CN104471299B - 直动式螺线管致动器 - Google Patents

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Abstract

一种直动式螺线管致动器，包括电枢和与其相连的推针，所述电枢和推针通过滚动元件的全浮式保持架悬浮于某一固定的螺线管组件，例如，极片和/或导磁套。所述固定的螺线管组件可包括极片和/或导磁套。所述极片可包括止挡件，该止挡件用于限制所述滚动元件的保持架沿轴向方向的移动。

Description

直动式螺线管致动器
交叉引用的相关申请
本申请要求2012年7月11日提交的申请号为NO.61/741,054的美国专利申请的优先权，该优先权申请通过引用的方式完全并入本申请。
技术领域
本发明涉及一种具有电枢机构(armature mechanism)的直动式螺线管致动器(direct acting electromagnetic solenoid actuator)，所述直动式螺线管致动器能够驱动流体控制元件(fluid control element)。
背景技术
在多种系统中，直动式螺线管致动器(direct acting solenoid actuators)常常用于控制流体压力，所述多种系统包括车辆中的离合器(clutchmechanisms)和其他设备。直动式螺线管致动器设有电枢机构，该电枢机构用于驱动流体控制元件，例如，线轴(spool)、弹簧偏压四通比例流量控制阀(spring-biased four-way proportional flow control valve)、提升阀(poppetvalve)以及类似的多种流体控制应用。典型地，所述电枢连接并驱动推针(push pin)以吸引流体控制元件到电枢的端部。
给电磁线圈供电的电流的改变会导致流体压力的改变。理论上，所供给的输入电流(input current)对应于单个压力，而与输入电流的增加或者减小无关。例如，考虑到电磁线圈在初始状态为高压(20巴(bars))零电流，当通以0.5A的电流时，压力将降至12巴。理论上，如果将电流增加至1A，然后再减小回到0.5A，压力将再变成12巴。因此，压力值能够由每个电流值来决定，而与电流的增加或者减小无关。
实际上，很多因素会导致螺线管致动器产生磁滞现象(hysteresis)。磁滞现象表述为当输入增加和减小时，对应于所供给输入的输出的不同。在直动式螺线管致动器中，电枢与电枢套管之间的摩擦以及围绕电枢的液压流体中的碎片可能会阻碍电枢响应于感应磁场的顺畅滑动。这可能会导致所供给的电流产生不同的压力值，而压力值取决于电流的增加或者减小。同样地，为了得到预定压力，在选择电流时肯定会考虑致动器的可靠性的降低和电流(增加或者减小)的趋势。
因此，有必要提供一种直动式螺线管致动器，所述直动式螺线管致动器在操作过程中能够降低或最小化磁滞现象，同时提高应对液压流体中的杂质的污染时的稳定性。
发明内容
一种直动式螺线管致动器包括电枢和与其相关的推针，所述电枢和推针通过滚动元件(例如，球或径向轴承)的全浮式且独立的保持架而悬浮于预定固定的螺线管组件。所述固定的螺线管组件能够包括极片和/或导磁套。所述极片能够包括止挡件，该止挡件用于限制所述滚动元件的保持架沿轴向方向的移动。
附图说明
图1是根据本发明的一种具体实施方式的具有直动式螺线管致动器的流体控制阀的主视图，该直动式螺线管致动器用于驱动线轴，该线轴具有线性式的浮动反馈活塞。
图2是沿图1中的剖面线A-A所截的纵向剖视图。
图3是根据本发明的一种具体实施方式的滚动元件的保持架的剖视图。
图4是图3所示滚动元件的保持架的立体图。
图5是根据本发明的另一种具体实施方式的具有不同的径向轴承的直径的滚动元件的保持架的剖视图。
图6是图5所示的用于径向轴承的保持架的立体图。
图7是根据本发明的另一种具体实施方式的具有直动式螺线管致动器的流体控制阀的主视图，该直动式螺线管致动器用于驱动线轴，该线轴具有线性式浮动反馈活塞。
图8是沿图7中的剖面线A-A所截的纵向剖视图。
图9是根据本发明的另一种具体实施方式的具有直动式螺线管致动器的流体控制阀的主视图，该直动式螺线管致动器用于以线性方式驱动弹簧偏压四通比例流量控制阀。
图10是沿图9中的剖面线A-A所截的纵向剖视图。
