專利名稱：冷卻風扇與電動機用扭轉－鎖定連接系統的制作方法
背景技術：
本發明涉及冷卻風扇安裝于電動機的連接系統，尤其涉及由電動機驅動的汽車冷卻系統風扇。
汽車冷卻系統經常采用由電動機驅動的冷卻風扇。風扇與電動機必須以某種方式相連接。要在現代汽車機罩下愈來愈減小的布局空間中，容納冷卻風扇和電動機系統，就必須使該系統相當緊湊，理論上應減小風扇和電動機組件的軸向長度。在汽車工業中另一個必不可少的要求是通過簡化零件制造和裝配的降低生產成本。在努力提高燃料經濟性的同時，還希望盡可能減少風扇與電動機組件的重量。
對經常暴露于雨水飛濺，有時處于海岸附近的腐蝕環境下的冷卻風扇和電動機組件，還要求其具有高的可靠性。用戶要求車輛振動小且運行平穩，這就需要風扇和電動機組件以較小噪音和振動運轉；故一定要減小風扇和電動機組件在工作和壽命周期內的動態不平衡。
正如精通此技術的人們所理解的那樣，最小的機組組件尺寸，重量，壽命周期內的噪音和振動及制造成本與最高的可靠性經常存在著矛盾的設計參數，以及最終的設計選擇。
早先公知的電動機風扇和冷卻組件一直通過類似錐形墊圈的徑向彈簧卡環將風扇連接于電動機軸，此卡環產生軸向張力，使風扇牢固地裝在軸上。彈簧卡環在軸上形成的槽中與軸相接合。當超過風扇和電動機的壽命周期時，彈簧卡環可能疲勞破壞，就會導致風扇與電動機軸分離。此外，風扇與電動機組件連接系統上，增加一個彈簧卡環，必須會增加組裝結構的軸向長度。同樣，值得注意的是因兩個理由(a)隨著擺動載荷作用于風扇而使彈簧卡環撓曲，與(b)相當小的彈簧卡環直徑未留下很大的支承表面以抵銷作用在風扇上的擺動載荷，故彈簧卡環不易抑制風扇相對電動機軸的擺動。
另一種公知的冷卻風扇與電動機軸的連接系統包括模壓在風扇中的一個金屬輪轂。金屬輪轂借助一個銷，例如一圓柱銷與電動機軸相連接。模壓就位的輪轂和銷的安裝系統在許多方面增加了制造復雜性。首先電動機軸要鉆孔以便裝銷。其次，裝有模壓就位金屬輪轂的塑料風扇的生產費用必然比只由塑料制造的風扇要貴。第三，風扇和電動機組件需要插入銷，增加了附加的制造組裝工序。
在汽車工業中，長期以來一直感到需要這樣一種電動機與冷卻風扇連接系統它減少了組件的軸向長度，降低了重量和制造成本，增加產品在壽命周期內的可靠性及在超過產品的壽命周期期間保持良好的動態平衡(從而有較低的振動和噪音)還要使制造和裝配費用相當便宜。
發明的概要本發明滿足了汽車工業中對冷卻風扇和電動機連接系統的這些要求，即具有最小的組件軸向長度，減輕了重量，增加了在組件的壽命周期內的可靠性和保持動態平衡，而且還降低制造和裝配成本。本發明的冷卻風扇和電動機連接組件也允許易于分解和重新裝配電動機和風扇，而并不影響重新裝配好的組件的動平衡。本發明的冷卻風扇和電動機連接組件的特點是把跟電動機和風扇之一相連接的帶徑向凸耳的接合板插入跟電動機和風扇之另一件相連接的相應輪轂的肩部凹槽中，而形成的“扭轉-鎖定”嚙合。
本發明的特點是冷卻風扇和電動機連接系統包括一接合板，以連接電動機和冷卻風扇之一，接合板上至少有一個徑向向外伸出的凸耳。該系統還有一輪轂，以連接電動機和冷卻風扇之另一件，其上有一限定的凹槽，供接合板軸向插入之用，還有一肩部，隨接合板與輪轂相對鎖定轉動而鎖位凸耳。
本發明的另一特點是冷卻風扇和電動機連接系統包括一接合板，以連接電動機軸和冷卻風扇之一，接合板上設有多個徑向向外伸出的凸耳。該系統還有一輪轂，以連接電動機軸和冷卻風扇之另一件，其上有一條由一個前面和一個通常為徑向取向的側壁限定的凹槽，供接合板軸向插入其內。輪轂凹槽還由多個肩部所限定，且與各相應的凸耳相對應，與前面有軸向間隔，用以隨接合板和輪轂相對鎖定轉動而鎖位應力相應的凸耳。
