CN103233934A - 双自由度力矩马达驱动的力反馈型电液比例阀 - Google Patents

Abstract

双自由度力矩马达驱动的力反馈型电液比例阀，由阀本体部分和力矩马达构成，阀本体部分包括阀体、阀芯和阀套，阀套密封安装在阀体内，阀芯可转动并可轴向滑动地安装在阀套内，阀体的左端安装压板；阀套的内表面上开设有感受油液压力的直槽，一端和敏感腔相通，另一端与高压孔和低压孔构成阻力半桥；力矩马达的衔铁设置在上导磁体和下导磁体的极靴之间，衔铁左右两臂平面与极靴末端平面平行，衔铁驱动阀芯在一定角度范围内绕阀芯轴线旋转的同时，还可以沿阀芯轴线方向平动；衔铁的左右两臂侧面均安装弹簧杆。

Description

双自由度力矩马达驱动的力反馈型电液比例阀

技术领域

本发明属于流体传动及控制领域中的电液比例阀，尤其涉及一种双自由度力矩马达驱动的力反馈型电液比例阀。

背景技术

在阀的实际结构中，考虑到加工的便利性，阀芯一般会采用圆柱体的结构以便和阀体上的阀芯孔相配合构成阀口。由于圆柱滑阀的阀芯具有径向的旋转运动和轴向的直线运动两个自由度，且这两个自由度之间不相互干涉，因而可以用这两个运动自由度分别实现先导级和主阀的功能，一般可用阀芯的旋转运动实现先导级的功能，而用直线运动来实现主阀的开口，这是因为滑阀阀口的面积梯度可以做的很大，且阀芯在阀孔中也较容易与端盖等配合形成所谓的敏感腔。

浙江工业大学长期从事新型流体控制元件的研究，针对电液流量伺服阀，提出了2D阀的新结构，其基于独特的液压伺服螺旋机构（发明专利授权号200910153014.6），将原本在物理上分离的液压先导级和功率级合二为一，大大简化了阀的结构，降低了成本，视其应用场合不同可用来构成2D电液换向阀、2D电液比例阀和2D电液伺服阀等从低端到高端的全系列电液控制元件，特别是将其用来代替价格昂贵且需要进口的三级大流量电液伺服阀，构成具有自主知识产权的高频大流量2D电液伺服阀，具有特别重要的工程实用价值。

然而为了形成液压伺服螺旋机构，需要在2D阀阀套的内表面上加工出空间螺旋槽，而这需要三轴以上的国外进口电火花机床才能加工，不但加工时间长，而且生产成本很高，这对于定位于高端应用场合的伺服阀尚可忍受，但如果要将2D阀结构用于比例阀或者换向阀，就无法实现廉价大规模的生产，导致产品失去市场竞争力。

为了克服原有的2D阀阀套上空间螺旋槽加工困难、成本高，较难应用于比例阀的问题，浙江工业大学也曾提出过一种2D液压助力电液比例换向阀的方案（发明专利申请号：201210136156.3），其由阀本体、压扭联轴器和普通工业用比例电磁铁（或其它线性电-机械转换器）三部分共轴联接而成，由于阀套上不再采用空间螺旋槽设计，而改成简单的直槽形式和阀芯上的高低压孔构成液压阻力半桥来控制敏感腔的压力，因此需要压扭联轴器来将比例电磁铁的推力转换为作用于阀芯的正向或反向扭矩，驱动阀芯转动，同时形成阀芯位移与直槽和高低压孔遮盖面积之间差值的负反馈，从而构成阀芯的旋转和平动的双运动自由度来实现导控型电液比例换向（节流）阀功能，由阀芯转动使液压阻力桥路输出压力发生变化，进而产生静压力驱动阀芯轴向运动。和传统的比例阀相比，该2D液压助力电液比例换向阀原理先进，在高压大流量下仍可以采用单级结构，但不足之处在于需要额外增加一个压扭连轴器，其结构和加工工艺均较为复杂，从而增加了阀的成本。

发明内容

为了克服原有2D液压助力电液比例换向阀需要压扭联轴器、结构复杂、成本高的问题，本发明提供一种双自由度力矩马达驱动的电液比例阀，其保留了原有2D液压助力电液比例换向阀全部优点的同时，去掉了结构复杂的压扭联轴器，从而大大简化了整个阀的结构（整个阀只有力矩马达和阀本体两部分），减少了零件数，降低了成本，是用来构成比例阀的理想方案。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

双自由度力矩马达驱动的电液比例阀,由阀本体部分和作为电-机械转换器的双自由度力矩马达构成，所述阀本体部分包括阀体、阀芯和阀套，所述阀套密封安装在阀体内，所述阀芯可转动并可轴向滑动地安装在阀套内；

