(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ポンプ室を形成するハウジングと、このハウジングのポンプ室内に収容されるインペラと、前記ハウジングの外部に配置され、ポンプ外部から回転動力が入力される駆動プーリと、この駆動プーリと前記インペラを連結するポンプシャフトとを備えると共に、軸受を介して前記ハウジングに回転自在に支持される太軸部と、メカニカルシールによって前記ハウジングとの間を密閉する細軸部とが前記ポンプシャフトのプーリ取付部側からインペラ取付部側にかけて連設されたウォータポンプにおいて、
前記ポンプシャフトの全長Ｌ，前記インペラのイナーシャモーメントＩim，前記駆動プーリとインペラとのイナーシャモーメント比ｎ，前記ポンプシャフト上のインペラ側の端部からメカニカルシール取付部までの距離と前記ポンプシャフトの全長Ｌとの比εs，前記ポンプシャフトの太軸部の直径ｄ，前記ポンプシャフトの細軸部と太軸部との直径比γd，前記ポンプシャフトの太軸部の長さと同シャフトの全長Ｌとの比ε1の各値を、下記の式で示すＡの値が９×１０4ｋｇ-0.5・ｍ-2.5以下となるように設定したことを特徴とするウォータポンプ。
【数１】
0004493142.tif 000007
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車のエンジン冷却等に用いられるウォータポンプに関し、とりわけ、ハウジングとポンプシャフトの間をメカニカルシールによって密閉するウォータポンプに関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車のエンジン冷却に用いられるウォータポンプは、通常、図７に示すような構造となっている。
【０００３】
同図に示すウォータポンプについて簡単に説明すると、ハウジング１は図外のエンジンブロックに結合されて同ブロックとの間にポンプ室２が形成されており、そのポンプ室２内には、回転によってポンプ作用を為すインペラ３が収容されている。インペラ３は、ハウジング１を貫通するポンプシャフト４を介して駆動プーリ５と一体化されており、このプーリ５がエンジン動力によって回転駆動されると、その回転力がポンプシャフト４を介して伝達されるようになっている。また、ポンプシャフト４のプーリ取付部とインペラ取付部との間には太軸部６と細軸部７が連設されており、太軸部６がハウジング１に軸受８を介して回転自在に支持されると共に、細軸部７がメカニカルシール９によってハウジング１との間を密閉されている。
【０００４】
そして、ここで用いられるメカニカルシール９としては、例えば図８示しようなものが用いられている。
【０００５】
このメカニカルシール９は、ハウジング１に第１摺動部材１０が取付けられる一方で、ポンプシャフト４の細軸部７に第２摺動部材１１が軸方向変位可能に取付けられ、この第２摺動部材１１がスプリング１２によって軸方向に付勢されることにより、第１摺動部材１０に対して常時端面相互で当接するようになっている。したがって、このメカニカルシール９は、ポンプシャフト４がハウジング２に対して回転すると、第１摺動部材１０と第２摺動部材１１が常時端面相互の接触を維持して回転し、ハウジング１とポンプシャフト４の間からの液体の流出をこれによって防止する。
【０００６】
また、この例においては、ポンプシャフト４に結合されるドライブリング１３に第２摺動部材１１がゴムベローズを１４介して軸方向変位可能に取付けられる一方で、ゴムベローズ１４を囲繞するケース１５に設けられた前後の突起１６，１７がドライブリング１３と第２摺動部材１１の各溝１８，１９に夫々係合されている。したがって、第２摺動部材１１は同部材１１の軸方向の変位に拘らずポンプシャフト４と常時一体に回転することができる。
【０００７】