本發明還有一特點是冷卻風扇和電動機系統包括一個有電動機軸的電動機和一個冷卻風扇。接合板跟電動機軸和冷卻風扇之一相連接，其上有多個徑向對稱取向，向外伸出的凸耳。輪轂跟電動機軸和冷卻風扇之另一件相連，其上有一根由一個前面一個通常為徑向取向的側壁及多個肩部所限定的凹槽，與各相應的凸耳相對應，以相對于前面的相反形式軸向間隔，用以使接合板的軸向插入肩部之間的凹槽內，并隨接合板和輪轂相對鎖定轉動而鎖位應力相應的凸耳。在接合板和輪轂之一上設置幾個伸出的制動爪，而在接合板和輪轂之另一件上設置相應的幾個凹槽，兩者隨著輪轂與接合板相對鎖定轉動而互相嚙合。
圖1是本發明的電動機和冷卻風扇連接系統的局部軸向剖視圖，為簡化此圖，示意地表示了電動機和斷開的風扇葉片；圖2是圖1冷卻風扇的后視圖，示意地表示斷開的風扇葉片。
圖2A是圖2冷卻風扇的前視圖。
圖3是沿圖2的3-3線所取的扇形剖視圖。
圖4是沿圖2的4-4線所取的風扇輪轂部分的斷開的剖視圖，帶有斷開的風扇的剩余部分。
圖5是圖2風扇輪轂部分放大后的后視圖。
圖6是沿圖5的6-6線所取的扇形輪轂部分斷開的剖視圖。
圖7是圖1組件的接合板部分的前視圖。
圖8是圖7接合板的后視圖。
圖9是沿圖7的9-9線所取的接合板的徑向剖視圖。
圖10是沿圖7的10-10線所取的扇形接合板的剖視圖。
圖11是分別沿圖2和7的11-11的組裝后的風扇圖中已此表示輪轂部分與接合板的扇形剖視圖。
優先實施例的詳細說明圖1表示裝配好的冷卻風扇驅動電動機11的局部剖視圖，其上有一軸12和一冷卻風扇13，冷卻風扇包括多個風扇葉片，可用該技術領域中任何已知的方法制成。這種風扇葉片結構的例子公司于美國專利NO.5,326,225中，正如在此充分陳述的那樣，引用該專利的整個內容是為了參考。風扇組件13還在轉子20內限定一中心孔15，風扇葉片14的根部與轉子相連。用下述方法，通過接合板30，使轉子20與電動機軸12相連。
現參照圖2-6，表示了風扇13的后視圖，和前視圖，附有針對轉子20的附圖的特別細節，包括連接風扇葉片14根部的轉子裙部，轉子加強筋22及輪轂22A。輪轂22A上已成形一輪轂凹槽23，包括一通常為平直的前面24，一徑向定位側壁25以及輪轂驅動邊25A。
輪轂22A還限定了肩部26，與前面24有軸向間隔并自側壁25徑向向內伸入。有利于風扇組件13的動平衡，轉子肩部26沿轉子輪轂22A周邊對稱間隔排列。雖然，圖中表示三個肩部26相互間隔120°，但應當了解可選擇任何別的數量的肩部，以便和本發明一起應用。甚至可利用一個肩部，但優先的最小數應至少為兩個對稱間隔的肩部。另一方面，肩部26也可為不對稱形和/或間隔的，但最好要進行系統的動態平衡。
正如特別于圖5和6所示，輪轂22A還有多個(圖中表示3個)制動爪27從輪轂前面24軸向伸出。輪轂22A前面24還有一條槽28及應力減輕切槽29。制動爪27，槽28和應力減輕切槽29的具體功能將在有關產品裝配的更詳細的下文中進行解釋。
現參考圖7～10說明接合板30的結構。接合板上有一孔31，供其上連接電動機軸12，相互之間最好為熱裝(冷縮)配合。然而，應當了解同樣可利用其它連接結構；例如，粘接，釬焊，焊接或采用一銷釘。業已發現熱裝配合可對風扇13旋轉的載荷提供足夠的扭轉剪切阻力。接合板30有一可在其上加工成形的六角形結構32，其作用將在有關產品裝配的更詳細的下進行解釋。