图11是一种直动式螺线管致动器的主视图，该直动式螺线管致动器用于驱动线轴(未示出)、三通提升阀(未示出)或其他的根据指令可变地控制压力的流体控制阀。
图12是沿图11中的剖面线A-A所截的纵向剖视图。
图13示出由图1，图2；图3，图4；和图5，图6中所示的流体控制阀得到的标准高压相对于电流的曲线图。
图14示出由图7，图8；图3，图4和图5，图6中所示的流体控制阀得到的标准低压相对于电流的曲线图。
图15示出由图9，图10，图3，图4和图5，图6中所示的四通流体控制阀得到的流量相对于电流的曲线图。
具体实施方式
参见图1，图示直动式螺线管致动器100具有电气端子102和校准盖104。沿图1中的剖面线A-A所截的纵向剖视图在图2中示出。
根据本发明的一种具体实施方式，流体控制阀264具有直动式螺线管致动器200。直动式螺线管致动器200驱动位于流体控制阀264的嘴体(nozzlebody)226内的线轴228。在本发明一种实施方式中，线轴228包括线轴盖(浮动反馈活塞)258。直动式螺线管致动器200包括具有线轴210的壳体206，电线的线圈212绕在线轴210上且该线圈212与电气端子202连接。在一种实施方式中，壳体206包含钢，且线轴210为合成材料制成，例如，塑料，本领域技术人员可以理解的是其他材料也可应用。线圈212容纳在壳体206的外部和导磁套(flux sleeve)208之间。极片214固定安装在壳体206的端部，并且在极片214的内孔处固定设置有电枢止挡件(armature stop)224。在壳体206的端壁上设置有衬垫(spacer)246以布置流体控制阀264。
如下文所述，径向轴承222的全浮式保持架220设置在所述极片214的内孔处，径向轴承222在极片214的内表面上和与电枢216相关联的推针218(电枢推动部件)的外表面上运动。保持架220在极片214和推针218之间的环形空间内自由浮动，以使保持架220不被固定在任何平面上，并能够沿轴向和径向在位于图示极片214的内孔上的肩部和电枢止挡件224之间的所述环形空间内自由移动。这使得电枢216的移动能够相对于极片214和导磁套208沿轴向对齐。推针218通过压接或者其他方式连接到电枢216，该电枢216容纳在壳体206的导磁套208内，以使得电枢216和推针218响应于应用到线圈212上的电流共同轴向移动。
参见图3，图中示出径向轴承304的保持架302。保持架302的形状并不局限于图中所示，能够具有各种形状。保持架302的直径相对于径向轴承304的直径之比也可以变化。保持架302的直径能够基于特定的直动式螺线管致动器来确定。例如，保持架302的尺寸能够形成为使得径向轴承304在图2中所示的极片214的内表面运动，也能够在推针218的外表面运动。保持架302相对于径向轴承304的直径能够是“细的”，从而露出径向轴承304的较大部分，或者能够几乎完全包围径向轴承304。在任意一种实施例中，径向轴承304的部分能够暴露，并且可以延伸到保持架302的内径和外径的外侧。如图3所示，保持架302可容纳六个径向轴承304，或容纳更多或更少径向轴承304。
图4示出图3所示的径向轴承的保持架302的立体图。参见图4，保持架402包括顶片406和底片408。顶片406和底片408能够是实体以覆盖每个径向轴承404的顶部和底部，顶片406和底片408也能够是开放的以使得径向轴承的顶部、底部或侧部中的部分暴露在外。或者，保持架402能够包括一个单独片。径向轴承404可在保持架402内的各个方向自由旋转。当然，本领域技术人员可以理解的是，顶片406和底片408的作用是保持径向轴承404的彼此的相对位置，但是，顶片406和底片408是允许具备一定量的灵活性的。
图5示出径向轴承504的保持架502的另一个实施例。在本实施例中，相对于径向轴承504的直径，该保持架502具有较大的直径。图6示出径向轴承604的保持架602的侧视图。