阀套左端安装后盖板，阀芯左端安装堵头，阀芯右端安装有同心环和右塞环；

阀芯、阀套、堵头和后盖板配合构成敏感腔，靠近敏感腔端的阀芯台肩表面上开设有高低压孔；阀套的内表面上开设有感受油液压力的直槽，其一端和敏感腔相通，另一端与高压孔和低压孔构成阻力半桥；

阀的右腔通过小孔b，经阀芯杆内通道和小孔a与进油P口相通；

阀体的右端安装所述的力矩马达，所述的力矩马达包括衔铁、上导磁体、下导磁体、永磁体、弹簧杆、侧盖板、衔铁外壳、线圈、压套和压板等部件构成；所述的衔铁设置在上导磁体和下导磁体的极靴之间，极靴末端所在平面与水平面成倾角；所述衔铁是扁平长条状结构的良导磁体，衔铁与阀芯伸出端连接，衔铁左右两臂平面与极靴末端平面平行，衔铁驱动阀芯在一定角度范围内绕阀芯轴线旋转的同时，还可以沿阀芯轴线方向平动；

衔铁的左右两臂侧面均安装弹簧杆，弹簧杆的另一端连接衔铁外壳两端的侧盖板，弹簧杆的弹性力矩与力矩马达电磁力矩之间产生相互作用以确保衔铁不被上下导磁体的极靴吸附，同时起到对中作用。

阀芯台肩表面上开设有两对相同的轴对称的高低压孔，阀套的内表面上开有一对轴对称的直槽。

阀右腔的面积是左敏感腔d的一半，在静态时左敏感腔d的压力为进油P口压力的一半。

所述的阀芯上从左到右设置有四个轴肩，其中中间的两个轴肩位于进油P口的左右两端。

本发明提供一种双自由度力矩马达驱动的电液比例阀，其不再需要结构复杂的压扭联轴器，而代之以设计独特的双运动自由度力矩马达，可同时轴向平动和径向转动，来直接驱动阀芯实现阀芯旋转角度和轴向位移之间的转换，同时形成阀芯位移与直槽和高低压孔遮盖面积之间差值的负反馈，这种阀在保留了原有2D液压助力电液比例换向阀全部优点的同时，去掉了结构复杂的压扭联轴器，从而大大简化了整个阀的结构，整个阀只有力矩马达和阀本体两部分，减少了零件数，降低了成本，是用来构成比例阀的理想方案。

本发明的有益效果体现在：采用设计独特的双运动自由度力矩马达，可同时轴向平动和径向转动，来直接驱动阀芯实现阀芯旋转角度和轴向位移之间的转换，同时形成阀芯位移与直槽和高低压孔遮盖面积之间差值的负反馈，这种阀在保留了原有2D液压助力电液比例换向阀全部优点的同时，去掉了结构复杂的压扭联轴器，从而大大简化了整个阀的结构，整个阀只有力矩马达和阀本体两部分，减少了零件数，降低了成本，是用来构成比例阀的理想方案。

附图说明

图1和图2所示为本发明的结构原理示意图；

图3所示为双自由度力矩马达去掉压板后的整体装配图；

图4所示为阀芯26的结构示意图；

图5所示为阀套25的结构示意图；

图6所示为衔铁7的结构示意图；

图7所示为上导磁体30的结构示意图；

图8所示为衔铁外壳12的结构示意图；

图9所示为弹簧杆6的结构示意图；

图10所示为侧盖板3的结构示意图；

图11所示为压套34的结构示意图；

图12所示为压板33的结构示意图；

图13所示为双自由度力矩马达装配完毕后，衔铁7的两臂平面与上导磁体30和下导磁体11上的极靴平面之间的位置关系示意图；

图14、图15(a)～15(c)和图16(a)～16(c)为双自由度力矩马达驱动的电液比例阀的工作原理示意图。

本实施例以阀芯直径为12.5mm的双自由度力矩马达驱动的电液比例阀为例，结合附图对本发明作进一步说明。

如图1和图2所示，一种双自由度力矩马达驱动的电液比例阀，其主要由阀本体部分和作为电-机械转换器的双自由度力矩马达构成。所述阀本体部分主要由阀体24、阀芯26、阀套25、后盖板21、堵头23、右塞环29、同心环27、O型密封圈22、19、18、17、16、15、14、13和28等构成。阀芯26、阀套25、堵头23和后盖板21配合构成敏感腔，堵头和阀套之间通过O型密封圈22密封。靠近敏感腔端的阀芯26台肩表面上开设有两对相同的轴对称的高低压孔，图3所示为其中的一对高低压孔，f为高压孔，c为低压孔；阀芯26装于阀套25中，阀套25和阀体24之间通过O型密封圈19、18、17、16和15密封，阀芯26上装有同心环27和右塞环29，同心环27和阀套25之间通过O型密封圈14密封，右塞环29和阀体24之间通过O型密封圈28密封。阀套25的内表面上开设有一对轴对称的直槽，该直槽起到感受油液压力的作用，其一端和敏感腔相通，另一端与高低压孔构成阻力半桥，图4所示为其中的一条直槽e，与传统2D阀阀套的空间螺旋槽相比，该直槽加工简便快捷，成本很低，符合比例阀的要求。

