ITMI20130943A1

ITMI20130943A1 - RECIRCULATION PUMP OF A THERMAL MOTOR FLUID WITH ELECTROMAGNETIC CLUTCH COMMAND AND ELECTRIC MOTOR

Info

Publication number: ITMI20130943A1
Application number: IT000943A
Authority: IT
Inventors: Piercarlo Boffelli
Original assignee: Baruffaldi Spa
Priority date: 2013-06-07
Filing date: 2013-06-07
Publication date: 2014-12-08

Description

DESCRIZIONE del Brevetto per Modello di UtilitÃ DESCRIPTION of the Utility Model Patent

Forma oggetto del presente trovato una pompa di ricircolo del fluido di raffreddamento dÃ¬ motori termici, particolarmente di veicoli, con dispositivo di comando a frizione elettromagnetica e motore elettrico indipendente dal motore termico. E' nota nel settore della produzione dei motori, particolarmente termici, la necessitÃ di raffreddare gli stessi tramite ricircolazione di un fluido di raffreddamento, mosso tramite una corrispondente pompa di ricircolo la cui girante Ã ̈ posta in rotazione da un albero azionato da una puleggia e da una cinghia collegata all'albero motore . The present invention relates to a recirculation pump for the cooling fluid of heat engines, particularly of vehicles, with an electromagnetic clutch control device and an electric motor independent of the heat engine. In the sector of the production of motors, particularly thermal ones, it is known the need to cool them by recirculating a cooling fluid, moved by means of a corresponding recirculation pump whose impeller is rotated by a shaft driven by a pulley and by a belt connected to the crankshaft.

E' anche noto che il ricircolo del fluido di raffreddamento deve essere effettuato con portata corrispondente alla effettiva necessitÃ di raffreddamento, determinata dalle reali condizioni di utilizzo del motore e dalla temperatura esterna, al fine di evitare di mantenere costantemente e inutilmente in rotazione a pieno regime dispositivi che assorbono potenza utile, aumentando l'usura delle varie parti componenti e i consumi del veicolo . It is also known that the recirculation of the cooling fluid must be carried out with a flow rate corresponding to the actual need for cooling, determined by the real conditions of use of the engine and by the external temperature, in order to avoid constantly and unnecessarily keeping it rotating at full speed. devices that absorb useful power, increasing the wear of the various component parts and the consumption of the vehicle.

E' anche noto che per dare soluzione a tale problema sono stati proposti dispositivi di comando dell'albero della girante della pompa la cui rotazione dipende dall'innesto di una frizione di attrito per la trasmissione di un moto di rotazione dipendente dai giri dell'albero motore, e da un motore elettrico che interviene invece a frizione disinnestata per una rotazione a giri controllati indipendente dall'albero motore. It is also known that in order to solve this problem, control devices for the pump impeller shaft have been proposed whose rotation depends on the engagement of a friction clutch for the transmission of a rotation motion dependent on the shaft revolutions. engine, and by an electric motor which intervenes instead with the clutch disengaged for rotation at controlled revolutions independent of the crankshaft.

Esempi di tali dispositivi sono ad esempio noti da WO 2012/142065. Examples of such devices are for example known from WO 2012/142065.

Sebbene funzionali tali dispositivi presentano tuttavia degli inconvenienti che ne limitano le applicazioni, in particolare in quanto prevedono la collocazione della frizione in posizione assialmente interna (quindi concentrica) alla puleggia di presa del moto dall'albero motore, determinando, conseguentemente, un aumento degli ingombri radiali dell'assieme non consentiti dalle limitate dimensioni delle sedi di alloggiamento del complesso all'interno del vano motore. Although functional, these devices nevertheless have drawbacks that limit their applications, in particular as they provide for the location of the clutch in an axially internal position (therefore concentric) to the pulley for taking motion from the crankshaft, consequently causing an increase in overall dimensions. radials of the assembly not allowed by the limited dimensions of the housing seats of the assembly inside the engine compartment.

Si pone pertanto il problema tecnico di realizzare pompa di ricircolo di fluidi di raffreddamento di motori per veicoli e simili, atta a determinare una variazione della velocitÃ di rotazione della girante in relazione alle effettive necessitÃ di esercizio del motore. The technical problem therefore arises of providing a recirculation pump for cooling fluids for engines for vehicles and the like, capable of causing a variation in the rotational speed of the impeller in relation to the actual operating needs of the engine.

