CN104175989B - 栅格百叶窗组件及其具有渐进式齿轮的驱动器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于机动车的栅格百叶窗组件的驱动器，包括一个电机(20)，其具有一个转轴(22)；一个输出件(18)，包括一个输出轴(50)以及一个用于连接至该栅格百叶窗组件的百叶板的连接件(52)；及一个齿轮组(30)，其将该转轴(22)连接至输出轴(50)。齿轮组(30)具有一个根据输出轴(50)的作动角度而改变的速比。如此，驱动器输出扭矩能与用于栅格百叶窗组件的驱动器的需求更为匹配。

Description

栅格百叶窗组件及其具有渐进式齿轮的驱动器
技术领域
本发明涉及驱动器，尤其涉及一种用于栅格百叶窗组件的具有渐进式齿轮的驱动器。
背景技术
用于调整百叶板的角度进而调整空气流量的自动栅格百叶窗在汽车发动机热管理系统中正变成一个越来越重要的组成部分。该调整可通过机电致动器轻松地完成。致动器通常通过一个齿轮组来旋转栅格百叶窗的百叶板，从而改变用于控制气流流量的气流入口的大小，进而控制散热器的冷却程度。
步进电机驱动器的开环运行是一种可靠的现有技术。在断电或者关闭后百叶板位于错误位置的情况下为了使百叶板复位，栅格百叶窗的驱动器必须集成有一个故障保护机构。比如一个复位弹簧便可使百叶板回复至一个初始位置(开启位置，关闭位置时或其它设定的位置)。如此，在工作过程中，驱动器始终要克服复位弹簧的弹力以及在汽车运行时气流加载至百叶板的压力。在汽车高速运行时，要打开处于关闭的位置的百叶板需要很大的驱动力，再考虑到弹簧的扭力，因此此时通常需要一个较大尺寸或较大功率的机电致动器来提供最大扭矩。然而这也意味着较高的电功率消耗。另外，目前的齿轮组通常都是使用直齿轮，工作过程中速比保持不变。然而，驱动百叶板所需的扭力其实是会随着汽车速度的变化而变化的，因此，现有的齿轮组的输出扭矩无法很好与汽车的实际情况匹配。
本发明通过采用了渐进式齿轮来解决上述问题。虽然渐进式的或可变的齿轮以是出现了很长时间，其较为全面描述可以在专利号为US2061322或US8196487的美国专利中找到，然而在汽车应用领域，渐进齿轮通常出现在转向系统。
发明内容
有鉴于此，有必要提供一种输出扭矩能与需求更为匹配的用于栅格百叶窗组件的驱动器。
一种用于机动车的栅格百叶窗组件的驱动器，包括一个电机，其具有一个转轴；一个输出件，包括一个输出轴以及一个用于连接至该栅格百叶窗组件的百叶板的连接件；及一个齿轮组，其将该转轴连接至输出轴。齿轮组具有一个根据输出轴的作动角度而改变的速比。
一种用于机动车的栅格百叶窗组件，包括至少一个外框；至少一组窗门，其可转动地设置至该外框；及一个如上所述的驱动器，其连接至该至少一组窗门，用于调整各窗门相对于该外框的倾斜角度。
本发明栅格百叶窗组件的驱动器由于齿轮组具有一个根据输出轴的作动角度而改变的速比，其输出扭矩能与用于栅格百叶窗组件的驱动器的需求更为匹配，同时也使得电机的体积可做得更小，利用效率也较高。
为了能更进一步了解本发明的特征以及技术内容，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图，然而所附图仅提供参考与说明用，并非用来对本发明加以限制。
附图说明
图1及2为典型的扭矩与角度之间的关系曲线，栅格百叶窗驱动器通常安装该关系曲线输出扭矩，图1示出了一个所述扭矩随所述角度直线递增的关系图，图2示出了所述扭矩随所述角度指数递增的关系图。