しかし、メカニカルシール９がこのような構造となっていると、摺動部材１０，１１相互間の摩擦トルクと、突起１６と溝１８の円周方向の遊びによって所謂スティック・スリップ自励振動が起こり、耳障りな鳴き音を発生し易いことが確認されており、従来、これに対処するものとして、実開平５−１０７５号公報に示されるようなもので案出されている。
【０００８】
この公報に記載のメカニカルシールは、ドライブリングの溝に係合するケースの突起に溝の底部に弾性接触する圧接部を設け、この弾性接触によってケースとドライブリングの間のがた付きを無くすことでスティック・スリップによる鳴き音の発生を抑制するようにしたものである。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、メカニカルシールを起振源とした鳴き音の発生は摺動部材の支持部分の遊びだけが原因となるものではなく、上記の対策だけでは充分に抑制できないというのが現状である。
【００１０】
ウォータポンプにおけるメカニカルシール部分での振動は摺動部材の接触面の摩擦特性が第１に関係するものと考えられるが、メカニカルシールは本来ポンプ室からの液漏れを防止することを目的とするものであるため、当然摺動部材の摩擦特性の改善のみを考慮して設計することはできない。つまり、摺動部材相互間の押付力を弱める等の手段によって接触面に積極的に作動液を導き、この作動液によって所謂流体潤滑を行うようにすれば接触面の摩擦抵抗が減少して鳴き音の発生は確実に抑えられるようになるが、作動液が摺動面に回り込み易くなるということはその分ポンプ室からの液漏れの可能性が高くなるということであり、メカニカルシールの構造的な改善のみによって鳴き音防止と液漏れ防止の両立を図ることは難しい。
【００１１】
また、メカニカルシールを構成する摺動部材の材質と表面形状を工夫することによって鳴き音防止と液漏れ防止の両立を図るようにしたものが特開平７-１９３４９号公報等に示されている。
【００１２】
この公報に記載の技術は、一方の摺動部材をカーボンで、他方の摺動部材をアルミナセラミックで夫々形成し、さらに摺動部材の摺動面に適度なボイドと凹凸を形成することによって潤滑に寄与する作動液を接触面上で保持できるようにしたものである。
【００１３】
しかし、この技術においても、得られる効果は充分ではなく、さらに潤滑性を高めて鳴き音を確実に防止しようとすると、やはり従前と同様にポンプ室からの液漏れの問題を招く。
【００１４】
そこで本発明は、メカニカルシール以外の部分の改善によって鳴き音の発生を確実に防止できるようにして、鳴き音防止と液漏れ防止の両立を図ることのできるウォータポンプを提供しようとするものである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決するための手段として、請求項１に記載の発明は、ポンプ室を形成するハウジングと、このハウジングのポンプ室内に収容されるインペラと、前記ハウジングの外部に配置され、ポンプ外部から回転動力が入力される駆動プーリと、この駆動プーリと前記インペラを連結するポンプシャフトとを備えると共に、軸受を介して前記ハウジングに回転自在に支持される太軸部と、メカニカルシールによって前記ハウジングとの間を密閉する細軸部とが前記ポンプシャフトのプーリ取付部側からインペラ取付部側にかけて連設されたウォータポンプにおいて、前記ポンプシャフトの全長Ｌ，前記インペラのイナーシャモーメントＩim，前記駆動プーリとインペラとのイナーシャモーメント比ｎ，前記ポンプシャフト上のインペラ側の端部からメカニカルシール取付部までの距離と前記ポンプシャフトの全長Ｌとの比εs，前記ポンプシャフトの太軸部の直径ｄ，前記ポンプシャフトの細軸部と太軸部との直径比γd，前記ポンプシャフトの太軸部の長さと同シャフトの全長Ｌとの比ε1の各値を、下記の式で示すＡの値が９×１０4ｋｇ-0.5・ｍ-2.5以下となるように設定した。
【００１６】
【数１】
0004493142.tif 000002