Nell'ambito di tale problema si richiede inoltre che tale dispositivo sia atto ad attuare un funzionamento di sicurezza (fail safe) che garantisca la rotazione della girante anche in caso di avaria del circuito elettrico di controllo e comando, e che risulti di contenuti ingombri particolarmente radiali, ma nello stesso tempo in grado di erogare coppie elevate anche corrispondentemente ad una velocitÃ di rotazione ridotta del motore in modo da risultare applicabile anche a pompe di elevata portata di veicoli pesanti con motore a basso numero di giri, oppure una rotazione della girante a basso numero di giri in condizioni di alto numero di giri del motore termico . As part of this problem, it is also required that this device is suitable for implementing a fail-safe operation that guarantees rotation of the impeller even in the event of a failure of the electrical control and command circuit, and that it is particularly compact. radial, but at the same time capable of delivering high torques even corresponding to a reduced rotation speed of the motor so as to be applicable also to high capacity pumps of heavy vehicles with low rpm motor, or a rotation of the impeller at low number of revolutions in conditions of high number of revolutions of the heat engine.

Si richiede inoltre che il dispositivo risulti di facile ed economica produzione ed assemblaggio e facilmente installabile sul corpo pompa senza necessitÃ di speciali adattamenti. It is also required that the device be easy and inexpensive to produce and assemble and to be easily installed on the pump body without the need for special adaptations.

Tali risultati sono ottenuti secondo il presente trovato da una pompa per il ricircolo di fluidi di raffreddamento dÃ¬ motori per veicoli e simili secondo le caratteristiche di rivendicazione 1. These results are obtained according to the present invention by a pump for the recirculation of cooling fluids of engines for vehicles and the like according to the characteristics of claim 1.

Maggiori dettagli potranno essere rilevati dalla seguente descrizione di un esempio non limitativo di attuazione dell'oggetto del presente trovato effettuata con riferimento ai disegni allegati, in cui si mostra: More details can be found from the following description of a non-limiting example of embodiment of the object of the present invention made with reference to the attached drawings, which show:

in figura 1 : una vista parzialmente sezionata di un esempio di attuazione del dispositivo secondo il presente trovato, in condizioni di frizione chiusa; in figura 2 : una sezione schematica e parziale secondo il piano di traccia II-II di fig.1; in figure 1: a partially sectioned view of an example of embodiment of the device according to the present invention, in conditions of closed clutch; in figure 2: a schematic and partial section according to the plane marked II-II of fig.1;

in figura 3 : una vista ingrandita del dettaglio dei mezzi di innesto/disinnesto della frizione; in figura 4 : una vista della lamina elastica di collegamento tra ancora e flangia dell'albero pompa e in figure 3: an enlarged view of the detail of the clutch engagement / disengagement means; in figure 4: a view of the elastic connecting plate between the anchor and the pump shaft flange e

in figura 5 : una vista analoga a quella di fig. 1 in condizioni di frizione aperta. in figure 5: a view similar to that of fig. 1 in open clutch conditions.

Come illustrato in fig. 1, la girante 1 di una pompa di ricircolo del fluido di raffreddamento di veicoli e simili Ã ̈ montata ad una prima estremitÃ di un albero 2 supportato da un gruppo fisso 10 comprendente il corpo 11 della pompa a sua volta solidale al basamento Ila del motore del veicolo. As illustrated in fig. 1, the impeller 1 of a recirculation pump for the cooling fluid of vehicles and the like is mounted at a first end of a shaft 2 supported by a fixed assembly 10 comprising the pump body 11 which is in turn integral with the engine base 11a of the vehicle.

Internamente al corpo pompa 11 sono disposti una guarnizione 12 di tenuta, coassiale all'albero 2, e un cuscinetto 13 sul cui anello interno Ã ̈ calettato l'albero 2 della girante. Inside the pump body 11 there are a sealing gasket 12, coaxial with the shaft 2, and a bearing 13 on whose inner ring the shaft 2 of the impeller is keyed.