如图5～图13所示，所述双自由度力矩马达主要由衔铁、上导磁体、下导磁体、永磁体、弹簧杆、侧盖板、衔铁外壳、线圈、压套和压板等部件构成。所述衔铁7为扁平长条状结构的良导磁体，其左右两臂平面与水平面需要成一定角度的倾角，从而实现其可驱动阀芯26在一定角度范围内绕阀芯轴线旋转的同时，还可以沿阀芯轴线方向平动；为增大其与上导磁体30和下导磁体11极靴的正对面积，从而增大输出力矩，同时减小转动惯量以实现双自由度力矩马达的高频响，设计时可以适当加大衔铁7沿整个阀的轴向方向的长度，同时尽量控制其宽度；衔铁7通过中心的通孔与阀芯26实现过盈配合，从而使阀芯26与衔铁7成为一个整体实现双自由度运动。

所述衔铁7的左右两臂侧面各开有一个小孔用于安装两根弹簧杆；图9所示为其中的一根弹簧杆6，另一根弹簧杆与其结构完全相同，弹簧杆与衔铁7连接的一端呈圆柱状，与侧盖板连接的一端成球状；所述弹簧杆一端插入衔铁7左右两臂侧面的小孔中，另一端插入安装于衔铁外壳12两端的侧盖板35和3的中心沉孔中；在力矩马达的工作过程中，通过弹簧杆的弹性力矩与力矩马达电磁力矩的相互作用，使衔铁7的转角限制在一定范围内以防止被上导磁体30和下导磁体11的极靴吸附，同时弹簧杆也用来限制衔铁7的转角幅度，从而起到对中的作用；另外，为了防止磁路短路，弹簧杆需要采用非导磁材料制成。

图8所示为上导磁体30，下导磁体11与其结构完全相同。所述上导磁体30和下导磁体11均为良导磁体制成，其极靴末端所在平面与水平面成一定角度的倾角，该角度与衔铁7左右两臂平面的倾角角度相同，从而使得极靴末端平面与衔铁7左右两臂平面相互平行，构成了一种特殊的斜面伺服结构以实现阀芯对力矩马达的力反馈功能。

所述衔铁外壳12为非导磁体制成，其上平面开有两个与下底面贯穿的通孔，该通孔两端为半圆形，中间是长条矩形的形状。该通孔用于安装上导磁体30和下导磁体11，衔铁外壳12的外表面开有两道对称的槽用于绕制两个控制线圈，图2中示出了右线圈5，左线圈与其完全相同。

双自由度力矩马达依靠永磁体的极化磁场和线圈电流的控制磁场差动叠加工作，所述永磁体共有四块，分别两两安装在衔铁外壳12的前后表面，图3示出了安装于衔铁外壳12前面的两块永磁体32和36，安装于衔铁外壳12后面的两块永磁体与其完全相同。

为使得衔铁7及阀芯26等能够浸泡在油液中，同时防止油液从衔铁腔中泄漏出来，从而使得力矩马达具有湿式耐高压能力，所述上导磁体30和下导磁体11上围绕圆柱形极靴各开有两个用于安装O型密封圈的槽，槽的形状与极靴形状相同，从而使得上导磁体30、下导磁体11与衔铁外壳12形成静密封，防止衔铁腔中的油液从导磁体与衔铁外壳的缝隙中泄漏出来；而安装于衔铁外壳12左右两端的两块侧盖板35和3上也开有两个用于安装O型密封圈的槽，该槽两端为半圆形，中间是长条矩形的形状，如此使得侧盖板与衔铁外壳形成静密封，防止衔铁腔中的油液从衔铁外壳12的左右两端泄漏出来；另外衔铁外壳12的外表面上开有一个环形槽用于安装O型密封圈13，从而使得力矩马达与阀本体之间形成静密封，防止油液经两者之间的间隙泄漏。

当永磁体、上导磁体、下导磁体、衔铁外壳、衔铁及阀芯组件和侧盖板安装完后，整个力矩马达依靠左右两侧的压套34和31以及压板33装配成整体，并用四根螺钉将力矩马达与阀本体部分相连接。