【００１７】
この発明は、鳴き音の発生が、メカニカルシール部分を起振源とし、ポンプシャフトとそれに取付けられた駆動プーリ及びインペラによって共振系が構成されていることに鑑み、起振源側ではなく共振系を構成するＬ，Ｉim，ｎ，εs，ｄ，γd，ε1の各要素を操作することで鳴き音の発生を防止するようにしたものである。
【００２１】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００２２】
図１は、本発明にかかるウォータポンプの一実施形態を示すものであり、このウォータポンプは自動車のエンジンブロックに取り付けられ、冷却水をエンジン内部に送給するものである。尚、このウォータポンプの全体的な基本構成は従来の技術で説明した図７に示すものと同様であるため、この図７に示すものと同一機能部分については同一符号を付すものとする。
【００２３】
このウォータポンプの全体構成について簡単に説明すると、エンジンブロック（図示せず。）に結合されるハウジング１にはインペラ３が収容され、このインペラ３と外部の駆動プーリ５を連結するポンプシャフト４がハウジング１の側壁を貫通している。そして、ポンプシャフト４はプーリ取付部側が太軸部６、インペラ取付部側が細軸部７とされ、太軸部６が軸受８を介してハウジング１に回転自在に支持されると共に、細軸部７がハウジング１との間をメカニカルシール９によって液密に封止されている。
【００２４】
ウォータポンプにおける鳴き音の根本原因は、メカニカルシール９の摩擦トルクの速度特性における負の勾配であることが知られている（「メカニカルシールの鳴き現象とその防止に関する研究」〔１９９０年９月，九州大学博士学位論文，吉柳健二著〕の１０５頁等に記載。）が、この実施形態のウォータポンプは、液漏れ防止機能に影響するメカニカルシール９の摩擦特性については手を加えず、ポンプシャフト４を中心とする共振系を改善にすることによって鳴き音（スティック・スリップ自励振動。）の発生を抑えるようにしている。
【００２５】
本発明の発明者による研究によれば、ポンプシャフト４を中心とする共振系を構成する諸元のうちの以下に記載したＬ，Ｉim，ｎ，εs，ｄ，γd，ε1の各値が鳴き音の発生に直接関与することが理論的に判明され、（１）式のＡの値が９×１０4ｋｇ-0.5・ｍ-2.5以下になれば鳴き音の問題が生じないことが実験的に確認された。
【００２６】
Ｌ：ポンプシャフト４の全長
Ｉim：インペラ３のイナーシャモーメント
ｎ：駆動プーリ５とインペラ３とのイナーシャモーメント比（プーリイナーシャＩpu／インペライナーシャＩim）
εs：ポンプシャフト４上のインペラ３側の端部からメカニカルシール取付部までの距離とポンプシャフト４の全長Ｌとの比（シール取付位置／全長Ｌ）
ｄ：ポンプシャフト４の太軸部６の直径
γd：ポンプシャフト４の細軸部７と太軸部６との直径比（細軸部直径／太軸部直径）
ε1：ポンプシャフト４の太軸部６の長さと同シャフト４の全長Ｌとの比
【００２７】
【数２】
0004493142.tif 000003
【００２８】
【数３】
0004493142.tif 000004
【００２９】
このことからは、具体的には、ポンプシャフト４の全長Ｌを短く、インペラ３のイナーシャモーメントＩimを大きく、即ち、Ｌ／Ｉimを小さくすることが鳴き音の発生防止に有効であることが容易に想像できるが、ポンプシャフト４の全長Ｌは車両のエンジンルームの許容スペースから制約を受け、また、インペラ３のイナーシャモーメントＩimは車両から要求される吐出性能によって必然的に定まる値であるので設計的自由度はほとんど無い。これに対して（２）式のＢの値はウォータポンプの内部の寸法諸元によって構成されているので、メカニカルシール９の鳴き音を低減させるための最適設計が車両搭載上の制約を受けず可能である。
【００３０】