Esternamente al corpo pompa 11 Ã ̈ calettato un secondo cuscinetto 40 il cui anello esterno 40a Ã ̈ solidale ad un anello circolare 21, opportunamente sagomato, sul cui bordo circonferenziale esterno Ã ̈ formata una puleggia 2la, atta all'accoppiamento con una cinghia 3 per la presa del moto dall'albero del motore termico e la trasmissione all'anello 21 stesso, generando il moto per l'albero 2 della pompa . A second bearing 40 is keyed externally to the pump body 11, the outer ring 40a of which is integral with a suitably shaped circular ring 21, on whose outer circumferential edge a pulley 2a is formed, suitable for coupling with a belt 3 for the taking of the motion from the shaft of the heat engine and the transmission to the ring 21 itself, generating the motion for the shaft 2 of the pump.

PoichÃ© il tiro della cinghia 3 si scarica sul cuscinetto esterno 40 Ã ̈ possibile contenere il dimensionamento del cuscinetto interno 13, che non Ã ̈ sottoposto a carichi dinamici, a tutto vantaggio della durata e del contenimento degli ingombri complessivi . Since the tension of the belt 3 is discharged on the external bearing 40, it is possible to limit the dimensioning of the internal bearing 13, which is not subjected to dynamic loads, to the advantage of duration and containment of the overall dimensions.

L'anello circolare 21 presenta una estensione in senso assiale (21b) che costituisce il rotore 21b di un innesto elettromagnetico 20 che comprende un elettromagnete 22, fisso, alloggiato in una corrispondente sede del rotore 21b stesso, e un'ancora 23 disposta frontalmente all'elettromagnete 22 da parte opposta a quest'ultimo rispetto ad un elemento 22a di chiusura del flusso magnetico generato dall'eccitazione dell'elettromagnete 22; l'ancora 23 Ã ̈ mobile in traslazione nei due sensi della direzione assiale, ed Ã ̈ guidata nella traslazione da perni 26a integrati in bulloni 26 che costituiscono l'elemento di vincolo di una estensione radiale 21c al detto rotore 21b; l'estensione radiale 21c Ã ̈ assialmente disposta da parte opposta all'elettromagnete 22 rispetto all'ancora 23. The circular ring 21 has an axial extension (21b) which constitutes the rotor 21b of an electromagnetic clutch 20 which comprises a fixed electromagnet 22 housed in a corresponding seat of the rotor 21b itself, and an anchor 23 arranged in front of the electromagnet 22 on the opposite side to the latter with respect to an element 22a for closing the magnetic flux generated by the excitation of the electromagnet 22; the anchor 23 is movable in translation in the two directions of the axial direction, and is guided in translation by pins 26a integrated in bolts 26 which constitute the binding element of a radial extension 21c to said rotor 21b; the radial extension 21c is axially disposed on the opposite side to the electromagnet 22 with respect to the anchor 23.

Sulla sua faccia 23a opposta all'elettromagnete 22 l'ancora 23 porta un primo materiale di attrito 23b contrapposto ad un secondo materiale di attrito 23c solidale a detta estensione radiale 21c del rotore 21b e assialmente spaziato rispetto al primo materiale di attrito 23b di una quantitÃ tale da consentire l'introduzione di una lamina elastica 24 vincolata ad una flangia 14 a sua volta solidale alla estremitÃ dell'albero 2 opposta a quella della girante 1; la lamina 24 Ã ̈ pertanto solidale in rotazione con la flangia 14 stessa. On its face 23a opposite the electromagnet 22, the anchor 23 carries a first friction material 23b opposed to a second friction material 23c integral with said radial extension 21c of the rotor 21b and axially spaced with respect to the first friction material 23b by an amount such as to allow the introduction of an elastic lamina 24 constrained to a flange 14 which is in turn integral with the end of the shaft 2 opposite that of the impeller 1; the lamina 24 is therefore integral in rotation with the flange 14 itself.

Detta lamina 24 (fig.4) Ã ̈ costituita da un anello circolare sulla cui superficie anulare sono realizzati scarichi 24a atti a conferire elasticitÃ relativa tra le parti rispettivamente radialmente esterna 24b e radialmente interna 24c dell'anello stesso; sullo stesso bordo anulare sono anche realizzati fori 24d di passaggio delle viti 14a di fissaggio della lamina 24 alla flangia 14 solidale all'albero 2 della pompa. Said lamina 24 (fig.4) is constituted by a circular ring on whose annular surface there are made outlets 24a suitable to confer relative elasticity between the respectively radially external 24b and radially internal parts 24c of the ring itself; on the same annular edge there are also holes 24d for the passage of the screws 14a for fixing the lamina 24 to the flange 14 integral with the shaft 2 of the pump.