在传统螺线管致动器中，所述推动电枢件件用紧配合与所述极片连接。再次参见图2，这相当于推针218处于与极片214全接触的状态，或者与用紧配合与极片214连接的套筒(未示出)滑动接触。施加到线圈212上的电流的变化导致电枢216和推针218的移动，导致推针218的外表面靠着所述极片214或套筒的内表面滑动。如果流体携带的致污物进入到推针218和所述极片214或套筒之间的区域，所述致污物可能留存在推针218和所述极片214或套筒之间，大大的增大推针218和所述极片214或套筒之间的摩擦力，并且改变流体控制阀264对应于所供给的应用电流的响应。这个改变的响应导致磁滞现象，且降低流体控制阀264响应于特定电流的可靠性和/或重复性。根据致污物的大小和数量，流体控制阀264的性能可能会降低至故障点。如果推针218和极片214之间的区域扩张，电枢216和推针218可能产生与导磁套208和极片214无法对准的情况，增大推针218的外表面和所述极片214或套筒的内表面之间的摩擦力，且降低所述流体控制阀的响应。
相比之下，再次参见图2，本发明包括径向轴承222的保持架220，该保持架220位于推针218和极片214之间。径向轴承222的保持架220留出位于极片214和推针218之间的间隔。在流体携带致污物进入极片214和推针218之间的间隔时，所述致污物留存在推针218和极片214之间的间隔的可能性将由于所述间隔的增大而大大降低。因此，所述流体携带的致污物所引起的损害对所述电磁线圈的影响减少。径向轴承222的保持架220用于引导推针218的轴向运动，同时降低极片214和推针218之间的摩擦力。替代极片214和推针218之间的全接触，现在极片214和推针218各自仅与径向轴承22接触。这些径向轴承222能够在保持架220内自由移动，并且由此允许推针218在极片214内以最小阻力移动。需要说明的是，虽然只有一个保持架220在特定位置被示出，但是，也可以在不同位置应用多个保持架220。
电枢216直径减小的端部用紧配合支撑连接到线轴228的相邻端部上。嘴体226包括供给口234、控制口232、排出口230和在管嘴盖254上的端部排出口256，供给口234限定在O型密封圈238和O型密封圈240之间，且被过滤器260保护；控制口232限定在O型密封圈236和O型密封圈238之间，且被过滤器262保护。线轴228响应于电枢216的移动而移动以调节作用于控制口232上的压力。
推针218的外端部(同电枢216)被弹簧机构244偏压。图2示出一种锥形螺旋弹簧，但是也能够应用其他类型的弹簧机构。弹簧机构244被限制在弹簧盖242和校准盖204之间，该弹簧机构244可变形以调整弹簧预加载荷以形成所述控制阀的高压状态(图2所示位于0A状态；无电流输送到线圈212)。因此，在0A状态，供给口234开放于控制口232，以限定高压状态。随着施加到线圈212的电流增加，电枢216和线轴228朝向弹簧机构244移动，导致位于供给口234和控制口232之间的液压通道的收缩。这将导致控制压力降低，从而导致液压力也相应地降低。
在本发明的一个实施例中，线轴228包括线轴盖(浮动反馈活塞)258，如图2所示，该线轴盖258与纵向线轴孔248和开放于控制口232的径向线轴孔250相通。线轴盖258的外部暴露在排出腔或零压腔252，同时线轴盖258的内部暴露在如前文所述的控制压力，以使得线轴盖258可相对于线轴228沿轴向自由移动，并且使得线轴盖258所具有的压力以力的形式作用于线轴228上而使控制压力与线轴盖258内的流体接触面积成正比。线轴盖258实际上充当保持这个压力的容器。该液压力平衡于作用在电枢216上的磁力。
由于其中的液压控制压力，线轴盖258将被迫或轴向移动至紧靠或邻接管嘴盖254并保持不动，同时线轴228移动以根据指令调整控制压力。由于线轴盖258已提供了等效的区别反馈区，所以线轴盖258不需要线轴228和嘴体226彼此之间具有阶梯直径以获得区别反馈区。
参见图7，图示直动式螺线管致动器700具有电气端子702和电枢端盖704。图8示出了沿图7中的剖面线A-A的纵向剖视图。根据本发明的另一个实施例，流体控制阀864具有直动式螺线管致动器800。该直动式螺线管致动器800驱动流体控制阀864的嘴体826内的线轴828。在本发明的一个实施例中，线轴828包括线轴盖(浮动反馈活塞)858。该直动式螺线管致动器800包括具有线轴810的壳体806，电线的线圈812绕在线轴810上且与电气端子802连接。线圈812容纳在壳体806的外部和导磁套808之间。极片814固定安装在壳体806的端部，并且在极片814的内孔处固定设置有电枢止挡件824。在壳体806的端壁上设置有衬垫846以定位流体控制阀864。