したがって、例えばポンプシャフト４のインペラ３側の端部からのメカニカルシール９の取付位置を図中左側に移動させてεsの値を大きくし、ポンプシャフト４の太軸部６の直径ｄを大きく、ポンプシャフト４の直径比γdを１に近付け、イナーシャモーメント比ｎを小さくする等によって鳴き音の発生を防止することができる。つまり、この場合、メカニカルシール９の取付位置を図中左側に移動させる（εsの値を大きくする。）ことによって、起振源であるメカニカルシール９の取付部をポンプシャフト４を中心とする共振系の固有振動モードの節点に近付けることが可能になり、さらに、太軸部６の直径ｄを大きくし、直系比γdを１に近付けることによって共振系の共振周波数を高めることが可能になると共に、イナーシャモーメント比ｎを小さくすることによって、共振系の固有振動モードを、節点がメカニカルシール９の取付位置に近付くような形に変えることが可能になる。
【００３１】
因みに、（１），（２）式のＬ，Ｉim，ε1の各値を調整することによってもＡの値を小さくすることができるが、ポンプシャフト４の全長Ｌを短くした場合には、共振周波数が高まり、インペラ３のイナーシャモーメントＩimを大きくした場合には、固有振動モードが変化する。また、太軸部６と全長Ｌの長さ比ε1を大きくした場合には、共振周波数と固有振動モードの両方が変化する。
【００３２】
ここで、図２はＡの値がほぼ１１×１０4（ｋｇ-0.5・ｍ-2.5）の従来タイプのウォータポンプの例（比較例）を示し、図３はＡの値がほぼ３×１０4（ｋｇ-0.5・ｍ-2.5）となるように設計した本発明にかかるウォータポンプの実施例を示すものである。
【００３３】
図３に示す実施例のものは、図２に示す比較例に対してメカニカルシール９の取付位置を図中左側に１０mm移動させることによってεsの値をほぼ０．１から０．２に変更すると共に、太軸部６の直径ｄを１５．９mmから１７．５mmに増大させ、さらに、駆動プーリ５を小型にかつアルミ化することによってイナーシャモーメント比ｎを約５から２に変更した。
【００３４】
図４と図５は、この比較例と実施例のものに対して夫々近接音の測定を行ったときの時間軸波形を示すものであり、これらの図を比較して明かなように、実施例のものにおいては鳴き音が消滅している。
【００３５】
次に、前述の（１）式のＡの値を９×１０4ｋｇ-0.5・ｍ-2.5以下にすることで、鳴き音の発生が防止できる、との結論を得るべく行われた台上実験について説明する。
【００３６】
まず、発明者の行った台上実験におけるＯＫ・ＮＧの判定方法と、台上実験の結果とポンプの実使用環境下における鳴き音の関係について説明する。
【００３７】
鳴き音の根本原因は、メカニカルシール９の摩擦トルクの速度特性における負の勾配であることは前述した通りであるが、シールの摩擦特性は水温とポンプシャフト４の回転数に関係し、水温が高く、シャフト回転数が低い場合に負勾配が大きくなり、鳴き音が発生し易いことが知られている。このため、表１に結果を示した台上実験では、水温が高い場合から低い場合、シャフト回転数が低い場合から高い場合までをマトリクスに条件分けし、夫々の条件下で鳴き音発生の有無を確認した。そして、この実験では全条件での鳴き音の発生の有無を確認し、鳴き音の発生した条件の数を全条件数で割った値を「台上鳴き率」と称して、鳴き音に関してのＯＫ・ＮＧの判定の目安とした。表１の例では全４２条件のなかで７つの条件で鳴き音が発生しているので、台上鳴き率は７条件／全４２条件＝１７％となる。
【００３８】
また、実際のポンプ使用環境での鳴き現象については、既に繰り返し行った実験の経験から、台上鳴き率が２０％以下であれば全く問題にならないものと判断された。したがって、ここでは実験でのＯＫ・ＮＧの判定基準を台上鳴き率２０％とした。
【００３９】
【表１】
0004493142.tif 000005
【００４０】