接合板凸耳33自接合板30徑向伸出。每個接合板凸耳33限定一徑向外邊緣34及一凸耳驅動邊緣34A。接合板30還有一嚙合面35，此面有一斜塊段36，自嚙合面35向間隙面35A傾斜。接合板30上還有多個制動爪凹槽37，與各相應的輪轂制動爪27相對應。在嚙合面35上設有一鍵38，加工成局部球形外形。制動爪凹槽37和鍵38的功能將在有關產品裝配的下文中加以說明。
風扇組件13的結構最好為整體式單個模壓件。風扇組件13的一種合適的模壓材料為含12％玻璃纖維與28％人造纖維如由E.I.Dupont de Nemours of Delaware，USA出售的“NYLON66”的熱塑料，盡管打算以任何適合于制造汽車冷卻風扇的其它塑料取代它。
接合板30可便于以單一粉末狀金屬燒結處理而制成。中以利用任何適合燒結的金屬，但適于此應用的粉末狀金屬要具有50,000磅/英寸2(345MPa)的抗拉強度。電動機軸12可由低碳鋼制造，在小功率電動機工業中，它是通用的。
整臺電動機11與冷卻風扇13系統易于裝配。接合板30通過如前所述的熱裝配合，在整臺電動機裝配前，期間或以后，與電動機軸12相連接。如圖1所示使接合板30插入風扇組件13。隨著接合板30插入輪轂凹槽23，輪轂22A與接合板30互相轉動。于是，接合板30徑向凸耳33便由輪轂前面24，徑向側壁25，輪轂驅動邊25A，肩部26及輪轂制動爪27被鎖定在輪轂凹槽23內，即完成了“扭轉-鎖定”鎖定，這將在下文作更詳細的說明。
接合板30與風扇輪轂22A向“扭轉-鎖定”組裝可通過將套筒或其它型式的扳手插入風扇組件13形成的孔15并與接合板30內成形的六角形結構32相嚙合而進行。于是可用扳手得到使接合板凸耳33與風扇輪轂22A相對轉動所需的扭轉力。
隨著接合板30插入輪轂22A并相對轉動而使風扇13與接合板30的組裝，當凸耳33與輪轂肩部26相嚙合時，輪轂制動爪27騎在接合板間隙面35A上。然后隨著繼續轉動，輪轂制動爪27與接合板30的斜坡段36之間軸向接觸，使輪轂22A肩部段26軸向向外伸展并遠離輪轂前面24。接合板30相對輪轂22A進一步“扭轉-鎖定”轉動，推動風肩組件13的制動爪27，在接合板30的凹槽37內嚙合并鎖定，如圖11所示。隨著凸耳驅動邊34A與輪轂驅動邊25A相嚙合，而完成“扭轉-鎖定”轉動。
在風扇輪轂22A前面24中成形的應力減輕切槽29有助于阻止在接合板30插入與扭轉時可能在風扇輪轂22A上產生的裂紋，這種裂紋另外可能由于輪轂肩部26的撓曲而出現。如果一個或更多的風扇葉片在風扇運轉期間受沖擊或受別的快速沖擊載荷作用，例如大流量水或固體碎片偶然被吸入轉動著的風扇結構，則應力減輕切槽29同樣方便地有利于防止風扇組件13產生裂紋。
在接合板30上成形的鍵38及其在輪轂22A前面24中成形的相配的槽28，為在圖11所示的整個冷卻系統組件的制造期間為易于動態平衡，提供該組件簡單的組裝定位。如果它們曾被拆卸維修過，則在組件重新組裝期間，鍵38和相應的槽28同樣保證適當的平衡好的組件定位。另一方面，為提供組件簡單組裝定位，肩部26與凸耳33可有不對稱地間隔或是不對稱的型面。當然，如果選擇不對稱定位或型面的肩部26和凸耳33作為部分設計，則最好用任何該技術方面已知的技術，對此組裝結構作動態平衡。
