本發(fā)明涉及燃料泵發(fā)動(dòng)機(jī)用層壓碳刷。

背景技術(shù)：

燃料泵發(fā)動(dòng)機(jī)用碳刷是在液體燃料中使用的，其相對(duì)于換向器滑動(dòng)。在刷與換向器之間存在液體燃料，電接觸是不穩(wěn)定的。因此，在刷與換向器之間容易產(chǎn)生火花，火花在刷與換向器段(segment of the commutator)分離的滑動(dòng)后端特別明顯。刷、換向器的滑動(dòng)后端由于火花而損傷、脫落，在滑動(dòng)面產(chǎn)生凹凸。因此，接觸變得更不穩(wěn)定，產(chǎn)生更大的火花，刷、換向器會(huì)在短時(shí)間內(nèi)異常磨損，產(chǎn)生所謂的異常磨損。刷、換向器的壽命是燃料泵的最重要功能，而由于近年來的燃料的多樣化和燃料泵的小型化、高輸出功率化，燃料泵發(fā)動(dòng)機(jī)多在高負(fù)荷狀態(tài)下進(jìn)行工作。因此，需要防止與火花相伴的異常磨損。

用于防止異常磨損的根本性對(duì)策是抑制火花。為了防止異常磨損，研究了通過向刷、換向器添加各種添加材料來提高耐磨損性。但是，提高耐磨損性與抑制火花是不同的。

示出相關(guān)的現(xiàn)有技術(shù)。專利文獻(xiàn)1(JP2012-50276A)提出了將低電阻層與高電阻層層壓而成的兩層的樹脂結(jié)合(resin bonded)的層壓碳刷。此處，樹脂結(jié)合是指未碳化的合成樹脂作為粘合劑起作用。對(duì)于碳刷來說，其具有基于成型時(shí)加壓方向的電阻率的各向異性，通常是沿著加壓方向的電阻率高，與加壓方向成直角的面內(nèi)上的電阻率低。專利文獻(xiàn)1的碳刷相對(duì)于圓筒狀換向器滑動(dòng)，使得換向器軸向的電阻率提高，使得與其成直角的方向上的電阻率降低。而且，高電阻層中的電阻率在換向器的周向例如為71000μΩ·cm，在軸向例如為760000μΩ·cm。此外，專利文獻(xiàn)1的碳刷并不是燃料泵發(fā)動(dòng)機(jī)用的，對(duì)火花未進(jìn)行研究。

現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)

專利文獻(xiàn)

專利文獻(xiàn)1：JP2012-50276A

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明所要解決的問題

本發(fā)明所要解決的問題在于：防止在液體燃料中使用層壓碳刷時(shí)產(chǎn)生火花和異常磨損。

用于解決問題的手段

本發(fā)明為液體泵發(fā)動(dòng)機(jī)用層壓碳刷，其特征在于，其在液體燃料中相對(duì)于盤狀換向器的滑動(dòng)表面滑動(dòng)，

其至少由低電阻層和高電阻層這兩層形成，

換向器旋轉(zhuǎn)時(shí)的周向的周向電阻率無論在低電阻層中還是在高電阻層中均比非周向電阻率高，上述非周向電阻率為換向器的徑向和與換向器的滑動(dòng)表面成直角的方向上的電阻率，

并且在高電阻層中的非周向電阻率為90000μΩ·cm以上。

本發(fā)明的液體泵發(fā)動(dòng)機(jī)用層壓碳刷(碳刷)是滑動(dòng)方向后端側(cè)為高電阻層、前端側(cè)為低電阻層的至少兩層的碳刷。此外，也可以在前端側(cè)設(shè)置高電阻層，由此制成使沿滑動(dòng)方向的中心部為低電阻層的三層以上的碳刷。通過使滑動(dòng)方向后端側(cè)為高電阻層，可以在從換向器段分離時(shí)緩慢地增加碳刷與段之間的電阻，由此防止火花。另外，層壓碳刷本身是公知的。