実際の実験においては、以上のような鳴き音のＯＫ・ＮＧ判定基準において、（１）式のＬ／Ｉimの値とＢの値を様々に変えたポンプに対して台上実験を行い、それぞれについてＯＫ・ＮＧの判定を行った。
【００４１】
以下の表２は、Ｌ／Ｉimの値の異なる４仕様のポンプに対して、シール取付位置と全長Ｌとの比εs，太軸部６の直径ｄ，イナーシャモーメント比ｎ等を変えることによってＢの値を種々に変化させ、夫々に対して台上実験を行ってＯＫ・ＮＧの判定を行った結果である。
【００４２】
【表２】
0004493142.tif 000006
【００４３】
図６は、Ｂの値を縦軸に、（Ｌ／Ｉim）0.5の値を横軸に夫々とり、種々のＡの値に対するＯＫ・ＮＧの判定結果を調べたものである。同図中には、表２で示した結果がプロットしてあり，そのうちの黒丸のプロットは台上鳴き率が２０％よりも大きいＮＧ判断を示し、白丸のプロットは台上鳴き率が２０％以下となるＯＫ判断を示す。このプロットを見て判るように、同図の左下側ではＡの値が小さく鳴き音が発生しにくく、逆に同図の右上側ではＡの値が大きく鳴き音が発生し易くなる。
【００４４】
図６中のプロットは一例であるが、実際にはさらに多くの条件で同様の台上実験を行い、その結果、鳴き音のＯＫ・ＮＧの境界値は９×１０4ｋｇ-0.5・ｍ-2.5（図６中の太線参照。）であり、鳴き音は、Ａの値が９×１０4ｋｇ-0.5・ｍ-2.5以下のときに確実に低減できるとの結論が得られた。
【００４５】
尚、本発明の実施形態は以上で説明したものに限るものでなく、例えば、（１）式のＡの値を小さくすべくメカニカルシール９の取付位置２０を駆動プーリ５側に移動させるときに、メカニカルシール９の摺動部材相互の接触面２１は一定位置にし、取付位置２０だけを駆動プーリ５側に移動させるようにしても良い。このようにした場合には、メカニカルシール９の実質的なシール位置は軸方向に移動しなくなり、ポンプ室２は軸受８側に必要外に膨出しなくなることから、ポンプ全体の小型・軽量化を図ることが可能になる。
【００４６】
また、Ａの値を９×１０4ｋｇ-0.5・ｍ-2.5以下に設定する場合に、インペラ３のイナーシャモーメントだけを大きくするようにすれば、インペラ３の交換のみによって対処することができる。とりわけ、このときインペラ３を鋳物にする等によって比重を増大させるようにすれば、既存のウォータポンプに対してほとんど寸法変更等の設計変更を行わずに鳴き音の発生を防止することができる。したがって、このようにした場合には、製造コストの高騰を最小限に抑えることが可能になる。
【００４７】
【発明の効果】
以上のように請求項１に記載の発明は、メカニカルシールを起振源とする自励振動の共振系を、鳴き音の発生を低減すべく適切に改善することができるため、メカニカルシールによる液漏れ防止機能の低下を招くことなく、鳴き音の発生を確実に防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示す側面図。
【図２】比較例を示す側面図。
【図３】本発明の実施例を示す側面図。
【図４】比較例の鳴き近接音の時間軸波形を示す図。
【図５】本発明の実施例における鳴き近接音の時間軸波形を示す図。
【図６】台上実験の結果を示すグラフ。
【図７】従来の技術を示す断面図。
【図８】従来の技術を示すメカニカルシールの断面図。
【符号の説明】
１…ハウジング
２…ポンプ室
３…インペラ
４…ポンプシャフト
５…駆動プーリ
６…太軸部
７…細軸部
８…軸受
９…メカニカルシール
【図１】
0004493142.tif 000008
【図２】
0004493142.tif 000009
【図３】
0004493142.tif 000010
【図４】
0004493142.tif 000011
【図５】
0004493142.tif 000012
【図６】
0004493142.tif 000013
【図７】
0004493142.tif 000014
【図８】
0004493142.tif 000015