统的透视图。
图3示出根据本发明的一个方面的一组半圆形叶片装置。
图4示出根据本发明的用于操作冷却系统风扇的控制系统。
图5示出图2所示叶片装置的进一步细节。
具体实施例方式
如图1所示，冷却系统10包括散热器12，散热器12具有安装于其上的风扇罩14。轴流式风扇元件22安装在风扇罩14中形成的圆孔30内。风扇元件22包括若干个安装到圆形轴承表面24上的风扇叶片26，轴承表面24是在其上安装每个风扇叶片26的环形结构。轴承表面24定义了风扇元件22的内表面。轴承表面24和风扇元件22用轴承32而轴颈连接到轮毂18，而轮毂18是固定的。轮毂18可以安装在风扇罩14上，或安装在另一个固定的发动机部件或汽车部件上。重要的是轮毂18并不旋转。相反，风扇元件22在轮毂18上旋转。依靠可安装到旋转的发动机轴，如曲轴80，或风扇马达112(图4)上的滑轮74、皮带78和滑轮76为此旋转提供动力。皮带78从而充当由滑轮74牵引的弹性动力传动构件，滑轮74充当环形风扇元件22的动力输入部件。作为一种选择，风扇马达112可以包括用齿轮连接到安装在风扇元件22上的外围环形齿轮的电动或液压马达。作为又一种选择，可以通过将风扇元件22用作马达中的转子或电枢，将风扇马达112部分地结合到风扇元件22中，而马达的平衡装置安装到风扇罩14上。
图1示出多个用枢轴52连接到轮毂18的叶片装置40。枢轴52与小齿轮64同心。在用齿条34开启叶片装置40时，其中齿条34对小齿轮64进行操作，叶片装置40开启以允许基本上不受限制的空气流通过轮毂18。用操纵索36操作齿条34，操纵索36是叶片装置操纵机构108(图4)的一部分。
在图2和5的实施例中，叶片装置44在其外侧端用短轴55以可在枢轴上转动的方式连接到轮毂18，短轴穿过枢轴56延伸(图5)。叶片装置44中的每个都具有安装在短轴55上的小齿轮68。小齿轮68与通过如图1中的索36这样的操作索(未示出)可旋转地定位在轮毂18上的环形齿轮38啮合。叶片装置44在处于开启位置时提供通过轮毂18的畅通无阻的空气流路径，但是在它们关闭时阻止任何明显的空气流通过轮毂18。
图3示出这样的叶片装置排列，其中用在枢轴60安装的扭转弹簧62将叶片装置48保持在通常关闭的位置。响应于轮毂18前方的动态空气压力即风扇元件22和散热器12之间的压力，该压力超出风扇元件22和轮毂18下游的压力时，叶片装置48将被开启，允许空气流通过轮毂18。
如图4所示，根据本发明的控制系统使用多个传感器100，这些传感器检测如汽车速度、冷却风扇转速、发动机转速，及其他汽车、发动机和冷却系统温度这样的操作参数。控制器104使用检测到的信息来控制风扇的叶片装置和风扇马达112，风扇马达如上所述可以包括电力驱动或液压马达，或熟悉本领域技术的人已知及由本发明暗示的其他类型的马达。控制器104操作叶片装置操纵机构108。起作用的叶片装置操纵机构的两个示例在图1和图2中示出。总的来说，如果足够的空气流通过轮毂18而不从风扇叶片26中产生抽吸，则控制器104将开启叶片装置40或44。
控制器使用所监视的参数，如冷却系统和动力系统温度、汽车速度，及可能的其他参数和信息来驱动风扇驱动机构及叶片装置40、44两者，以对特定的情况获得所需的空气流。也可以使用控制器来最小化风扇的能耗并最小化风扇系统产生的噪声和振动。这使使用四种风扇系统状态成为必要，其中1)未向风扇驱动器提供动力且叶片装置关闭；2)未向风扇驱动器提供动力且叶片装置如果不是完全也至少部分开启；3)向风扇驱动器提供动力且叶片装置关闭；4)向风扇驱动器提供动力且叶片装置如果不是完全也至少部分开启。
控制器将以这四种状态之一操作风扇系统。应进一步注意，叶片装置的位置可以是完全开启、完全关闭，或其间的任何位置。在某些系统中，控制器也可以在离散或连续的水平范围内操作风扇驱动器。然后控制的领域扩展到叶片装置和风扇驱动两者完整的组合操作空间，从而满足汽车冷却及可能的其他目标，如最小限度的能耗和静音操作。
虽然已结合其具体实施例对本发明进行了描述，但应理解，各种修改、替换及改编可以由熟悉本领域技术的人做出而不偏离在所附权利要求中阐明的本发明的精神和范围。
权利要求
1.一种内燃机的冷却风扇系统，包括风扇罩，具有在其中形成的圆孔；固定的环形轮毂；在所述轮毂上轴颈连接的环形风扇元件，所述风扇元件在所述罩中从所述轮毂延伸到所述圆孔；多个叶片装置，延伸并跨过所述环形轮毂内部，以控制通过所述轮毂的空气流；及驱动系统，用于向所述环形风扇元件提供动力。