對(duì)換向器的周向追加了與滑動(dòng)相伴的前后關(guān)系的方向是滑動(dòng)方向。與周向成直角的方向是非周向，換向器的徑向和與滑動(dòng)面垂直的方向均為非周向。碳刷的電阻率與成型時(shí)的加壓方向有關(guān)，與加壓方向平行的方向?yàn)楦唠娮瑁⑶壹訅悍较蚶缭O(shè)定為與使用時(shí)的周向平行，與加壓方向成直角的方向?yàn)榈碗娮瑁⑶覟槭褂脮r(shí)的非周向。而且，與加壓方向成直角的兩個(gè)方向的電阻率基本相等，因此非周向的電阻率無論在換向器的徑向上還是在與滑動(dòng)面垂直的方向上均基本相等。

對(duì)于碳刷來說，滑動(dòng)方向的后端為高電阻層，并且周向的電阻率無論在低電阻層中還是在高電阻層中均比非周向的電阻率高，因此在沿著周向到碳刷的滑動(dòng)方向后端的路徑中導(dǎo)電性低。優(yōu)選換向器為圓盤狀并且換向器的滑動(dòng)表面為圓形。特別優(yōu)選換向器的滑動(dòng)面由碳形成并且換向器沿著圓盤的直徑方向被分割成多個(gè)段。

本發(fā)明使得碳刷的周向電阻率即沿著換向器的周向的電阻率比換向器的直徑方向的電阻率和與換向器表面成直角的方向的電阻率高。對(duì)于碳刷來說，其具有基于加壓方向的電阻率的各向異性，在以使換向器的周向?yàn)榧訅悍较虻姆绞竭M(jìn)行壓制時(shí)，可以使周向的電阻率比除此以外的非周向的電阻率高例如四倍以上。在提高周向的電阻率時(shí)，可以減小從低電阻層經(jīng)由高電阻層而流向換向器段的電流，由此可以抑制火花的產(chǎn)生。

如圖4所示，在增加高電阻層的電阻率(非周向的電阻率)的情況下，能夠使得將碳刷組裝到燃料泵發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)的火花能量減小。特別是，在將高電阻層的電阻率從70000μΩ·cm增加到100000μΩ·cm的情況下，能夠完全防止火花的產(chǎn)生。電阻率的上限沒有特別意義，但由于使得高電阻層為絕緣層是沒有意義的，因此例如為800000μΩ·cm以下，更具體來說為500000μΩ·cm以下。此外，高電阻層的周向的電阻率比非周向的電阻率高例如兩倍以上，例如高五倍左右。而且，高電阻層的周向的電阻率比非周向的電阻率高，例如優(yōu)選為4000000μΩ·cm以下，特別優(yōu)選為2500000μΩ·cm以下。

高電阻層優(yōu)選含有滑石、二硫化鉬、二硫化鎢、氮化硼、三氧化鉬、云母、高嶺土和蒙皂石等絕緣性無機(jī)層狀化合物。此外，絕緣性無機(jī)層狀化合物可以為一種化合物，也可以為多種化合物。蒙皂石例如為蒙脫石、貝得石、綠脫石、皂石、鋰蒙脫石、鋅蒙脫石、斯皂石。絕緣性無機(jī)層狀化合物由于硬度低，因此不易成為刷和換向器磨損的原因，并且由于為絕緣性，因此能夠提高高電阻層的電阻值。在絕緣性無機(jī)層狀化合物之中，滑石、二硫化鉬、二硫化鎢、氮化硼、三氧化鉬、云母、高嶺土和蒙皂石的硬度低，并且在汽油中和醇中穩(wěn)定。此外，由于是含有醇的燃料，因此不僅需要在汽油中的穩(wěn)定性，還需要在醇中的穩(wěn)定性。

在使高電阻層含有具有自潤(rùn)滑性的絕緣性無機(jī)層狀化合物時(shí)，能夠進(jìn)一步減少刷和換向器的磨損。這樣的材料例如有滑石、二硫化鉬、二硫化鎢、氮化硼、三氧化鉬和云母。