通過選擇風扇組件13的輪轂部分22A與接合板30的模壓允差，可使接合板30與輪轂22A之間軸向和徑向均為緊配合，以確保在組裝期間和風扇與電動機組件的整個壽命循環期間轉動的平穩性。由于選定輪轂22A側壁25的內部徑向尺寸小于接合板凸耳徑向外邊34的徑向尺寸，就能實現偏差壓配合。同樣，由于選定輪轂22A前面24與肩部26之間的實際間隔小于接合板30的軸向寬度，即能在軸向尺寸上實現偏差壓配合。
有彈性的塑料輪轂22A對剛性的接合板30的偏差壓配合提供足夠的尺寸偏差，以補償金屬輪轂30和塑料風扇組件13的熱膨脹系數的差別，還可補償在壽命循環期間塑料風扇結構老化引起的變形或蠕變。
最后，輪轂22A和接合板30之間的偏差壓配合發生在離電動機軸12中心相當長的徑向距離。該徑向間隔提供了一廣寬的空間和接合板30與輪轂22A之間大的嚙合平面，可抑制風扇組件13相對電動機軸12的擺動或振動載荷，這又提高了動態剛性，因而減小了振動。
雖然這是已圖示和說明了本發明的優先實施例，但精通于此技術的人們仍然可以本文所附的權利要求書范圍內，對本優先實施例作些更改，可對風扇組件13和接合板30的組件結構作修改。例如，鍵38可在風扇輪轂22A上成形，而相應的槽28可模壓在接合板30中。同樣，輪轂凹槽23與其前面24，徑向側壁25，肩部26和制動爪27(或任何代用品)可在接合板中成形，而相應的凸耳33，嚙合面35，斜坡為36，制動爪凹槽37和鍵38可相應地在風扇結構13中成形、可按精通于此技術的人們的自由決定，有選擇地使分別示于所公開的圖1～10中風扇13和接合板30的任何基體結構要素反過來。同樣，凸耳與肩部輪轂能軸向互鎖而不是徑向互鎖；而制動爪和相對應的制動爪凹槽可徑向定位，而不是軸向定位。
權利要求
1.一種冷卻風扇和電動機連接系統，包括(a)一接合板，用以連接電動機和冷卻風扇之一，其上至少有一個徑向向外伸出的凸耳；與(b)一輪轂，用以連接電動機和冷卻風扇中之另一件，其上有一限定的凹槽，用以將接合板軸向定向插入其內，還有一肩部，用以隨接合板與輪轂相對鎖定轉動而鎖位應力凸耳。
2.按權利要求1的系統，其特征在于接合板有多個凸耳，而輪轂有多個肩部。
3.按權利要求2的系統，其特征在于相應的凸耳和肩部被徑向對稱定向。
4.按權利要求2的系統，其特征在于相應的凸耳和肩部被軸向對稱定向。
5.按權利要求2的系統，其特征在于還包括至少一伸出的制動爪、配置在接合板和輪轂中之一上；和至少有一相應的凹槽，配置在接合板和輪轂中之另一件上，兩者隨輪轂和接合板相對鎖定轉動而相互嚙合。
6.按權利要求2的系統，其特征在于接合板有三個凸耳，而輪轂有三個肩部。
7.按權利要求2的系統，其特征在于在輪轂和接合板中之一上有一個由此伸出的鍵，而在輪轂和接合板中之另一件上有一相應的槽，以安裝該鍵。
8.按權利要求2的系統，其特征在于接合板有一連接電動機軸的孔，而輪轂與冷卻風扇相連。
9.按權利要求2的系統，其特征在于(a)輪轂由彈性材料制成；與(b)凹槽由一般為徑向定向的側壁而限定，部分區段為對稱定向，并與接合板的徑向外邊徑向偏差嚙合，而肩部被對稱定位，并隨接合板和輪轂的相對鎖定轉動，與接合板軸向偏差嚙合。
10.按權利要求2的系統，其特征在于接合板還包括一嚙合面，以緊貼輪轂肩部。
11.按權利要求10的系統，其特征在于接合板凸耳有一與輪轂驅動邊嚙合的驅動邊。