2.如权利要求1所述的冷却风扇系统，其特征在于，所述风扇元件是轴流式风扇。
3.如权利要求1所述的冷却风扇系统，其特征在于，所述叶片装置是可移动的且具有至少一个开启位置来允许轴向空气流通过所述叶片装置并通过所述轮毂，及关闭位置在其中只允许最小限度的空气流通过所述叶片装置。
4.如权利要求1所述的冷却风扇系统，其特征在于，所述驱动系统包括与所述环形风扇元件的动力输入部件啮合的动力传动构件，所述动力传动构件延伸到原动机。
5.一种内燃机的冷却系统，包括散热器，用于排出热量到周围空气中；风扇罩，安装到所述散热器上并具有在其中形成的圆孔；轴流式风扇，包括环形风扇元件，所述环形风扇元件具有圆形的轴承表面及多个连接到所述圆形轴承表面并延伸到所述圆孔外表面的叶片；大体上为环形的固定轮毂；多个可移动叶片装置，延伸并跨过所述大体上环形的轮毂的至少部分；至少一个轴承，介于所述环形轮毂的外表面和所述风扇元件的所述环形轴承表面之间；及旋转风扇驱动系统，操作上与所述环形风扇元件相连接。
6.如权利要求5所述的冷却系统，其特征在于，所述叶片装置通常是关闭的且铰接到所述轮毂。
7.如权利要求5所述的冷却系统，其特征在于，所述叶片装置是弓形的且铰接到所述轮毂。
8.如权利要求5所述的冷却系统，其特征在于，所述叶片装置铰接到所述环形轮毂并由弹性元件推至关闭位置。
9.如权利要求5所述的冷却系统，其特征在于，所述叶片装置通常是关闭的且具有响应于跨所述轮毂的空气压力差的开启特性。
10.如权利要求5所述的冷却系统，其特征在于，还包括用于监视所述冷却系统的至少一个操作参数及其上安装所述冷却系统的汽车的至少一个操作参数的控制器，所述控制器操作所述风扇驱动系统以控制所述风扇的转速及所述叶片装置的开启位置。
11.如权利要求10所述的冷却系统，其特征在于，所述冷却系统的操作参数包括所述冷却系统的至少部分的温度，而所述汽车的操作参数包括汽车的对地速度。
12.一种内燃机的冷却系统，包括散热器，用于排出热量到周围空气中；风扇罩，安装到所述散热器上并具有在其中形成的圆孔；轴流式风扇，包括环形风扇元件，所述环形风扇元件延伸并跨过所述罩中的所述圆孔，且所述风扇元件具有内表面；环形轮毂，安装到所述风扇罩上；多个可控制的、通常关闭的叶片装置，轴颈连接到所述轮毂上且延伸过所述轮毂的内部；多个轴承，介于所述环形风扇元件的内表面和所述轮毂之间；旋转风扇驱动系统，操作上与所述环形风扇元件相连接；及控制器，用于监视所述冷却系统的至少一个操作温度及安装所述冷却系统于其上的汽车的对地速度，所述控制器操作所述风扇驱动系统及所述叶片装置，以便如果汽车具有足够的速度能迫使预先确定的周围空气流通过所述散热器并通过所述叶片装置，则来开启所述叶片装置。
13.如权利要求12所述的冷却系统，其特征在于，所述驱动系统包括与所述环形风扇元件的外表面啮合的动力传动构件，所述动力传动构件延伸到马达。
14.如权利要求12所述的冷却系统，其特征在于，所述驱动系统包括由所述环形风扇元件的动力输入部件的至少部分牵引的弹性动力传动构件，所述动力传动构件延伸到原动机。
15.如权利要求14所述的冷却系统，其特征在于，所述原动机包括所述发动机的曲轴。
16.如权利要求12所述的冷却系统，其特征在于，所述控制器还控制所述风扇的转速，通过将所述转速作为汽车对地速度的函数来控制所述转速。
17.如权利要求12所述的冷却系统，其特征在于，所述叶片装置由可旋转地安装到所述轮毂上并由所述控制器操作的环形齿轮控制，所述环形齿轮与连接到所述叶片装置中每个的多个小齿轮啮合。
18.如权利要求12所述的冷却系统，其特征在于，所述驱动系统包括由安装在所述环形风扇元件的所述内表面处的滑轮牵引的弹性动力传动构件，所述动力传动构件延伸到马达。
19.如权利要求18所述的冷却系统，其特征在于，所述马达包括液压马达。
20.如权利要求18所述的冷却系统，其特征在于，所述马达包括电动马达。
全文摘要
一种用于安装在汽车内的内燃机的冷却系统，包括用于排出热量到周围空气中的散热器及安装在与散热器联合的风扇罩内的轴流式风扇。该风扇具有装备有叶片装置的固定轮毂，可以控制该轮毂以阻挡或允许空气流通过该轮毂从而通过散热器。以此方式，在汽车以较高的对地速度运行时，可以极大地增加通过风扇的空气流，同时减少由风扇消耗的能量。
文档编号F04D25/04GK101000006SQ200610153779
公开日2007年7月18日 申请日期2006年9月11日 优先权日2006年1月11日
发明者威廉·施瓦兹 申请人:福特环球技术公司