用于摩擦离合器组件的控制系统的制作方法
【专利摘要】用于摩擦离合器机构以及混合动力冷却泵的多种控制系统。多个摩擦离合器组件被定位在电动机壳体内并且这些摩擦离合器组件包括多个软化的弹簧，这些软化的弹簧使离合器寄生功率消耗最小化。这些控制系统使用PWM来控制多个螺线管的运行，这些螺线管进而对这些摩擦离合器组件进行操作。
【专利说明】用于摩擦离合器组件的控制系统
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求美国专利申请号61/474，895的优先权，与该申请相关的是:名称为 “混合动力冷却液泵”(DKT09105)的美国专利申请序列号61/474，862、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、和名称为“压缩弹簧构件”(DKT11003) 的美国专利申请序列号61/474,907，这些申请均于2011年4月13日提交。
【技术领域】
[0003]披露了一种用于摩擦离合器机构和摩擦离合器系统的控制系统。
[0004]背景
[0005]为使像汽车和载重车一样的车辆运转，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，具有由一个附属皮带驱动的皮带轮，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。由附属皮带来带轮驱动的其他部件包括空调压缩 机、发动机、等等。
[0006]如今正不断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。更 优选的是此类附件(如水泵)如果能够被制作成以可变速度或以更少的功率运行，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]披露了一种用于车辆部件的控制系统。在一个优选的实施例中，这种控制系统用 于对水泵的摩擦离合器的运行进行控制。水泵优选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。
[0009]在一个优选的实施例中，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来以输入速度旋转。一个摩擦离合 器组件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，由机械运 行模式接管并且该水泵由皮带轮构件直接驱动。该摩擦离合器组件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气功率最小化。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]该摩擦离合器组件具有由一个螺线管操作的一个压缩弹簧构件。一旦达到一个力 的峰值，压缩该弹簧构件所需要的力会随着位移减小。优选的控制系统通过脉冲宽度调制 来操作该螺线管，这种脉冲宽度调制提供电流，该电流在螺线管脱离接合时减小。
[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后视图。
[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液泵的改善的控制系统，这 些混合动力冷却液泵用于使如汽车内燃发动机的发动机中的冷却液循环。然而，本发明也 可以用于其它发动机附件装置。此外，在此描述的，包括但不限于压缩弹簧构件、摩擦离合 器组件、和皮带轮组件的其它部件、机构和系统可以在其他装置和系统中具有重要用途。
[0035]作为一个冷却液泵，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 夏天上山时、等等，该水泵被适配成直接由皮带用发动机来机械驱动。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和降低排放。
[0039]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。
[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。一个冷却液密封件46用于防止该泵中的冷却液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 邻前轴承座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，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之后且具有一个环形形状。
[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。完全皮带轮传动(亦称“带传动”)由相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之间的带轮传动比而改变。
[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是由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须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传输到摩擦衬承载件106。该摩擦衬承载件然后将转矩通过压缩弹簧构件104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，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，如以图9中所示意性描绘的方式。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，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气功率的控制失效 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，这些装置经常需要大于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HI2是该磁路的两极对应的磁场强度，iL是自由空间磁导率，而r是这两个极之间的距离。
[0067]
【权利要求】
1.一种用于混合动力冷却泵的控制系统，所述混合动力冷却泵包括:一个泵壳体构件；附接到所述泵壳体构件上的一个皮带轮组件；一个叶轮构件，该叶轮构件被定位在所述泵壳体中用于泵送冷却液；连接到所述叶轮构件上的一个叶轮轴；一个电动机，该电动机被定位在所述皮带轮组件内并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被适配成选择性地转动所述叶轮轴构件； 并且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；所述控制系统包括用于致动所述摩擦离合器组件的一个螺线管；以及用于所述螺线管的一个驱动控制器，所述控制器通过以100%脉冲宽度调制运行来对该螺线管提供全电流而使所述螺线管脱离接合，并且当所述螺线管脱离接合时所述控制器显著地减小脉冲宽度调制以便消耗更少的电流。
2.根据权利要求1所述的控制系统，其中所述摩擦离合器组件包括一个压缩弹簧构件。
3.根据权利要求2所述的控制系统，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。
4.根据权利要求3所述的控制系统，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。
5.根据权利要求4所述的控制系统，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。
6.根据权利要求4所述的控制系统，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。
7.根据权利要求2所述的控制系统，其中所述压缩弹簧构件包括多个屈曲梁式弹簧构 件。
8.根据权利要求1所述的控制系统，其中所述摩擦离合器组件包括: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，所述压缩弹簧构件被固定地附接到所述摩擦衬构件上；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；其中由所述螺线管致动的所述通量板能够导致所述压缩弹簧构件压缩。
9.根据权利要求8所述的控制系统，其中所述压缩弹簧构件具有一个外环构件、一个内环构件以及与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。
10.根据权利要求9所述的控制系统，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。
11.根据权利要求10所述的控制系统，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。
12.根据权利要求8所述的控制系统，其中所述压缩弹簧构件具有一个环构件和多个可变形的连接构件。
13.根据权利要求8所述的控制系统，其中所述压缩弹簧构件包括多个可变形的连接构件。
14.根据权利要求8所述的控制系统，其中一旦达到一个力的峰值时，压缩该弹簧构件所需要的力的大小会随着位移减小。
15.根据权利要求8所述的控制系统，其中所述连接构件被径向地定位在所述内环构件与外环构件之间，并且进一步包括多个切向的挠性臂和多个径向的空隙，所述径向的空隙被定位在所述挠性臂与所述外环构件和内环构件之间。
16.根据权利要求1所述的控制系统，其中所述电动机是一个无刷电动机。
17.根据权利要求8所述 的控制系统，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】F16D13/72GK103459877SQ201280017786
【公开日】2013年12月18日 申请日期:2012年4月11日 优先权日:2011年4月13日
【发明者】J·L·罗比 申请人:博格华纳公司