径向轴承822的第一全浮式保持架820设置在所述极片214的内孔处，径向轴承822在极片814的内表面上和与电枢816相关联的推针818的外表面上运动。支架820在极片814和推针818之间的环形空间内自由浮动，以使保持架820不被固定在任何平面上，并能够沿轴向和径向在位于图示极片814的内孔上的肩部和电枢止挡件824之间的所述环形空间内自由移动。推针818通过压接或者其他方式连接到电枢816，该电枢816容纳在壳体806的导磁套808内，以使得电枢816和推针818响应于应用到线圈812上的电流共同轴向移动。
电枢816的外端面还容纳在位于电枢端盖804内的径向轴承842的第二全浮式保持架844内，该电枢端盖804固定到壳体806上，且径向轴承842在电枢816的外端面上运动。上述第二保持架844在壳体806的端部和电枢端盖804之间的环形空间是完全浮动的。
图8中所示的所述控制阀的标准低压状态和标准高压状态由施加到线圈812的外部指令控制电信号来确定。如果需要校准功能，能够在管嘴盖854和线轴盖854之间设置选配弹簧(未示出)。
推针818的内端与线轴828的相邻端接合。嘴体826包括供给口834、控制口832、排出口830和在管嘴盖854上的端部排出口856，供给口834在O型密封圈838和O型密封圈840之间，且被过滤器860保护；控制口832限定在O型密封圈836和O型密封圈838之间，且被过滤器862保护。线轴828响应于电枢816的移动而移动以调节作用于控制口832上的压力。
在本发明的一个实施例中，线轴828包括线轴盖(浮动反馈活塞)858，如图8所示，该线轴盖858连通纵向线轴孔848和径向线轴孔850，进而连通控制口832。线轴盖858的外部暴露在排出腔或零压腔852，同时线轴盖858的内部通过孔848和孔850与在如前文所述的控制压力相通，使得线轴盖858所具有的压力以力的形式作用于线轴828上而使控制压力与线轴盖858内的面积成正比。该液压力平衡于作用在电枢816上的磁力。由于其中的液压控制力，线轴盖858将被迫或轴向移动至紧靠或邻接管嘴盖854，并保持不动，同时线轴828移动以根据指令调整控制压力。
参见图9，图示直动式螺线管致动器900具有电气端子902和电枢端盖904。图10示出了沿图9中的剖面线A-A的纵向剖视图。根据本发明的一个实施例，图示流体控制阀1056具有直动式螺线管致动器1000。该直动式螺线管致动器100以线性方式驱动四通流量比例控制线轴1028。
该直动式螺线管致动器1000包括具有线轴1010的壳体1006和电线的线圈1012，该线圈1012绕在线轴1010上且与电气端子1002连接。线圈1012容纳在壳体1006的外部和导磁套1008之间。极片1014固定安装在壳体1006的端部，并且在极片1014的内孔处固定设置有电枢止挡件1024。在壳体1006的端壁上设置有衬垫1054以布置流体控制阀1056。
径向轴承1022的第一全浮式保持架1020设置在所述极片1014的内孔处，径向轴承1022在极片1014的内表面上运动，也在与电枢1016相关联的推针1018的外表面上运动。支架1020在极片1014和推针1018之间的环形空间内自由浮动，以使保持架1020不被固定在任何平面上，并能够沿轴向和径向在位于图示极片1014的内孔上的肩部和电枢止挡件1024之间的所述环形空间内自由移动。推针1018通过压接或者其他方式连接到电枢1016，该电枢1016容纳在壳体1006的导磁套1008内，以使得电枢1016和推针1018响应于应用到线圈1012上的电流共同轴向移动。
电枢1016的外端面还容纳在位于电枢端盖1004内的径向轴承1044的第二全浮式保持架1046内，该电枢端盖1004固定到壳体1006上，且径向轴承1022在电枢1016的外端面上运动。上述第二保持架1046在壳体1006的端部和电枢端盖1004之间的环形空间是完全浮动的。推针1018通过压接或过其他方式连接至电枢1016。
