用于车辆附件的皮带轮组件的制作方法

用于车辆附件的皮带轮组件的制作方法
【专利摘要】在此披露了用于如水泵的车辆附件的皮带轮组件。可以被连接到一个相关的例如离合器壳体构件的壳体构件上的皮带轮组件包括一个皮带轮构件和一对分离的轴承构件，该皮带轮构件是由车辆发动机的附属装置皮带直接驱动的。该皮带轮组件优选地是与具有两种运行模式的混合动力冷却剂泵一起使用，这两种运行模式是电动机运行模式和机械皮带轮驱动运行模式。一个摩擦离合器组件可以被定位在该壳体构件内并且可以包括一个软化的弹簧，该弹簧使离合器寄生功率消耗最小化。
【专利说明】用于车辆附件的皮带轮组件
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求美国专利申请序列号61/474，876的优先权，与该申请相关的是:名 称为“混合动力冷却剂泵”(DKT09105)的美国专利申请序列号61/474，862、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。
【技术领域】
[0003]在此披露了用于如水泵的车辆附件的皮带轮组件。
[0004]背景
[0005]为使像汽车和载重车一样的车辆运行，内燃发动机使用了多种多样的附件部件。 这些部件中多数，如水泵，具有由一条皮带驱动的皮带轮，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。如空调压缩机、发电机、以及类似物的其他部件也具有 由一条蛇形皮带驱动的皮带轮。
[0006]如今正努力减少发动机附件的功率消耗以便改善燃油经济性和降低排放。同时， 这些附件需要具有改进的运行性和耐久性。更优选的是此类附件(如水泵)能够被制作成以 可变速度或以较小的功率运行，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。
[0007]发明概述
[0008]披露了改进的用于车辆附件的皮带轮组件。在本发明的一个优选的实施例中，一 个皮带轮组件被包含在一个水泵上，该水泵特别地具有两种运行模式，第一模式由发动机 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。这种改进的 皮带轮组件对于其他发动机部件和附件而言也具有大量的用途。
[0009]在这个优选的实施例中，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。
[0010]该壳体由定位在该皮带轮构件上的发动机皮带驱动并以输入速度旋转。一个摩擦 离合器被提供在该壳体内以便选择性地允许由该皮带轮组件对水泵进行机械地操作。一个 螺线管被用来对该摩擦离合器的运行进行控制。
[0011]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。
[0012]该皮带轮组件由两个部件构成，即一个皮带轮构件和一个离合器壳体。这种构形 提供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。[0013]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。
[0014]附图的简要说明
[0015]图1展示了根据本发明的一个实施例的一个水泵。
[0016]图2是图1所示的水泵的截面视图。
[0017]图3是如图1和图2所示的水泵的组成部分的分解视图。
[0018]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。
[0019]图5是如图4所示的摩擦离合器的分解视图。
[0020]图6是本发明可以使用的一个压缩弹簧的一个实施例。
[0021]图7是如图6所示的压缩弹簧构件的侧视图。
[0022]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。
[0023]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。
[0024]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。
[0025]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。
[0026]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。
[0027]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。
[0028]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。
[0029]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。
[0030]图17示意性地展示了一个电磁离合器机构。
[0031]图18示意性地展示了一种螺线管控制系统。
[0032]优选实施例的说明
[0033]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。
[0034]在此描述的本发明具体涉及到多种用于混合动力冷却剂泵的改进的皮带轮组件， 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。此外，在此描述的，包括但不限于压缩弹簧构件、螺线管 致动的摩擦离合器组件和/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。
[0035]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。
[0036]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。
[0037]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。
[0038]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。
[0039]根据本发明的一个混合动力水泵实施例是在图1中示出的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。
[0040]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。
[0041]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。
[0042]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。
[0043]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。
[0044]—个电动机转子70被定位在一个前轴承座72内，该前轴承座优选是由一种招质 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 紧密邻近该前轴承座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。
[0045]一个如六角螺母92的紧固构件通过该前轴承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。
[0046]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(未不出)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之后并且具有一个环形室形状。