图3上述驱动器去掉一个上盖后的示意图。
图4上述驱动器的齿轮组的示意图。
图5为一个用于机动车的由栅格百叶窗跟图3所示的驱动件所组成的栅格百叶窗组件的示意图，其中，栅格百叶窗的百叶板处于闭合状态。
图6为图5的格进风窗组件的百叶板处于开启状态的示意图。
图7为用于机动车的具有两组百叶板的栅格百叶窗组件的部分分解示意图。
具体实施方式
下面结合附图，通过对本发明的具体实施方式详细描述，将使本发明的技术方案及其他有益效果显而易见。附图仅提供参考与说明用，并非用来对本发明加以限制。附图中显示的尺寸仅仅是为了便于清晰描述，而并不限定比例关系。
首先说明的是，由于栅格百叶窗驱动器驱动栅格百叶窗(grille shutters)的百叶板(louver)，所以驱动器的输出反映在栅格百叶窗的百叶板的位置上。因此，本申请中将驱动器的输出轴的输出称为作动角度(actuation angle)。图1及2示出了本发明实施方式的栅格百叶窗驱动器的目标输出扭矩与作动角度的关系曲线，该栅格百叶窗驱动器集成有用于故障保护操作的复位弹簧。图1示出的关系曲线中，作动角度与目标输出扭矩之间具有直线递增关系。图2示出了类似指数关系的曲线图。除了一个基本恒定的机械摩擦阻力，该驱动器还需克服随着作动角度的增加而由复位弹簧引起的相应增加的扭矩。由作用至百叶板的气压而产生的加载至该驱动器的力也随着作动角度而变化。
图3为较佳实施方式的驱动器，其位于组装好的状态，并且一个盖子被移除，以示出其内部。驱动器10包括一个具有所述被移除而未示出的盖子的外壳12，外壳12收容一个电机20，一个输出件18以及一个降步进电机20连接至输出件18的齿轮组30。一个电气插槽14提供了用于连接至电源及用于电机20的作动的信号线的接口。一个印刷电路板(PrintedCircuit Board，PCB)16提供了根据经由上述信号线的指令而控制电机20的电子元件。PCB还可包括用于与一个系统控制电脑通信的LIN总线相关电子元件。
齿轮组30更清楚地显示在图4中。齿轮组30将电机的转轴22连接至驱动器的输出件18。本较佳实施方式中的电机20为步进电机，其连接至PCB，如图4所示。本较佳实施方式的驱动器的输出件18包括一个具有连接件的输出轴50，该连接件用于与被驱动的部件连接从而传递扭矩。在本实施方式中，该连接件为非圆形的插槽52，用于收容与形状其匹配的该栅格百叶窗的驱动轴68的一端，从而改变百叶板的角度。如此，两者可通过简单的插入来实现耦合连接。优选地，所述插槽52的形状为行星。
齿轮组30包括一个啮合至固定到电机的转轴22的齿轮24的第一直齿轮32，一个啮合至第一直齿轮32的第二直齿轮34，一个第一渐进齿轮(progressive gear)36，以及一个第二渐进齿轮38(即一个渐进齿轮对)。第一渐进齿轮36是一个规则的正齿轮40及一个第一螺旋齿轮(spiral gear)42的组合。正齿轮40与第二直齿轮34啮合，第一螺旋齿轮42与第二渐进齿轮38啮合。第二渐进齿轮38包括一个固定至驱动器10的输出件18的第二螺旋齿轮44。第二螺旋齿轮44与第一螺旋齿轮42啮合。