通過以例如粉體的形式加入絕緣性無機(jī)層狀化合物，能夠增加高電阻層的電阻率。另外，除此以外，也能夠通過向石墨加入無定形碳、改變石墨和無定形碳的粒徑以及改變樹脂粘結(jié)劑的含量等來改變電阻率。而且，為了使高電阻層的非周向電阻率例如為100000μΩ·cm以上，可以使高電阻層含有10質(zhì)量％以上且70質(zhì)量％以下的上述添加物。上述添加物之中最優(yōu)選的是硬度低的滑石。

低電阻層和高電阻層優(yōu)選都含有熱塑性樹脂特別是具有耐熱性和對(duì)于汽油和醇的耐久性的熱塑性樹脂作為粘合劑，例如含有聚苯硫醚(PPS)或者聚醚醚酮(PEEK)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚氧甲烯(POM)、聚酰亞胺(PI)等。這些熱塑性樹脂由于耐熱性高并且熱穩(wěn)定、對(duì)于汽油和醇的耐久性高，因此適合浸漬于液體燃料來進(jìn)行使用。

低電阻層的電阻率優(yōu)選低，在低電阻層中的非周向電阻率例如優(yōu)選為10000μΩ·cm以下，特別優(yōu)選為500μΩ·cm以上且10000μΩ·cm以下。低電阻層的周向電阻率為非周向電阻率的例如五倍左右，因此例如優(yōu)選為50000μΩ·cm以下，特別優(yōu)選為2500μΩ·cm以上且50000μΩ·cm以下。

發(fā)明效果

本發(fā)明通過防止火花的產(chǎn)生，能夠防止在燃料泵發(fā)動(dòng)機(jī)中的層壓碳刷和換向器的異常磨損。

附圖說明

圖1是一并示出實(shí)施例的燃料泵發(fā)動(dòng)機(jī)用層壓碳刷和換向器的側(cè)視圖。

圖2是一并示出實(shí)施例的燃料泵發(fā)動(dòng)機(jī)用層壓碳刷和換向器的俯視圖。

圖3是實(shí)施例的燃料泵發(fā)動(dòng)機(jī)用層壓碳刷的制造工序圖，其中，1)表示填充高電阻材料，2)表示填充低電阻材料，3)表示壓制，4)表示在熱塑性樹脂的熔點(diǎn)以上進(jìn)行熱處理，5)表示切削加工，6)表示安裝引線。

圖4是示出在以18V的直流電壓使燃料泵發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)層壓碳刷與換向器之間的火花能量的特性圖。

圖5是示出圖4的試驗(yàn)后的刷a的滑動(dòng)面的照片。

圖6是示出圖4的試驗(yàn)后的刷c的滑動(dòng)面的照片。

圖7是示出圖4的試驗(yàn)后的刷d的滑動(dòng)面的照片。

具體實(shí)施方式

下面，示出用于實(shí)施本發(fā)明的最佳實(shí)施例。本發(fā)明并不限于實(shí)施例，其是由權(quán)利要求書確定的，并且本領(lǐng)域技術(shù)人員可向?qū)嵤├尤牍?xiàng)目來進(jìn)行變形。

實(shí)施例

燃料泵發(fā)動(dòng)機(jī)用層壓碳刷的結(jié)構(gòu)

圖1、圖2示出燃料泵發(fā)動(dòng)機(jī)用層壓碳刷(碳刷)2和作為滑動(dòng)對(duì)象的換向器20。碳刷2從滑動(dòng)方向前端5起具備中央部的低電阻層4和滑動(dòng)方向后端9一側(cè)的高電阻層6，其中，在低電阻層4安裝有引線8。低電阻層4與高電阻層6的厚度之比優(yōu)選為10:1～2:1左右，碳刷的滑動(dòng)方向前端5(前端)和滑動(dòng)方向后端9(后端)根據(jù)換向器20的直徑方向而進(jìn)行了切割。

