CN101520004A - 非接触式传感器电子节气门体 - Google Patents

Abstract

一种非接触式传感器电子节气门体，属汽车发动机进气系统的节气门总成。节气门本体上安装有直流电机，电机齿轮与中间齿轮啮合，中间齿轮与安装在节气门轴上的扇形齿轮啮合；本体上位于扇形齿轮的转动位置上设置有两个突起的限位挡块；扭簧一端固定在本体上，另一端固定在扇形齿轮上，位于扇形齿轮与齿轮挡盖之间的另一扭簧一端固定在扇形齿轮上，另一端固定在齿轮挡盖上；齿轮挡盖卡在扇形齿轮的挂钩上；当节气门轴正转至全开位置时，扇形齿轮挡块抵到本体的限位挡块上，节气门轴反转至低怠速位置时，扇形齿轮挡块抵到本体的另一限位挡块上。当直流电机出现故障而无法正常工作时，节气门阀片在两个扭簧作用下总是处于高怠速状态，从而增加了发动机系统的安全性。

Description

非接触式传感器电子节气门体

技术领域

本发明涉及汽车发动机进气系统部件，具体来说涉及用于汽车发动机进气系统的节气门体总成技术领域。

背景技术

汽车发动机系统节气门体总成的作用是控制发动机的进气流量，决定发动机的运行工况。驾驶员通过操作油门踏板来操纵节气门开度。传统节气门体总成采用机械连接方式，通过拉杆或拉索传动连接油门踏板和节气门体总成，因此节气门开度完全取决于油门踏板的位置，即驾驶员的操作意图，但从动力性和经济性角度来看，发动机并不总是完全处于最佳运行工况，而且驾驶员的误操作也给安全性带来隐患。电子节气门体取消了传统的机械连接，通过电控单元驱动电子节气门体快速精确地开度到位。它的优点在于能根据驾驶员的需求以及整车各种行驶状况确定节气门的最佳开度，使发动机排放达到最佳，保证车辆最佳的动力性和燃油经济性，并具有牵引力控制、巡航控制等控制功能，提高安全性和乘坐舒适性。

电子节气门体的研究工作起源于20世纪70年代，80年代开始有产品问世，近10年来，国外对电子节气门的研究取得了非常迅速的发展。发展趋势可总结为：在控制策略上由线性控制发展为非线性控制，由辅助电子节气门发展为独立的电子节气门系统，从单一的控制功能发展到集成多种控制功能，兼顾提高动力性、经济性、操纵稳定性、排放性和乘坐舒适性。

目前，国外多家公司已对电子节气门系统作了深入的研发，比如德国Bosch，Pierburg，美国Delphi，Visteon，日本Toyota，Hitachi，Denso，意大利Marelli等已推出系列化产品应用于各种品牌的中高档轿车。国内某些轿车，如POLO，也配备了电子节气门系统.目前的电子节气门体的位置传感器大多采用接触式，其缺点是使用一段时间后会导致电阻膜的磨损而影响输出信号的精度，从而影响节气门阀片的旋转精度和整体的使用寿命。节气门驱动电机一般为步进电机或直流电机，两者的控制方式也有所不同。驱动步进电机常采用H桥电路结构，控制单元通过发出的脉冲个数、频率和方向控制电平对步进电机进行控制，其优点是精度较高、能耗低、位置保持特性较好，缺点是高速性能较差，不能满足节气门在较高的动态响应性能下的要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种非接触式传感器电子节气门体，以使节气门阀片在无电机驱动时总是处于高怠速状态，提高发动机系统的安全性。

本发明的目的是这样实现的：一种非接触式传感器电子节气门体，包括节气门本体，经轴承安装在节气门本体上的节气门轴，节气门阀片，电机，位置传感器，电机为直流电机；位置传感器为双反馈信号的非接触式位置传感器；节气门轴上安装有扇形齿轮，安装在电机轴上的电机齿轮与安装在本体上的中间齿轮啮合，中间齿轮与扇形齿轮啮合；节气门本体上位于扇形齿轮的转动位置上设置有两个突起的限位挡块；扭簧一端固定在本体上，另一端固定在扇形齿轮上，位于扇形齿轮与齿轮挡盖之间的另一扭簧一端固定在扇形齿轮上，另一端固定在齿轮挡盖上；齿轮挡盖卡在扇形齿轮的挂钩上；在自然状态下扭簧的扭力使齿轮挡盖挡块抵到本体的限位挡块上，节气门体处在高怠速位置(也可以说，使节气门阀片的开启对应于高怠速状态)，节气门轴正转至全开位置式，扇形齿轮挡块抵到本体的另一限位挡块(一个作用面)上，节气门轴反转至低怠速位置时，扇形齿轮挡块抵到本体的另一限位挡块(另一作用面)上(也可以说，扇形齿轮挡块反转至抵到限位挡块上而使节气门轴反转至低怠速位置)。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、构思巧妙、独特的结构设计，解决了电子节气门阀片在无电机驱动状态下自动处于高怠速位置。