本发明的工作原理：如图14所示，阀的右腔通过小孔b，经阀芯杆内通道和小孔a与进油P口（系统压力）相通，其面积为左敏感腔d的一半；左敏感腔d的压力由开设在阀芯左端台肩上的一对高低压孔f和c与开设于阀套内表面的直槽e相交的两个微小弓形面积串联的液压阻力半桥控制。设计时将阀右腔的面积定为左敏感腔d的一半，在静态时若不考虑摩擦力及阀口液动力的影响，左敏感腔d的压力为进油口压力（系统压力）的一半，阀芯轴向保持静压平衡，与直槽e相交的高低压孔两侧的遮盖面积相等。

当控制线圈中通入电流，双自由度力矩马达带动阀芯克服阀芯与阀套之间的液压卡紧力以逆时针的方向（沿平行纸面向下）旋转直到弹簧杆的径向弹性力矩和电磁力矩相平衡，此时力矩马达的衔铁处于一个平衡状态，如图15(a)所示，而与此同时阀芯的旋转使得其高压孔f与直槽e的遮盖面积增大、低压孔c与直槽e的遮盖面积减小，如此导致左敏感腔的压力升高，并推动阀芯水平右移，而阀芯的右移也带动了双自由度力矩马达的水平右移，从而使力矩马达衔铁两臂与上下导磁体极靴之间的气隙发生变化，其中衔铁与上导磁体极靴的气隙g1增大，与下导磁体极靴相对应的气隙g2减小，如图15(b)所示；气隙的变化使双自由度力矩马达的电磁力矩减小，破坏了弹簧杆径向弹性力矩和电磁力矩之间的平衡状态，从而引起衔铁反方向转动，即带动阀芯顺时针方向（沿平行纸面向上）转过一个角度直到气隙g1与气隙g2恢复到阀芯轴向移动前的状态，而此时阀芯上的高低压孔f和c又回到直槽e的两侧，两者与直槽形成的遮盖面积相等，左敏感腔的压力恢复为进油口压力（系统压力）的一半，阀芯保持轴向力平衡，此时阀芯的轴向位移对应一定的输出流量，在负载压力为定值时，阀的流量与输入电信号成正比，如图15(c)所示。如果初始状态时力矩马达通电带动阀芯是以顺时针的方向（沿平行纸面向上）旋转，也可以采用同样的方法来分析，如图16(a)～16(c)所示。

上述具体实施方式用来解释本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (4)

1.双自由度力矩马达驱动的电液比例阀,其特征在于：由阀本体部分和作为电-机械转换器的双自由度力矩马达构成，所述阀本体部分包括阀体、阀芯和阀套，所述阀套密封安装在阀体内，所述阀芯可转动并可轴向滑动地安装在阀套内；

阀套左端安装后盖板，阀芯左端安装堵头，阀芯右端安装有同心环和右塞环；

阀芯、阀套、堵头和后盖板配合构成敏感腔，靠近敏感腔端的阀芯台肩表面上开设有高低压孔；阀套的内表面上开设有感受油液压力的直槽，其一端和敏感腔相通，另一端与高压孔和低压孔构成阻力半桥；

阀的右腔通过小孔b，经阀芯杆内通道和小孔a与进油P口（相通；

阀体的右端安装所述的力矩马达，所述的力矩马达包括衔铁、上导磁体、下导磁体、永磁体、弹簧杆、侧盖板、衔铁外壳、线圈、压套和压板等部件构成；所述的衔铁设置在上导磁体和下导磁体的极靴之间，极靴末端所在平面与水平面成倾角；所述衔铁是扁平长条状结构的良导磁体，衔铁与阀芯伸出端连接，衔铁左右两臂平面与极靴末端平面平行，衔铁驱动阀芯在一定角度范围内绕阀芯轴线旋转的同时，还可以沿阀芯轴线方向平动；

衔铁的左右两臂侧面均安装弹簧杆，弹簧杆的另一端连接衔铁外壳两端的侧盖板，弹簧杆的弹性力矩与力矩马达电磁力矩之间产生相互作用以确保衔铁不被上下导磁体的极靴吸附，同时起到对中作用。

2.如权利要求1所述的电液比例阀，其特征在于：阀芯台肩表面上开设有两对相同的轴对称的高低压孔，阀套的内表面上开有一对轴对称的直槽。

3.如权利要求2所述的电液比例阀，其特征在于：阀右腔的面积是左敏感腔d的一半，在静态时左敏感腔d的压力为进油P口压力的一半。

4.如权利要求3所述的电液比例阀，其特征在于：所述的阀芯上从左到右设置有四个轴肩，其中中间的两个轴肩位于进油P口的左右两端。

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