[0047]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。
[0048]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。
[0049]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“皮带驱动”)由线210示出。此处该泵由发动机通过附属装 置皮带来机械地驱动。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。
[0050]—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。
[0051]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摩擦衬承载构件106周边的 任何数目的分离的构件。
[0052]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。
[0053]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。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。
[0054]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。
[0055]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。
[0056]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而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。
[0057]这个压缩弹簧构件实施例104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90 的放大的部分在图8和图9中示出。当弹簧构件104已组装在摩擦离合器组件90中时，夕卜环构件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。
[0058]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。
[0059]当弹簧构件90被压缩到图10所示的位置142时，该弹簧构件迫使该摩擦衬承载 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。
[0060]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。
[0061]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、
坐坐 寸寸o
[0062]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。
[0063]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。
[0064]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。
[0065]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。对于米用大量电气部件(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。
[0066]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Hi1和m2是该磁路的两极的对应的磁场强度，iL是自由空间磁导率，而r是这两个极之间的距离。
【权利要求】
1.一种用于车辆发动机附件的皮带轮组件，该皮带轮组件包括:一个皮带轮构件；一个壳体构件，该壳体构件被连接到所述皮带轮构件上；一个轴构件，该轴构件被定位在所述皮带轮构件和壳体构件之中；一对轴承构件，该对轴承构件使所述皮带轮构件连接到所述轴构件上；以及一个分离的轴承构件，该轴承构件使所述壳体构件连接到所述轴构件上。
2.一种用于混合动力冷却泵装置的皮带轮组件，该冷却泵装置包括:一个泵壳体构件；一个皮带轮组件，该皮带轮组件被附接到所述泵壳体构件上；一个叶轮构件，该叶轮构件被定位在所述泵壳体内用于泵送冷却剂；一个叶轮轴，该叶轮轴被连接到所述叶轮构件上；一个电动机，该电动机被定位在所述皮带轮组件内并且被适配成选择性地转动所述叶轮构件；一个摩擦离合器组件，该离合器组件被定位在所述泵壳体构件内并且被适配成选择性地转动所述叶轮轴构件；所述泵组件包括接合一条发动机皮带的一个皮带轮构件以及使所述皮带轮构件连接到所述叶轮轴构件上的一对轴承构件；其中所述皮带轮组件和所述电动机分开地操作以转动所述叶轮构件。
3.如权利要求2所述的用于混合动力冷却泵的皮带轮组件，其中所述摩擦离合器组件包括一个压缩弹簧构件。
4.如权利要求3所述的用于混合动力冷却泵的皮带轮组件，其中所述压缩弹簧构件包括一个外环构件、一个内环构件以及使所述内环构件和外环构件连接在一起的多个可变形的连接构件，并且其中当所述外环构件和内环构件被固定地定位时，所述连接构件可以变形并且提供一个弹簧力。
5.如权利要求4所述的用于混合动力冷却泵的皮带轮组件，其中压缩该弹簧构件所需要的力的大小一旦达到一个力的峰值时会随着位移而减小。
6.如权利要求3所述的用于混合动力冷却泵的皮带轮组件，其中所述压缩弹簧构件包括多个区域构件和多个可变形的连接构件，该多个区域构件在其中具有多个开口，该多个连接构件在所述区域构件的至少两个之间延伸并与其连接在一起。
7.如权利要求6所述的用于混合动力冷却泵的皮带轮组件，该混合动力冷却泵进一步包括至少一个环构件，该至少一个环构件也与多个所述区域构件相连接。
8.如权利要求6所述的用于混合动力冷却泵的皮带轮组件，其中提供了一个外环构件和一个内环构件，所述外环构件和所述内环构件各自与分离的多组多个区域构件相连接。
9.如权利要求3所述的皮带轮组件，其中所述压缩弹簧构件包括多个屈曲梁式弹簧构件。
10.如权利要求2所述的用于混合动力冷却泵的皮带轮组件，其中所述摩擦离合器组件:一个摩擦衬承载构件；至少一个摩擦衬构件，该至少一个摩擦衬构件被定位在所述摩擦衬承载构件上；一个压缩弹簧构件，该压缩弹簧构件被固定地附接到所述摩擦衬承载构件上；一个离合器承载构件，该离合器承载构件被固定地附接到所述压缩弹簧构件上；以及一个通量板，该通量板被定位在所述离合器承载构件与所述压缩弹簧构件之间并且该通量板被附接到所述摩擦衬承载构件上；其中由一个螺线管致动的该通量板能够导致该弹簧构件压缩。
11.如权利要求10所述的用于混合动力冷却泵的皮带轮组件，其中所述压缩弹簧构件具有一个外环构件、一个内环构件以及使所述内环构件和外环构件连接在一起的多个可变形的连接构件。
12.如权利要求11所述的用于混合动力冷却泵的皮带轮组件，其中所述摩擦衬承载构件被附接到所述外环构件上，并且其中所述离合器承载构件被附接到所述内环构件上。
13.如权利要求12所述的用于混合动力冷却泵的皮带轮组件，其中所述多个连接构件在所述摩擦衬承载构件与所述离合器承载构件轴向相向移动时变形。
14.如权利要求2所述的用于混合动力冷却泵的皮带轮组件，其中所述电动构件是一个无刷电动机。
15.如权利要求10所述的皮带轮`组件，其中所述压缩弹簧构件包括多个屈曲梁式弹簧构件。
【文档编号】F16H55/36GK103459799SQ201280017761
【公开日】2013年12月18日 申请日期:2012年4月10日 优先权日:2011年4月13日
【发明者】J·L·罗贝 申请人:博格华纳公司