換向器20為盤狀，并且表面的滑動(dòng)面例如由碳形成，沿著周向被切斷成多個(gè)段22。段22之間存在間隙24，26為中心孔。換向器20的旋轉(zhuǎn)方向由圖1、圖2的空心箭頭來表示，相對(duì)于碳刷2將與旋轉(zhuǎn)方向平行的方向(周向)設(shè)定為x方向，將沿著換向器的滑動(dòng)表面23與x方向成直角的方向設(shè)定為y方向，將與換向器的滑動(dòng)表面23垂直的方向設(shè)定為z方向。y方向和z方向都為非周向。對(duì)于碳刷2的低電阻層4和高電阻層6來說，x方向的電阻率比y方向和z方向的電阻率高例如四倍左右，y方向的電阻率與z方向的電阻率基本相等。對(duì)于高電阻層6來說，x方向的電阻率比y方向和z方向的電阻率大四倍以上，例如大五倍以上。此外，29為段22的滑動(dòng)方向后端。

在圖1、圖2的狀態(tài)下，高電阻層6從段22a分離，低電阻層4開始與段22b接觸。而且，由于x方向的電阻率高，因此由段22a介由高電阻層6向低電阻層4的電流路徑的電阻高。由此，高電阻層6與段22a之間的電流變小，可抑制火花的產(chǎn)生。

通過使高電阻層6的電阻率比低電阻層4的電阻率高，在碳刷2從段22分離之時(shí)，可緩慢地減小電流，由此防止火花。而且，在燃料泵發(fā)動(dòng)機(jī)用的情況下，低電阻層4的電阻率通常優(yōu)選為10000μΩ·cm以下，實(shí)施例為2000μΩ·cm。此外，只要沒有特別說明，則電阻率是指非周向的電阻率。但是，由于以前從未對(duì)通過層壓碳刷來防止火花進(jìn)行過研究，因此不清楚當(dāng)使高電阻層6的電阻率為何種情況時(shí)能夠防止火花。所以，發(fā)明人如下那樣制造出對(duì)高電阻層6的電阻率進(jìn)行了各種變化的層壓碳刷，并對(duì)火花的產(chǎn)生狀況進(jìn)行了觀察。

碳刷的制造

將92質(zhì)量％的平均粒徑為30μm的天然石墨與8質(zhì)量％的平均粒徑為10μm的熱塑性樹脂(PPS)粉末混合，對(duì)粒度進(jìn)行調(diào)整，由此制成了平均粒徑為100μm的低電阻層用混合粉。就高電阻層用，制備了56質(zhì)量％的平均粒徑為30μm的天然石墨、8質(zhì)量％的平均粒徑為70μm的無定形碳和酚醛樹脂溶液的混合粉末。此外，酚醛樹脂的添加量相對(duì)于高電阻層材料的總量為8質(zhì)量％。將72質(zhì)量％的上述混合粉末與4質(zhì)量％的平均粒徑為10μm的熱塑性樹脂(PPS)粉末、24質(zhì)量％的平均粒徑為10μm的滑石粉末混合，對(duì)粒度進(jìn)行調(diào)整，由此得到平均粒徑為150μm的高電阻層用混合粉?；癁闊o機(jī)絕緣體，對(duì)于汽油和醇等燃料穩(wěn)定，莫氏硬度低，并且具有自潤(rùn)滑性。

為了使高電阻層的電阻率發(fā)生變化，改變滑石含量，由此得到了各種電阻率的高電阻層用混合粉。除此以外，改變無定形碳的含量、石墨和無定形碳的粒徑等，由此使高電阻層的電阻率發(fā)生了變化。另外，得到了代替滑石而含有二硫化鉬、二硫化鎢、氮化硼、三氧化鉬、云母的高電阻層用混合粉。也可以通過除了滑石含量以外的方法對(duì)電阻率進(jìn)行調(diào)整，但當(dāng)使用硬度低的滑石時(shí)，刷與換向器的磨損量少。

如圖3所示那樣，制造了碳刷2。向具備定模30和下部的動(dòng)模31的模具填充高電阻層用混合粉32，對(duì)低電阻層用混合粉34進(jìn)行層壓，使上部的動(dòng)模35下降，由此進(jìn)行壓制成型。壓制的加壓方向與高電阻層用混合粉32和低電阻層用混合粉34的界面成直角。在壓制成型后，加熱至比作為熱塑性樹脂的PPS的熔點(diǎn)280℃高的300℃，通過作為粘合劑的PPS來結(jié)合材料粉體。接著，根據(jù)換向器的形狀來加工成型體，安裝引線8，制成碳刷2。

