JP5116795B2

JP5116795B2 - 燃料供給装置

Info

Publication number: JP5116795B2
Application number: JP2010097861A
Authority: JP
Inventors: 達郎永堀; 宏一尾島; 善彦大西
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2010-04-21
Filing date: 2010-04-21
Publication date: 2013-01-09
Anticipated expiration: 2030-04-21
Also published as: CN102235277A; JP2011226413A; CN102235277B

Description

この発明は、ポンプ装置のピストンを電動機駆動の回転斜板で往復運動させて、燃料を吸入吐出させる燃料供給装置に関するものである。この燃料供給装置は、アキシャルピストンポンプとも呼ばれている。

この種の従来装置としては、特許文献１に開示された燃料供給装置がある。その燃料供給装置は、吸入口，吐出口，電動機室及びポンプ装置室を持つハウジングを備え、前記電動機室側ハウジングには電動機を設け、前記ポンプ装置室内にはポンプ装置を設けている。前記電動機のシャフト（回転軸）は、電動機室を構成する円筒壁の両端部に配置されたベアリング軸受で回転自在に支承されている。軸受となるベアリングは、その内輪をシャフトに固定し、その外輪を電動機室の円筒壁の端部に固定している。

特開２００８−１５７０５５号公報

前述の燃料供給装置では、電動機のシャフトを軸受となるベアリングで支承しているため、ベアリングの搭載スペースを確保する必要があり、電動機室側ハウジングの全長が長くなっていた。また、軽量化、部品点数削減などの目的から、電動機室を樹脂で構成した場合、樹脂と金属製ベアリングとの線膨張係数（樹脂の場合、ガラス繊維による強化材では２０〜３０×１０^−６／℃に対して、金属は１１×１０^−６／℃である。）に差が生じることで、雰囲気温度によりベアリングの固定力が変化する問題があり、最悪、固定力が無くなる場合がある。また、ベアリングを燃料中で使用する場合、燃料に混ざった異物の侵入を防止するため、ベアリングにシール部材を使用したとき、ベアリングのロストルクが高くなり、電動機の消費電流が増加する問題が生じる。さらに、ベアリングを圧入する工程が必要となる分だけ組立工数が増え、コストが高くなる。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、部品点数が削減され、小型化される燃料供給装置を得ることを目的とするものである。

この発明に係わる燃料供給装置は、吸入口，吐出口を有し、両端部に端壁を有し、前記両端壁間に電動機室及びポンプ装置室を有する円筒状ハウジングと、前記ハウジングの前記電動機室に設けられた電動機と、前記ハウジングの前記ポンプ装置室内に設けられたポンプ装置とを備え、前記ポンプ装置はシリンダとピストンとを有し、前記ピストンを前記電動機の回転子のシャフトに固定された回転斜板で往復運動させて、燃料を前記吸入口から前記ポンプ装置室内に吸入し、前記吐出口から吐出させる燃料供給装置において、前記電動機の回転子のシャフトには、その軸方向の中央部に前記回転斜板が固定されると共に、
中央部に前記回転斜板を固定した前記回転子のシャフトは、前記シャフトの一端部を、前記電動機室側の前記ハウジングの前記端壁に設けた凹形状のホルダ軸受に、前記シャフトの他端部を、前記ポンプ装置の前記シリンダの凹部に固定したスリーブ軸受に、それぞれ回転自在に支承されるものである。

また、前記スリーブ軸受が固定される前記ポンプ装置の前記シリンダの凹部は、前記シリンダへの燃料の吸入通路と連通する通路であり、前記吸入通路と連通する通路と前記スリーブ軸受との間で燃料が流通するものである。

この発明の燃料供給装置によれば、部品点数が削減され、小型化される燃料供給装置を得ることができる。
また、スリーブ軸受を燃料の吸入通路と連通する通路に配置することにより、スリーブ軸受の摺動部の潤滑性を安定させることができ、スリーブ軸受の耐磨耗性を向上させることができる。