当直流电机出现故障而导致无法正常工作时，节气门阀片在两个扭簧的共同作用下，总是处于高怠速状态，从而增加了发动机系统的安全性。

2、增强了直流电机安装的可靠性

采用非对称三孔压板以及精密定位圈、波形垫圈等零件，有效解决了外来振动，导致电机抖动而造成电机接头接触不可靠性、疲劳断裂等问题。而采用非对称三孔压板能防止电机安装位置出现错误。

3、节气门轴与传感器接口处采用扁槽紧配合结构，使传感器转子与节气门轴连接为一体，使传感器的输出信号能准确反映节气门阀片的开度位置。

4、由ECU，油门踏板位置传感器以及两路非接触式传感器组成对节气门开度的闭环控制系统，具有控制精度高(节气门轴转动精度)、反应灵敏的特点。

5、本发明电子节气门体采用直流电机，直流电机精度高、反应灵敏、便于伺服控制，控制直流电机采用脉冲宽度调制(PWM)技术，具有频率高、效率高、功率密度高、可靠性高的特点。

本发明目前提出一种全新的电子节气门体的设计方案，它采用双反馈信号的非接触式传感器，控制性能高的直流电机以及对电子节气门体整体的安装稳定性进行了优化，能提高对节气门阀片转动的控制精度，延长电子节气门体的使用寿命。

附图说明

图1是本发明电子节气门体的立体图；

图2是是本发明的主视图；

图3是本发明的剖视图(旋转180度)；

图4是齿轮端面视图；

图5是图3所示直流电机上安装精密定位圈和波形垫圈的主视图；

图6是图3所示扇形齿轮与齿轮挡盖之间安装另一弹簧的主视图；

图7是图6的俯视图；

图8是图3所示直流电机与节气门轴之间安装的齿轮传动机构的主视图；

图9是图2所示节气门轴的扁形接头插入传感器安装孔的扁形卡槽内的结构图；

图10是图2所示三孔压板的主视图。

具体实施方式

图1图2图3图4示出，本发明所提供的电子节气门体，包括节气门本体1，节气门阀片3，节气门轴2，传感器组件，电机组件(含直流电机5)，中间齿轮，扇形齿轮组件和扭簧。图4示出，位置阻挡机构主要由节气门轴、扇形齿轮11，扭簧8、扭簧9和节气门本体上的突起的两个限位挡块14、15组成。扭簧8的一端固定在节气门本体上，另一端固定在节气门轴上的扇形齿轮上，由于扭簧8的扭力使齿轮挡盖挡块17在自然状态下抵到本体的限位挡块14上，从而使节气门阀片保持在高怠速状态(也可以说，使节气门阀片的开启对应于高怠速状态)，当节气门轴正转至全开位置时扇形齿轮挡块13抵到本体的限位挡块15(一个作用面)上，扭簧9一端固定在扇形齿轮上，另一端固定在齿轮挡盖12上，且扭簧9位于二者之间。节气门轴反转至低怠速位置时扇形齿轮挡块16抵到本体限位挡块15(另一作用面)上。也可以说，扇形齿轮挡块反转至抵到限位挡块15上时，节气门轴反转至低怠速位置。扭簧8同时是一个复位弹簧。当电机出现故障导致无法正常工作时，节气门阀片可在扭簧8的扭力作用下自动恢复到高怠速状态。