一个复位弹簧54设置至输出轴50，用于在电机不工作时将输出轴50驱动回复至原位或者说是初始作动角度，从而通过齿轮组30往回驱动电机20。优选地，复位弹簧54抵持至第二螺旋齿轮44。如图所示，复位弹簧54是一个螺旋弹簧，其套设置输出轴50，并且其一端通过第二螺旋齿轮44固定输出轴50，另一端固定至壳体12。如此，使用过程中，随着输出轴50偏离原位，复位弹簧54一端将被顺时针或者逆时针扭转，从而产生一个促使输出轴50回转至原位的弹性回复力。电机20需克服该回复力来驱动输出轴50旋转。电机20还需克服其它外力，比如百叶板所承受的气流压力，尤其是机动车在高速公路上高速行驶过程中的气流压力，以将输出轴50驱动至或者保持在一个目标作动角度。该用于故障保护操作的复位弹簧的设置使得步进电机工作在开环运行状态下时，无需设置感测百叶板实际位置的感测系统，从而降低了成本。
上述两个螺旋齿轮之间的相互作用形成了一个渐进式的变速比(progressivegear ratio)。优选地，第一及第二螺旋齿轮42及44为对数齿轮(logarithmic gear)，其以对数曲线作为节圆线。在不同的作动角度下，该渐进式的变速比具有不同的最大输出扭矩。在百叶板处于完全闭合或接近完全闭合的位置，设置两个螺旋齿轮之间具有最大的速比，可使得驱动器的输出速度较小，但此时输出扭矩大，这与开启百合板需要较大的扭矩的需求匹配。在百叶板处于完全开启或者接近完全开启的位置，设置两个螺旋齿轮之间具有最小的速比，可使得驱动器的输出扭矩较小，同时速出速度较大，这与闭合百合板无需大扭矩的需求也匹配。
如此，可在电机20保持较小体积的同时，还能通过高扭矩区域的较高齿轮比提供所需的最大扭矩输出，也能通过低扭矩区域的较低齿轮比提供较快的反应速度。因此，驱动器10的输出扭矩与负载需求更加匹配，步进电机20在大多数仅为满足扭矩需求的作动角度下不会被过大加压。
上述渐进式齿轮可包括至少一个齿轮，并且该齿轮的半径与角度成函数关系并以该角度为变量，从而提供可变扭矩和可变的切向速度。为了设置一个包括具有固定轴的齿轮的齿轮组，一个优选的方案是设置两个满足以下条件的对数螺旋齿轮：
输入齿轮轴与输出齿轮轴之间的距离固定；
旋转完整的一圈的过程中输入及输出齿轮保持啮合接触；
半径(r)随着齿轮的角度呈指数增加，r与的函数关系可表示为r＝a·exp(k·其中，a及k为预设的参数；
输入及输出齿轮角之比等于对应半径的对数之比(扭矩也存在同样的关系)。
对螺旋齿轮的参数进行适当的调节可对可变扭矩进行补偿。渐进齿轮的使用减小了电机的尺寸(降低价格和重量)，也降低了平均的功耗。
图5及6示意地显示了一个典型的具有图3的驱动器10的栅格百叶窗组件60。栅格百叶窗组件60包括一个外框62以及多个可转动地设置至外框62的百叶板64。图5中所示的百叶板64处于闭合状态，以阻挡气流流过外框62。图6中所示的百叶板64处于全开启状态，以允许气流流过外框62。如图6所示，该多个百叶板62均连接至一个横杠66，如此，该多个百叶板62一起作动并且倾斜的方向也都一致。驱动器10通过一个驱动轴连接至位于中间的百叶板，以控制该多个百叶板62的倾斜方向。
图7为具有两组由一个驱动器驱动的百叶板的格进风窗组件的部分分解示意图，其具有两个外框62，所述两组百叶板可转动地设置在该两个外框62中。两个外框62并排设置，并且驱动器设置在两者之间，驱动器可直接设置至其中一个外框62，也可与其分开而独立地安装。驱动器10通过两个驱动轴68分别连接至该两组百叶板。各驱动轴68通过与位于输出轴50一端的插槽52的耦合而连接至该输出轴50。
使用过程中，百叶板被设置在可流至引擎隔室的气流通道中，尤其是可流至一个或多个热交换器，比如引擎冷却液的散热片及空调系统的冷凝器，的气流通道中。该多个百叶板在需要时允许气流流向热交换器，在不需要用于冷却的空气时阻挡所述气流。通常来说，用于冷却的空气的需求在机动车高速行驶时大为降低，在这种状态下，关闭该多个百叶板(即关闭进气口)使得机动车的空气动力学性能得以提升，从而使得燃料消耗得到明显改善。在引擎较冷时关闭进气口显著地降低了引擎的到达正常工作温度所需的预热时间。由于引擎在正常工作温度运行得更高效更清洁，这也降低了燃料消耗以及机动车产生的污染。