この発明の実施の形態１における燃料供給装置を示す断面図である。図１の断面図と共にその要部の断面を示す断面図である。実施の形態２における燃料供給装置とその要部を示す断面図である。実施の形態２における開き角度とロストルク比，接触部の接触応力（ヘルツ圧）の相関を示すグラフである。実施の形態３における燃料供給装置とその要部と参考要部を示す断面図である。実施の形態４における燃料供給装置とその要部を示す断面図である。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１における燃料供給装置を示す断面図である。図２は図１の断面図と共にその要部の断面を示す断面図である。燃料供給装置は、全体としてほぼ中空円筒形のハウジング１に、電動機室２とポンプ装置室３とを有し、電動機室側ハウジング６に電動機４を設け、ポンプ装置室３内にポンプ装置５を設けている。ポンプ装置５は電動機４によって駆動される。

ハウジング１は、ハウジング壁である円筒壁７および端壁８を有し、電動機室２内に電動機４の回転子９を収容した電動機室側ハウジング６と、円筒壁１０および端壁１１を有し、ポンプ装置室３内にポンプ装置５を収容したポンプ装置室側ハウジング１２とを備えている。電動機室側ハウジング６の開端には、ポンプ装置室側ハウジング１２の開端がカシメ等の適当な手段により強固に結合されていて、電動機室２とポンプ装置室３とが互いに連通している。ポンプ装置室側ハウジング１２の円筒壁１０には燃料の吸入口１３が設けられ、端壁１１には燃料の吐出口１４が設けられている。電動機室側ハウジング６は、開端でポンプ装置室側ハウジング１２に連通している他は閉じており、燃料が電動機室２にも入り込んでいる。

電動機２は、電動機室側ハウジング６の円筒壁７内に埋設された固定子１５と、電動機室２内に収容され固定子１５の回転磁束により回転させられる回転子９とを備えている。固定子１５はコアとコイルを有し、外部電源へのリード線１６と共に合成樹脂製の円筒壁７内に埋め込まれている。回転子９にはそのシャフト１７あるいはコアに永久磁石が接着剤あるいはインサート成形により固定されている。回転子９のシャフト１７は、円筒壁７の端壁８に配置されたホルダ軸受１８と、ポンプ装置５のシリンダ２０の中央部の凹部２１に固定されたスリーブ軸受１９より回転自在に支承されている。さらに、シャフト１７の軸方向の中央部のポンプ装置５側には、シャフト１７の軸方向に対して所定角度に傾斜した回転斜板２２が固定されている。そして、固定子１５と回転子９でＤＣブラシレスモータを構成している。ＤＣブラシレスモータの他、ステッピングモータを構成してもよい。

ポンプ装置５は、ポンプ装置室側ハウジング１２内に設けられたシリンダ（シリンダブロック）２０と、シリンダ２０に設けられシリンダ２０内で摺動してシリンダ２０内に可変容積のポンプ室を形成する複数のピストン２３（例として３個のピストン）とを備えている。シリンダ２０とこれに結合されたプレート２４には、ポンプ装置室３内の燃料をシリンダ２０内に供給するために吸入バルブ２５を有する吸入通路２６と、シリンダ２０内で圧縮された燃料を吐出させるために吐出バルブ２７を有する吐出通路２８とが設けられている。吸入バルブ２５の下流側のシリンダ２０の可変容積室で燃料増圧室を構成し、吐出バルブ２７の下流側で高圧燃料通路を構成する。吸入バルブ２５を有する吸入通路２６は、図２（ａ）のＡ−Ａ断面を示す図２（ｃ）に示すように、ピストン２３毎にそれぞれ設けられている。その内の１つの吸入通路２６はシリンダ２０の凹部２１と連通する軸心部にある。

各ピストン２３のシリンダ２０からの突出端には、ばね止め２９を有して圧縮ばね（リターンスプリング）３０が設けられていて、ピストン２３が電動機４のシャフト１７に固定されて回転する回転斜板２２に常時摺動可能に接触するようにしてある。吸入口１３からポンプ装置室３内に入った燃料は、電動機４が回転すると、回転斜板２２の回転によりピストン２３が順番にシリンダ２０内で往復運動するため、吸入バルブ２５を有する吸入通路２６を通ってシリンダ２０内に吸込まれ、シリンダ２０内から吐出バルブ２７を有する吐出通路２８を通って吐出口１４から吐出される。