L'ancora 23 Ã ̈ soggetta alla spinta esercitata in direzione assiale, nel senso del distacco dall'elettromagnete 22, da una pluralitÃ di molle 25 assialmente contenute in corrispondenti sedi 25a dell'estensione assiale 21b del rotore 21b contro cui reagiscono. The anchor 23 is subject to the thrust exerted in the axial direction, in the sense of detachment from the electromagnet 22, by a plurality of springs 25 axially contained in corresponding seats 25a of the axial extension 21b of the rotor 21b against which they react.

Con tale accoppiamento l'ancora 23 Ã ̈ in grado di compiere movimenti in senso assiale verso/da il rotore 21b, risultando bloccata alla rotazione relativa rispetto alla flangia 14 in condizione di elettromagnete 22 diseccitato. With this coupling, the anchor 23 is able to perform movements in an axial direction towards / from the rotor 21b, being locked to relative rotation with respect to the flange 14 in the condition of the electromagnet 22 de-energized.

Come evidenziato in fig.1 si prevede anche che in posizione assiale esterna alla puleggia e interna alla frizione 20 sia previsto un motore elettrico 50 il cui statore 51 Ã ̈ supportato da una struttura 55 fissata al corpo pompa tramite viti 55a, e il cui rotore 53 Ã ̈ collegato all'albero 2 della pompa; l'alimentazione elettrica del motore Ã ̈ ottenuta tramite un cavo 52 collegato ad una fonte di energia elettrica del motore. As shown in fig. 1, it is also envisaged that in an axial position external to the pulley and internal to the clutch 20 there is an electric motor 50 whose stator 51 is supported by a structure 55 fixed to the pump body by means of screws 55a, and whose rotor 53 is connected to shaft 2 of the pump; the electric power supply of the motor is obtained through a cable 52 connected to a source of electric energy of the motor.

Preferibilmente la struttura 55 porta anche l'elettromagnete 22 e il cavo 52 comprende anche fili dÃ¬ eccitazione dell'elettromagnete stesso. Preferably, the structure 55 also carries the electromagnet 22 and the cable 52 also comprises excitation wires for the electromagnet itself.

Preferibilmente il motore elettrico Ã ̈ disposto in posizione radialmente interna all'elettromagnete 22 . Preferably the electric motor is arranged in a position radially internal to the electromagnet 22.

Con tale configurazione il funzionamento della pompa Ã ̈ il seguente: With this configuration, the operation of the pump is as follows:

-) in condizioni di elettromagnete 22 diseccitato, (Fig.1) l'ancora 23 Ã ̈ costantemente spinta dalle molle 25 in allontanamento assiale dall'elettromagnete 22 stesso e contro l'estensione radiale 21c del rotore 21b; la traslazione chiude pertanto i due materiali di attrito 23b,23c sulla lamina elastica 24 che, deformandosi e trasmettendo il moto del rotore 21b alla flangia 14 e quindi all'albero 2 condotto, pone in rotazione quest'ultimo che ruota, assieme alla girante 1, con gli stessi giri della puleggia 21a; -) in conditions of de-energized electromagnet 22, (Fig.1) the anchor 23 is constantly pushed by the springs 25 axially away from the electromagnet 22 itself and against the radial extension 21c of the rotor 21b; the translation therefore closes the two friction materials 23b, 23c on the elastic lamina 24 which, deforming and transmitting the motion of the rotor 21b to the flange 14 and therefore to the driven shaft 2, causes the latter to rotate, together with the impeller 1 , with the same turns of the pulley 21a;