虽然上述实施方式中驱动器是具有一个用于收容其它部件的壳体12，然而可以理解，所述其它部件，如电机，齿轮组及输出轴也可直接固定至栅格进气组建的一个结构件，比如所述外框。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种用于机动车的栅格百叶窗组件，包括：
至少一外框(62)；
至少一组窗门(64)，其可转动地设置至该外框(62)内；及
一驱动器(10)，其包括：
一电机(20)，其具有一个转轴(22)；
一个输出件(18)，包括一个输出轴(50)以及设置于所述输出轴上用于连接至该栅格百叶窗组件的百叶板的连接件；及
一个齿轮组(30)，其将该转轴(22)连接至输出轴(50)，
所述驱动器的输出轴(50)连接至该至少一组窗门(64)，用于调整各窗门(64)相对于该外框(62)的倾斜角度；
其特征在于，所述齿轮组(30)具有一个根据输出轴(50)的作动角度而改变的速比，在该至少一组窗门(64)位于完全关闭或接近完全关闭的位置，该齿轮组(30)对应地具有最大的速比，在该至少一组窗门(64)位于完全开启或接近完全开启的位置，该齿轮组(30)对应地具有最小的速比；
该电机(20)为步进电机并且连接至一印刷电路板(16)，该印刷电路板(16)具有一用于根据控制信号控制该电机(20)的控制电路。
2.如权利要求1所述的栅格百叶窗组件，其特征在于，所述齿轮组(30)包括至少一渐进齿轮对(36，38)。
3.如权利要求2所述的栅格百叶窗组件，其特征在于，该渐进齿轮对(36，38)包括第一螺旋齿轮(42)及与第一螺旋齿轮(42)啮合的第二螺旋齿轮(44)。
4.如权利要求3所述的栅格百叶窗组件，其特征在于，该第二螺旋齿轮(44)固定至该输出轴(50)。
5.如权利要求3所述的栅格百叶窗组件，其特征在于，该第一螺旋齿轮(42)通过至少一直齿轮(32，34)连接至该转轴(22)。
6.如权利要求3所述的栅格百叶窗组件，其特征在于，该第一螺旋齿轮(42)及第二螺旋齿轮(44)以对数曲线作为节圆线。
7.如权利要求3所述的栅格百叶窗组件，其特征在于，还包括一复位弹簧(54)，其用于在该电机(20)不工作时用自身的弹力将该输出轴(50)驱动回复至一个初始作动角度。
8.如权利要求7所述的栅格百叶窗组件，其特征在于，该复位弹簧(54)为一套设至该输出轴(50)的螺旋弹簧，其一端固定至该第二螺旋齿轮(44)并且另一端固定至驱动器的支撑该输出轴(50)且不与其一起转动的部分。
9.如权利要求1所述的栅格百叶窗组件，其特征在于，该输出件(18)的连接件为一个位于该输出轴(50)一端的非圆形的插槽(52)，各组窗门(64)的转动由一个对应的驱动轴(68)调整，该驱动轴(68)的一端收容在该插槽(52)中。
10.如权利要求9所述的栅格百叶窗组件，其特征在于，该插槽(52)呈星形。
11.如权利要求9所述的栅格百叶窗组件，其特征在于，包括两个外框(62)及两组窗门(64)，该两个外框(62)并排设置，并且该驱动器(10)设置在该两个外框(62)之间；该驱动器(10)具有两个分别连接至该两组窗门(64)的转轴(22)。
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