電動機４の回転子９のシャフト１７の一端の端部３１を支承するホルダ軸受１８は、拡大断面である図２（ｂ）に示すように、凹部が略球面形状あるいは略円錐形状であるすべり軸受けであり、電動機室側ハウジング６の合成樹脂製の端壁８にインサート成形により埋め込まれている。ホルダ軸受１８に支承される回転子９のシャフト１７の一端の端部３１は球面形状であり、ホルダ軸受１８に当接している。電動機４の回転子９のシャフト１７の他端の端部３２は、円柱形状であり、シリンダ２０の燃料の吸入通路２６と連通する中央部（シリンダ２０の軸線を含む部分）の円柱状通路（凹部２１）に固定され、すべり軸受となる円筒状スリーブ軸受１９に回転自在に支承されている。

円筒状スリーブ軸受１９には、図２（ａ）（ｃ）に示すように、その外周に軸方向に等間隔にスリットが形成されており、円筒状スリーブ軸受１９の外周とシリンダ２０の前記円柱状通路との間で、燃料通路が確保され、吸入通路２６に連通している。なお、スリーブ軸受１９は、例えば、銅系焼結材で形成されている。前記回転斜板２２は、シャフト１７のホルダ軸受１８とスリーブ軸受１９間の軸方向の中央部のポンプ装置５側にシャフト１７に固定されている。

実施の形態１によると、シャフト１７の電動機４側の軸受をホルダ軸受１８で構成し、シャフト１７のポンプ装置５側の軸受をシリンダ２０の凹部に固定したスリーブ軸受１９で構成することで、電動機４の軸長を短くすることが可能となり、結果として燃料供給装置が小型化される。スリーブ軸受１９が固定されるシリンダ２０の凹部２１は、燃料の吸入通路２６と連通する中央部の円柱状通路であり、スリーブ軸受１９の摺動部の潤滑性を安定させ、スリーブ軸受１９の耐磨耗性を向上させることができる。また、前記円柱状通路を燃料が流れるので、燃料中に混じった砂や金属粉などの異物を流し去ることができ、異物のスリーブ軸受１９への噛み込みを防止することができる。さらに、ポンプ装置５、シャフト１７、電動機４と一方向からの組立が可能となることから生産性も向上する。

なお、シャフト１７の円柱径は、異物噛み込み時に発生するロストルクが電動機４発生トルクに対する影響を小さくするため、径を細く設定する方が有利となることから、シャフト１７はスリーブ軸受１９に保持される箇所が、電動機４の回転子９の箇所の円柱径より細く設定されている。また、図２（ｂ）に示すように、ホルダ軸受１８の凹部の球面の径Ｒは、シャフト１７の端部３１の球面の径ｒより大となるように設定するが、シャフト１７の球面の径に対する比率を大きくするとシャフト１７との接触圧が高くなり過ぎ、小さくし過ぎると球面間の隙間が無くなり、潤滑不足により摩耗が生じる。特にガソリンなどの低粘性流体で潤滑させる場合は、潤滑不足になり易い。そのため、実施の形態１では、ホルダ軸受１８の凹部の球面の径Ｒをシャフトの端部３１の球面の径ｒに対し、比率で１０％〜２０％程度の大に設定することが有効である。