-) in condizioni di elettromagnete 22 eccitato, (fig.5) il campo magnetico indotto vince l'azione di spinta delle molle 25, richiamando assialmente l'ancora 23 con conseguente apertura dei due materiali di attrito 23b,23c e distacco della lamina 24 dall'ancora 23, e quindi dal rotore 21b, determinando una condizioni di folle dell'albero 2;+) se in concomitanza alla condizione di folle dell'albero 2 Ã ̈ richiesta una rotazione della girante 1 con un numero di giri inferiore a quello determinato dal rotore 21b, sÃ¬ alimenta il motore elettrico 50 in modo che il moto del rotore 53 ponga in rotazione l'albero 2 con la desiderata velocitÃ di rotazione atta a determinare il ricircolo del fluido effettivamente necessario. -) in conditions of excited electromagnet 22, (fig. 5) the induced magnetic field overcomes the thrust action of the springs 25, axially recalling the anchor 23 with consequent opening of the two friction materials 23b, 23c and detachment of the lamina 24 from the anchor 23, and therefore from the rotor 21b, determining a neutral condition of the shaft 2; +) if, concomitantly with the neutral condition of the shaft 2, a rotation of the impeller 1 is required with a number of revolutions lower than that determined by the rotor 21b, yes it feeds the electric motor 50 so that the motion of the rotor 53 sets the shaft 2 in rotation with the desired speed of rotation suitable for determining the recirculation of the fluid actually necessary.

Secondo una forma preferita di attuazione il controllo dell'eccitazione dell'elettromagnete 22 avviene tramite tecnica PWM (Pulse Width Modulation) di modulazione della tensione di alimentazione, al fine di alimentare una quantitÃ di tensione elevata per un breve periodo (sovraimpulso) atta a vincere la forza sommata delle molle 25 di spinta sull'ancora, e impulsi di breve durata e quantitÃ di corrente una volta che l'ancora Ã ̈ attaccata all'elettromagnete, richiedendo una ridotta corrente di mantenimento; il PWM Ã ̈ di per sÃ© convenzionale e pertanto non descritto in dettaglio. According to a preferred embodiment, the control of the excitation of the electromagnet 22 takes place by means of the PWM (Pulse Width Modulation) technique of modulation of the supply voltage, in order to supply a high voltage quantity for a short period (over-pulse) suitable for overcoming the summed force of the thrust springs 25 on the anchor, and short duration pulses and amount of current once the anchor is attached to the electromagnet, requiring a reduced holding current; PWM itself is conventional and therefore not described in detail.

Risulta pertanto come la pompa secondo il trovato consenta di ottenere un efficace ricircolo del fluido di raffreddamento di veicoli che puÃ² essere variato in relazione alla effettiva necessitÃ tramite l'azionamento alternativo da motore termico o da motore elettrico ausiliario, mantenendo, tuttavia, ingombri radiali contenuti grazie alla particolare disposizione del motore elettrico disposto in posizione assialmente esterna alla puleggia di collegamento al motore termico stesso. It therefore appears that the pump according to the invention allows to obtain an effective recirculation of the cooling fluid of vehicles which can be varied in relation to the actual need by means of the alternative drive from a thermal engine or an auxiliary electric motor, while maintaining, however, contained radial dimensions. thanks to the particular arrangement of the electric motor arranged in an axially external position to the pulley for connection to the heat engine itself.

Tale contenimento di ingombri radiali, consente di ottenere una puleggia 21a di ridotto diametro con conseguente moltiplicazione dei giri trasmessi dalla cinghia 3, il che rende il dispositivo, e quindi la pompa, adatta anche ai veicoli con motori che girano a basso numero di giri, ma richiedono una elevata velocitÃ di rotazione della pompa di raffreddamento . This containment of radial dimensions allows to obtain a pulley 21a of reduced diameter with consequent multiplication of the revolutions transmitted by the belt 3, which makes the device, and therefore the pump, also suitable for vehicles with engines running at low number of revolutions, but they require a high rotation speed of the cooling pump.

Oltre a ciÃ² la pompa secondo il trovato assicura la rotazione della girante 1 anche in caso di guasto elettrico, condizione nella quale l'ancora Ã ̈ sempre vincolata al rotore dalla spinta delle molle 25, garantendo il ricircolo del fluido di raffreddamento ( = "fail safe"). In addition to this, the pump according to the invention ensures the rotation of the impeller 1 even in the event of an electrical fault, a condition in which the anchor is always constrained to the rotor by the thrust of the springs 25, guaranteeing the recirculation of the cooling fluid (= "fail safe ").