試驗(yàn)

將所制得的碳刷2組裝到燃料泵發(fā)動(dòng)機(jī)，使其在普通汽油中工作。使燃料泵發(fā)動(dòng)機(jī)以高輸出功率工作，為了在容易產(chǎn)生火花的條件下進(jìn)行試驗(yàn)，以比通常的電池電源的12V高的18V的直流電源使燃料泵發(fā)動(dòng)機(jī)工作1小時(shí)。改變滑石含量，由此使碳刷2的高電阻層的電阻率(非周向電阻率)從2000μΩ·cm(僅低電阻層的單層刷)在235000μΩ·cm的范圍變化。

使用電流探頭和示波器對(duì)火花噪音進(jìn)行計(jì)測(cè)，由其波形計(jì)算出火花能量，并且對(duì)試驗(yàn)后的碳刷的滑動(dòng)面(與換向器的接觸面)進(jìn)行了觀察。測(cè)定了碳刷的磨損量和換向器的磨損量。發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率在進(jìn)行了試驗(yàn)的范圍與高電阻層的電阻率無關(guān)，是幾乎相同的。

結(jié)果示于圖4和表1。雖然當(dāng)高電阻層6的電阻率為約70000μΩ·cm以下時(shí)產(chǎn)生了火花，但當(dāng)為100000μΩ·cm以上時(shí)未產(chǎn)生火花。即，當(dāng)高電阻層6的電阻率在70000μΩ·cm與100000μΩ·cm之間時(shí)，火花的產(chǎn)生狀況發(fā)生了臨界變化。

試驗(yàn)后的試樣a、c、d中的滑動(dòng)面示于圖5、圖6、圖7。對(duì)于試樣a(圖5)和試樣c(圖6)來說，在滑動(dòng)方向后端觀察到嚴(yán)重的粗糙，但對(duì)于試樣d(圖7)來說，滑動(dòng)面在后端部是平滑的，未觀察到與火花相伴的磨損。另外，對(duì)于通過改變碳刷的加壓方向使得換向器的直徑方向的電阻率得以提高的試樣g來說，產(chǎn)生了火花，但對(duì)于除了加壓方向以外相同的試樣d來說，未產(chǎn)生火花。這表明了：通過提高周向的電阻率，能夠抑制火花。

表1

*1滑石含有率的單位為質(zhì)量％，

*2高電阻層的電阻率的單位為μΩ·cm，并且示出非加壓方向的電阻率和加壓方向的電阻率，

*3火花能量的單位為μA·ms，

*4刷磨損量和換向器磨損量的單位為mm，

*5試樣g為除了將y方向(非周向)作為加壓方向并增加電阻率以外與試樣d同樣地將周向作為加壓方向的比較例，

*6對(duì)于除了試樣g以外的各試樣來說，高電阻層的周向的電阻率為非周向的電阻率的約五倍，

*7各試樣均是低電阻層的非周向的電阻率為2000μΩ·cm、周向的電阻率為10000μΩ·cm。

此外，在加壓方向?yàn)橹芟虻那闆r下，就算通過滑石來調(diào)整電阻率，就算通過二硫化鉬等其它自潤(rùn)滑劑來調(diào)整電阻率，或者就算將石墨等的粒徑等加入電阻率的調(diào)整，當(dāng)使高電阻層的電阻率為100000μΩ·cm以上時(shí)，也不產(chǎn)生火花。

符號(hào)說明

2 燃料泵發(fā)動(dòng)機(jī)用層壓碳刷(碳刷)

4 低電阻層

5 滑動(dòng)方向前端

6 高電阻層

8 引線

9、29 滑動(dòng)方向后端

20 換向器

22 段

23 滑動(dòng)表面

24 間隙

26 中心孔

30 定模

31、35 動(dòng)模

32 高電阻層用混合粉

34 低電阻層用混合粉