图6所示：齿轮挡盖卡在扇形齿轮2个挂钩上。齿轮挡盖与节气门轴无直接连接，扇形齿轮与齿轮挡盖通过两挂钩挂接，扇形齿轮与节气门轴装配连接。齿轮挡盖与扇形齿轮之间装有压缩的扭簧9，由于扭簧9的弹力和扭力，使得扇形齿轮和齿轮挡盖两者之间的位置关系稳定。当节气门轴由自然状态(高怠速位置)正向转动时，扇形齿轮和齿轮挡盖一起随轴转动，当节气门轴反转时，扇形齿轮随节气门轴转动而齿轮挡盖无转动。

从图4中位置关系来看：限位挡块15位于扇形齿轮挡块13、16之间；限位挡块14、15(相互邻近面)夹角(如110度)略大于扇形齿轮挡块13、16间夹角(如95度)；限位挡块14、15自身内外作用面夹角为10度。

参见图5图6，直流电机5经非对称三孔压板6和精密定位圈20以及波形垫圈21安装固定在节气门本体1上：三孔压板经螺钉固定在本体上，并套接在电机前端面上，直流电机前端面上的两个电机插头从压板上的两个矩形孔中伸出，电机齿轮7从压板中心孔伸出，波形垫圈和精密定位圈安装在电机后端面。

压板采用非对称的三螺钉安装孔，安装在直流电机前端面，用以保持直流电机安装端面上的可靠性，利用压板和电机的结构配合，增加了压板安装防错设计，并使直流电机的安装位置具有唯一性。

装电机的腔体内使用精密定位圈和波形垫圈稳定电机底座，可以在保护电机的同时安装也不会损坏电机外壳，减缓电机振动和噪音问题，还可以改善由于过度振动造成电机接头接触不可靠性、疲劳断裂等问题。采用三螺钉孔的压板固定电机，增强了电机在安装面上的稳定性，防止由于振动从来导致电机抖动，同时利用压板和电机的安装配合，设计了安装防错结构。

参见图9，节气门轴2与非接触式位置传感器4(型号为HGE52-0-02)采用扁槽式连接：节气门轴的扁形接头插入传感器安装孔的金属扁形卡槽内，形成紧配合。节气门轴和传感器组件接口采用扁槽式连结，加强节气门轴和传感器组件接口连接可靠性。

图3中，节气门轴的轴向间隙控制机构：架设在两个轴承上的节气门轴上邻近轴承18的左端面位置处开有一个卡槽19，卡槽上套有一个卡圈，且卡槽的宽度略大于卡圈的厚度。二者的间隙即为节气门轴的最大允许轴向偏移量，即允许节气门轴有一个适量的偏移，同时又对其偏移构成一个限制。

本发明的工作过程如下：

节气门阀片固定在节气门轴上，并可以在本体进气通道里转动，用以改变节气门阀片的开度。节气门轴的传感器接口一端装有扇形齿轮和齿轮挡盖(扭簧9装在两者之间)。由于扭簧8的扭力作用和节气门体本体挡块14的阻挡作用，节气门阀片在自然状态保持在系统所要求的高怠速状态。直流电机装在电子节气门体本体上，直流电机上端装有电机齿轮，电机通过齿轮传递机构(电机齿轮7与中间齿轮10啮合，中间齿轮10与扇形齿轮11啮合)，带通(动)节气门轴的转动，从而控制节气门阀片的开度。节气门阀片正转最大可至系统所要求的全开状态，并且在节气门本体挡块15的阻挡下不能再正转。当直流电机出现故障而导致无法正常工作时，节气门阀片在扭簧8的扭力作用下可自动恢复到高怠速位置。节气门阀片反转最大可至全闭位置，在挡块15的阻挡下不能再反转。当直流电机出现故障而导致无法正常工作时，节气门阀片在扭簧9的扭力作用下可自动恢复到高怠速位置。两个扭簧的共同作用，使得节气门阀片在无电机驱动时处于高怠速状态，增加发动机系统的安全性。