実施の形態２．
図３は実施の形態２における燃料供給装置とその要部を示す断面図であり、図３（ａ）は燃料供給装置の断面図、図３（ｂ）はホルダ軸受１８部を説明する拡大断面図である。なお、各図をとおして、同一符号は同一又は相当部分を示す。実施の形態１と異なる部分を説明する。シャフト１７の一端の端部３１の球面に対して、凹形状のホルダ軸受１８の軸受面を略円錐形状とすることで、シャフト１７とホルダ軸受１８との接触部が円形となる。そのため両者の接触部の接触圧力が下がり、且つ、ホルダ軸受１８が、シャフト１７に対し調芯力を発生させることで、シャフト１７の回転を安定させることが可能となる。接触圧力と調芯力は円錐の開き角度により調整可能である。アキシャルピストンポンプの場合、ピストン２３から発生する軸方向の力はシャフト１７を介してホルダ軸受１８で受けることになるため、開き角度を小さくした場合、シャフト１７に発生するロストルクが増大し、電動機４の消費電流が増大し、発熱などの問題が生じる。図４は開き角度（θ°）とロストルク比（Ｔ_ｌｏｓｓ（θ°）／Ｔ_ｌｏｓｓ（０°））の相関、及び開き角度と接触部の接触応力（ヘルツ圧（ＭＰａ））の相関を示したグラフである。開き角度を大きくすることで接触径を小さくすることが可能であり、ロストルク比を減少させることが可能となる。アキシャルピストンポンプの場合、ホルダ軸受１８でのロストルクによる消費電流を抑えるため、ロストルクは全トルクの４０％以下にすることが望ましく、開き角度は１００°以上とする。逆に開き角度を大きくした場合、形状ばらつきにより局部接触、例えば１点及び２点接触となりやすい。シャフト１７の挙動が安定する３点以上の接触を確保するためには実験結果より１６０°以下が望ましい。上記より、実施の形態２では、開き角度を１００°〜１６０°に設定することが有効である。

接触部の接触径とロストルク、接触応力の関係は次のとおりである。
φＤ＝２・ｒ・cos(θ/2)
但し、φＤ：接触径
ｒ：シャフトの端部の球面の半径
θ：ホルダ軸受の開き角度
ロストルク＝μ・ｆ１・φＤ
但し、ｆ１：接触部に発生した荷重Ｆの軸方向成分
μ：シャフトとホルダ軸受間の摩擦係数

但し、ｍ：シャフト及びホルダのポアソン比
Ｅ：シャフト及びホルダのヤング率
Ｆ：接触面に垂直な方向の成分の力

実施の形態３．
図５は実施の形態３における燃料供給装置とその要部と参考要部を示す断面図であり、図５（ａ）は燃料供給装置の断面図、図５（ｂ）はホルダ軸受１８部を説明する拡大断面図、図５（ｃ）はホルダ軸受１８部を説明する参考拡大断面図である。実施の形態２に示したように、シャフト１７の調芯力をホルダ軸受１８の円錐形状の開き角度で調整するが、電動機４の回転を安定させるために開き角度を小さくし過ぎると、シャフト１７とホルダ軸受１８の接触部で発生するロストルクが増大する問題が生じる。しかし、開き角度を大きくすると調芯力が低下するため、スリーブ軸受１９とホルダ軸受１８の位置精度（組付け精度）を高くして、シャフト１７の芯ズレを抑制する必要があった。

また、シャフト１７の芯ズレに対し、シャフト１７の端部３１の球面付近の円筒部に対し、図５（ｃ）に示すように、所定のクリアランスにて円筒状のガイド３４を設置した場合、ガイド３４となる円筒部の深さが深くなることから、加工方法、加工精度の制約があり、コスト的に不利になる。それに対し、実施の形態３では、ホルダ軸受１８に支承される電動機４の回転子９のシャフト１７の端部３１を球面にし、凹形状のホルダ軸受１８の軸受面を二段形状にし、前記一段目は円錐形状とし、これに続く前記二段目は円錐台形状にした。前記二段目の円錐台形状の開き角度を一段目の円錐形状の開き角度より小さく、且つ、シャフト１７の端部３１の球面から所定のクリアランスで配置することで、芯ズレ抑制及び加工方法の選択が広がる。例えば、焼結材で製造可能となれば、コスト低減も可能となる。

なお、実施の形態３では、具体的には一段目の円錐形状のテーパ部の開き角度θ_１は１００°〜１６０°であり、二段目の円錐台のテーパ部の開き角度θ_２は７０°〜３０°が有効である。