12.一種冷卻風扇和電動機連接系統，包括(a)一接合板，用以連接電動機和冷卻風扇中之一，其上至少有一個徑向向外伸出的凸耳；與(b)一輪轂，用以連接電動機軸和冷卻風扇中之另一件，其上有一由前面和一般為徑向定位的側壁所限定的凹槽，用以插入接合板的軸向定位插入部，輪轂凹槽還進一步被多個肩部所限定，與各相應的凸耳相對應，離前面有軸向間隔，用以隨接合板與輪轂相對鎖定轉動而鎖位應力相應的凸耳。
13.按權利要求12的系統，其特征在于(a)輪轂由有彈性的材料制造；(b)一般為徑向定位的側壁限定了對稱定位并與接合板的徑向外邊徑向偏差嚙合的部分區段，而肩部被對稱定位，并隨接合板和輪轂的相對鎖定轉動，與接合板軸向偏差嚙合。
14.按權利要求13的系統，其特征在于接合板還包括一嚙合面，以緊貼輪轂肩部。
15.按權利要求12的系統，其特征在于至少一個凸耳有一與輪轂驅動邊嚙合的驅動邊。
16.按權利要求12的系統，其特征在于相應的凸耳和肩部徑向對稱定位。
17.按權利要求12的系統，其特征在于相應的凸耳和肩部軸向對稱定位。
18.按權利要求12的系統，還包括配置在接合板和輪轂中之一上的伸出的制動爪，以及配置在接合板和輪轂中之另一件上相應的凹槽，兩者隨輪轂和接合板的相對鎖定轉動而相互嚙合。
19.按權利要求12的系統，其特征在于在輪轂與接合板中之一上有一由此伸出的鍵，而在輪轂和接合板中之另一件上有一相應的槽，以嵌入該鍵。
20.按權利要求12的系統，其特征在于接合板有一連接電動機軸的孔，而輪轂與冷卻風扇相連。
21.按權利要求12的系統，其特征在于輪轂在限定凹槽的面上限定切槽。
22.一種冷卻風扇和電動機連接系統，包括(a)有一電動機軸的電動機；(b)一冷卻風扇；(c)一接合板，與電動機軸和冷卻風扇中之一相連，其上有多個徑向對稱定位的向外伸出的凸耳；(d)一輪轂，與電動機軸和冷卻風扇中之另一件相連，其上有一由前面，一般為徑向定位的側壁和多個肩部所限定的凹槽，與各相應的凸耳相對應，以相對于前面的相反的形式軸向間隔，用以使接合板的軸向定位插入部插入肩部之間的凹槽，并隨接合板與輪轂相對鎖定轉動而鎖位應力相應的凸耳；和(e)配置在接合板和輪轂中之一上伸出的制動爪，以及配置在接合板和輪轂中之另一件上相應的凹槽，兩者隨輪轂和接合板的相對鎖定轉動而互相嚙合。
23.按權利要求22的系統，其特征在于(a)輪轂由有彈性的材料制造；(b)一般為徑向定位的側壁限定了對稱定位并與接合板的徑向外邊徑向偏差嚙合的部分區段，而肩部被對稱定位并隨接合板和輪轂的相對鎖定轉動，與接合板軸向偏差嚙合。
24.按權利要求23的系統，其特征在于接合板還包括一嚙合面，以緊貼輪轂肩部，其上有一相對輪轂軸向定位的斜坡段。
25.按權利要求22的系統，其特征在于至少一個凸耳有一與輪轂驅動邊嚙合的驅動邊。
26.按權利要求22的系統，其特征在于接合板有三個凸耳，而輪轂有三個肩部。
27.按權利要求22的系統，其特征在于輪轂和接合板中之一有一由此伸出的鍵，而輪轂和接合板中之另一件有一相應的槽，以嵌入該鍵。
28.按權利要求22的系統，其特征在于接合板有一連接電動機軸的孔，而輪轂與另一件冷卻風扇相連。
29.按權利要求22的系統，其特征在于輪轂在限定凹槽的面上限定幾個切槽。
全文摘要
一冷卻風扇組件(13)借助一帶有幾個徑向凸耳(33)的相匹配的“扭轉－鎖定”接合板(30),與一電動機相連,兩者于相應輪轂(22A)的肩部凹槽(22)中相嚙合。
文檔編號F04D29/26GK1205763SQ96199205
公開日1999年1月20日 申請日期1996年10月3日 優先權日1995年10月31日
發明者E·R·巴特列特 申請人:西門子電氣有限公司