整个电子节气门体控制系统的结构包括：1.油门踏板位置传感器(安装在驾驶室油门踏板附近)，2.电子节气门体总成，3.ECU(设置在汽车发动机控制系统内)。首先驾驶员踩下油门踏板时，油门踏板位置传感器由两个电位传感器组成，在相同的由ECU提供的基准电压(5V)下工作，随着油门踏板位置的改变，输出电压也发生相应的变化，由此产生油门踏板下踏量大小的电压信号输入ECU。和踏板位置传感器类似，节气门位置传感器也是由两路非接触式传感器组成，且由ECU提供相同的基准电压(5V)。当节气门阀片位置发生变化时，带动节气门轴转动，从而将与节气门轴转角变化相对应的传感器电压信号输入ECU。电子节气门体控制电机采用精度高、反应灵敏、便于伺服控制的直流电机。ECU是整个控制系统的中枢，由信号分析处理模块和直流电机驱动电路模块两部分构成。油门踏板位置传感器将电压信号输入给ECU后，ECU经过分析处理，并结合位置传感器输入到ECU的当前位置信号，得到节气门的最佳开度，并把相应的电压信号发送到直流电机驱动电路模块中，驱动控制直流电机通过脉冲宽度调制(PWM)使直流电机通过两级齿轮传递机构(如图所示电机齿轮与中间齿轮啮合，中间齿轮与扇形齿轮啮合，扇形齿轮与电机装配在一起，并能带动节气门轴转动)，从而使节气门达到最佳的开度位置。节气门位置传感器再把节气门的当前的开度信号反馈给节气门控制ECU内，形成闭环的位置控制。

节气门阀片3位置信号采用非接触式的双输出信号，两传感器输出电压反向变化，之和始终等于传感器输入电源电压，冗余设计增加系统安全性。

同时，电子节气门体总成可在装配完成后再对位置传感器的输出信号进行程序编程，可以消除由于装配产生的机械误差，提高电子节气门体总成的可靠性和稳定性。

Claims (6)

1、一种非接触式传感器电子节气门体，包括，节气门本体(1)，经轴承(18)安装在本体上的节气门轴(2)，节气门阀片(3)，电机，位置传感器，其特征是：所述电机为直流电机(5)，所述位置传感器为双反馈信号的非接触式位置传感器(4)；所述节气门轴(2)上安装有扇形齿轮(11)，安装在电机轴上的电机齿轮(7)与安装在本体(1)上的中间齿轮(10)啮合，中间齿轮与扇形齿轮啮合；本体上位于扇形齿轮的转动位置上设置有两个突起的限位挡块(14、15)；扭簧(8)一端固定在本体上，另一端固定在扇形齿轮(11)上，位于扇形齿轮与齿轮挡盖(12)之间的另一扭簧(9)一端固定在扇形齿轮上，另一端固定在齿轮挡盖(12)上；齿轮挡盖卡在扇形齿轮的挂钩上；在自然状态下扭簧(8)的扭力使齿轮挡盖挡块(17)抵到本体的限位挡块(14)上，而节气门轴处于高怠速位置，节气门轴正转至全开位置时，扇形齿轮挡块(13)抵到本体的限位挡块(15)上，节气门轴反转至低怠速位置时，扇形齿轮挡块(16)抵到本体的限位挡块(15)上。

2、根据权利要求1所述非接触式传感器电子节气门体，其特征是：所述直流电机(5)经非对称三孔压板(6)和精密定位圈(20)以及波形垫圈(21)安装固定在节气门本体(1)上：三孔压板(6)经螺钉固定在本体上，并套接在电机前端面上，直流电机前端面上的两个插头从压板上的两个矩形孔中伸出，电机齿轮(7)从压板中心孔伸出，波形垫圈和精密定位圈安装在电机后端面。

3、根据权利要求1所述非接触式传感器电子节气门体，其特征是：所述节气门轴(2)与非接触式位置传感器(4)采用扁槽式连接：节气门轴的扁形接头插入传感器安装孔的金属扁形卡槽内，形成紧配合。

4、根据权利要求1所述非接触式传感器电子节气门体，其特征是：所述节气门轴(2)上邻近轴承(8)左端面位置处开有一个卡槽，卡槽上套有一个卡圈(19)，且卡槽的宽度略大于卡圈的厚度。

5、根据权利要求1所述非接触式传感器电子节气门体，其特征是：所述的非接触式位置传感器(4)与节气门轴形成紧配合，节气门轴转动到一定角度时，位置传感器得到相应的位置开度信号，位置开度信号为具有冗余设计功能的双输出信号，并把位置开度信号以电压的形式传给ECU。

6、一种如权利要求5所述电子节气门体的自动控制系统的编程方法，其特征是：对所述非接触式传感器的双信号输出采用后编程方式：待电子节气门体总成装配完成以后，再对传感器输出信号进行编程。

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