実施の形態４．
図６は実施の形態４における燃料供給装置とその要部を示す断面図であり、図６（ａ）は燃料供給装置の断面図、図６（ｂ）はホルダ軸受１８部の拡大断面図である。実施の形態１と異なる部分を説明する。ホルダ軸受１８の軸受面の中央部に、シャフト１７とホルダ軸受１８との接触部の径よりも小径となる位置に、逃し穴３５を設置することにより、シャフト１７とホルダ軸受１８との接触部に燃料中の異物を噛み込んだ場合、逃し穴３５が異物の溜まりとなり、ホルダ軸受１８の摩耗を抑制することが可能となる。なお、この場合、シャフト１７とホルダ軸受１８の接触部の径φＤより逃し穴３５の径φｄを小さくすることが好適である。

１ハウジング２電動機室
３ポンプ装置室４電動機
５ポンプ装置６電動機室側ハウジング
７円筒壁８端壁
９回転子１０円筒壁
１１端壁１２ポンプ装置室側ハウジング
１３吸入口１４吐出口
１５固定子１６リード線

１７シャフト１８ホルダ軸受
１９スリーブ軸受２０シリンダ
２１凹部２２回転斜板
２３ピストン２４プレート
２５吸入バルブ２６吸入通路
２７吐出バルブ２８吐出通路
２９ばね止め３０圧縮ばね
３１端部３２端部
３３スリット３４ガイド
３５逃し孔

Claims

吸入口，吐出口を有し、両端部に端壁を有し、前記両端壁間に電動機室及びポンプ装置室を有する円筒状ハウジングと、前記ハウジングの前記電動機室に設けられた電動機と、前記ハウジングの前記ポンプ装置室内に設けられたポンプ装置とを備え、前記ポンプ装置はシリンダとピストンとを有し、前記ピストンを前記電動機の回転子のシャフトに固定された回転斜板で往復運動させて、燃料を前記吸入口から前記ポンプ装置室内に吸入し、前記吐出口から吐出させる燃料供給装置において、
前記電動機の回転子のシャフトには、その軸方向の中央部に前記回転斜板が固定されると共に、
中央部に前記回転斜板を固定した前記回転子のシャフトは、
前記シャフトの一端部を、前記電動機室側の前記ハウジングの前記端壁に設けた凹形状のホルダ軸受に、
前記シャフトの他端部を、前記ポンプ装置の前記シリンダの凹部に固定したスリーブ軸受に、それぞれ回転自在に支承されることを特徴とする燃料供給装置。
前記スリーブ軸受が固定される前記ポンプ装置の前記シリンダの凹部は、前記シリンダへの燃料の吸入通路と連通する通路であり、前記吸入通路と連通する通路と前記スリーブ軸受との間で燃料が流通することを特徴とする請求項１記載の燃料供給装置。
凹形状の前記ホルダ軸受の球面の径Ｒは、前記ホルダ軸受に支承される前記電動機の前記回転子の前記シャフトの前記一端部の球面の径ｒに対して、１０％〜２０％大である請求項１又は請求項２記載の燃料供給装置。
前記ホルダ軸受に支承される前記電動機の前記回転子の前記シャフトの前記一端部を球面にし、凹形状の前記ホルダ軸受の軸受面を円錐形状にし、前記軸受面の円錐の開き角度を１００°〜１６０°にした請求項１又は請求項２記載の燃料供給装置。
前記ホルダ軸受に支承される前記電動機の前記回転子の前記シャフトの前記一端部を球面にし、凹形状の前記ホルダ軸受の軸受面を一段目とこれに続く二段目を有する二段形状にし、前記一段目は円錐形状とし、これに続く前記二段目は円錐台形状にしたことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の燃料供給装置。
前記一段目の円錐形状の開き角度を１００°〜１６０°にし、これに続く前記二段目の円錐台形状の開き角度を７０°〜３０°にしたことを特徴とする請求項５記載の燃料供給装置。
凹形状の前記ホルダ軸受の軸受面の中央部に、異物を取り込む逃し穴を形成したことを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の燃料供給装置。