Si prevede inoltre che, in condizioni di elettromagnete 22 eccitato, la pompa possa essere azionata dal motore elettrico 50 con numero di giri indipendente dal numero di giri del motore termico, in particolare: It is also envisaged that, in conditions of energized electromagnet 22, the pump can be driven by the electric motor 50 with a number of revolutions independent of the number of revolutions of the heat engine, in particular:

- con basso numero di giri in condizioni di alto numero di giri del motore termico; e - with low number of revolutions in conditions of high number of revolutions of the thermal engine; And

- con appropriato numero di giri anche a motore termico spento, al fine di garantire il ricircolo e quindi un raffreddamento del motore termico anche nel caso di soste temporanee come, ad esempio, nei casi di sosta e ripartenza (stop and go) ai semafori . - with an appropriate number of revolutions even with the thermal engine off, in order to guarantee the recirculation and therefore a cooling of the thermal engine even in the case of temporary stops such as, for example, in the case of stop and go (stop and go) at traffic lights.

Oltre a ciÃ² il serraggio della lamina elastica 24 tra la ganascia formata dall'ancora 23 e dalla estensione radiale 21c del rotore 21b determina un ulteriore importante effetto costituito dalla assenza di carichi assiali sia sui cuscinetti di sostegno dell'albero della girante sia sui cuscinetti di supporto della puleggia, a vantaggio della durata dei cuscinetti stessi. In addition to this, the tightening of the elastic plate 24 between the jaw formed by the anchor 23 and the radial extension 21c of the rotor 21b determines a further important effect constituted by the absence of axial loads both on the support bearings of the impeller shaft and on the bearings of pulley support, to the advantage of the bearing life.

Claims

CLAIMS 1. Pump for circulating a vehicle cooling fluid, comprising: + an impeller (1) carried by a shaft (2) driven, + at least one friction clutch (20), interposed between motion generation means (21,21a) and the driven shaft (2) said motion generating means (21,21a) are mounted on a bearing (40) keyed to the fixed body (11) of the pump and connected (3) to the vehicle's drive shaft, + an auxiliary electric motor (50) for driving the driven shaft (2) independently of the heat engine; characterized by the fact that said electric motor (50) is arranged in an axially external position to the means (21,21a) for generating the motion of the clutch (20).

2. Pump according to claim 1 characterized in that said electric motor (50) is arranged in a concentric position to the friction clutch (20).

3. Pump according to claim 1 or 2 characterized in that said motion generating means comprise a circular ring (21), on whose outer circumferential edge a pulley (21a) is formed, suitable for coupling with a corresponding belt (3 ) of transmission of the motion coming from the shaft of the thermal engine.

4. Pump according to claim 1 or 3 characterized in that said friction clutch (20) is of the electromagnetic type.

5. Pump according to claim 1 or 4 characterized in that said friction clutch (20) comprises a fixed electromagnet (22) associated with an element (22a) for closing the magnetic flux and an anchor (23), axially arranged aside opposite to the electromagnet (22) with respect to said element (22a) for closing the flow.

6. Pump according to any preceding claim characterized in that a circular flange (14) is mounted on said driven shaft (2), axially arranged at the end of the shaft (2) opposite the impeller (1).

7. Pump according to claim 6 characterized in that said flange (14) carries an elastic lamina (24).

8. Pump according to claim 7 characterized by the fact that said elastic lamina (24) is constituted by a ring on whose annular surface there are discharges (24a) suitable to confer elasticity relative to the radially external (24b) and internal (24c) part respectively ring itself and holes (24d) for fixing the plate to the flange (14).

9. Pump according to any preceding claim characterized in that the rotor (21b) has a radial extension (21c) axially arranged on the opposite side to the anchor (23) with respect to the electromagnet (22).

10. Pump according to claim 9 characterized in that the radial extension (21c) is fixed to the rotor (21b) by means of axial bolts (26).

11. Pump according to claim 10 characterized in that said bolts (26) have smooth axial portions (26a) which constitute the guiding element of the axial translation of the anchor (23).

12. Pump according to any preceding claim characterized in that the motor (50) has a rotor (53) connected to the shaft (2) of the impeller (1).

13. Pump according to claim 1 characterized in that the excitation of the electromagnet (22) is controlled by means of the PWM (Pulse Width Modulation) technique.