线轴1028的外端被弹簧机构1052偏压。图10所示为锥形螺旋弹簧，但是也能够使用其他类型的弹簧机构。弹簧机构1052限制在嘴体1026最外端的腔体内。推针1018的内端与线轴1028相邻的一端连接。嘴体1026包括第一和第二控制口1032、在O型密封圈1036和O型密封圈1042外侧的排出口1030和中心供给口1034，其中，第一和第二控制口1032限制在O型密封圈1036和O型密封圈1038之间以及O型密封圈1040和O型密封圈1042之间，且被过滤器1050保护；中心供给口1034在O型密封圈1038和O型密封圈1040之间，且同样被过滤器1050保护。线轴1028响应于电枢1016的移动而移动以调整控制口1032的压力。线圈1028为压力平衡液压的，那么弹簧机构1052作用为抵抗所述电磁力。
参见图11，参见图11，图示直动式螺线管致动器1100具有电气端子1102和校准盖1104。图12示出了沿图1中的剖面线A-A的纵向剖视图。无阀嘴体的直动式螺线管致动器(马达)1200也能够用于驱动线轴(未示出)、三通提升阀(未示出)或其他可基于指令可变的控制压力的流体控制阀。
图12所示的致动器1200与图10所示的致动器相似，用相近的数字00-24对应于相近的元件。例如，图10所示的电枢1016在图12中标记为1216。径向轴承1222的第一全浮动保持架1220设置在极片1214的内孔处，且径向轴承在极片1214的内表面上运动，且也在与电枢1216连接的推针1218的外表面上运动。电枢1216的外端面还容纳在位于电枢端盖1204内的径向轴承1228的第二全浮式保持架1226内，该电枢端盖1204固定到壳体1206上，且径向轴承1228在电枢1216的外端面上运动。上述第二保持架1226在壳体1206的端部和电枢端盖1204之间的环形空间是完全浮动的。这种致动器1200被提供给客户以使客户能够将致动器1200整合至自己的用于特定流体控制阀的阀或嘴体。
图12所示的控制阀的所述标准低压状态和标准高压状态通过应用到电线线圈1202的外部指令控制电信号来确定。
图13示出的是在标准高压且零(0)线圈电流状态下的如图1和图2所示的上述流体控制阀得到的磁滞现象曲线图。所示两条曲线代表两个电流的扫频，在一种情况中，将电流从0A提升至约1A(电流标于横轴上，单位为A)，在另一种情况中，将电流从约1A降低至0A。基于所供给电流的微小差异反映了所述设备的减小的摩擦力和应对致污物的稳定性。
图14示出的是在标准低压且零(0)线圈电流状态下的如图7和图8所示的上述阀而得到的磁滞现象曲线图。像前面的曲线图，这个曲线图反映了两个电流扫频，上述两个电流中的一个电流增加，另一个电流降低。在上述情况中，所述磁滞现象足够地小以使得两条曲线难以区分。
图15示出用于类似图9和图10所示的四通流体控制阀的流量与电流的对比。随着所述电流从0A增长至0.8A，一个控制口的流量从8升/分钟降低至0升/分钟。随着所述电流持续从0.8A增长至1.4A，在另一个控制口的流量从0升/分钟增长至8升/分钟。然后，该过程被反转，形成在图15所示的曲线中。
所述直动式螺线管致动器和相关的流体控制阀的某些说明性和/或优选的实施例虽然已进行图示和详细的描述，但是应该理解的是，本发明可以做出各种变化或修改，只要其属于本发明的精神或范围的。

Claims (18)

1.螺线管致动器，该螺线管致动器包括：
可移动的电枢件；
固定的螺线管组件，该固定的螺线管组件具有：
壳体；
位于所述壳体内的线圈；以及
用于接纳所述可移动的电枢件的极片；以及，
滚动元件的保持架，该保持架设置在所述可移动的电枢件和所述固定的螺线管组件之间；
其中，所述极片包括第一止挡件和第二止挡件以限制所述滚动元件的保持架沿轴向方向的移动；
其中，所述滚动元件的保持架整体上设置在所述第一止挡件和所述第二止挡件之间；以及
其中，所述滚动元件的保持架包括顶部和底部，并且其中所述滚动元件被限制在所述顶部和所述底部之间，所述顶部包括半球形的顶部壁，所述底部包括半球形的底部壁，每个半球形的顶部壁和半球形的底部壁部分地罩住轴承滚珠。
2.根据权利要求1所示的螺线管致动器，其中，所述滚动元件包括多个径向轴承。
3.根据权利要求1所述的螺线管致动器，其中，所述滚动元件的保持架被限制为在所述极片内的环形空间内移动。
4.根据权利要求1所述的螺线管致动器，其中，所述滚动元件在所述极片的内表面和所述可移动的电枢件的外表面上运动。
5.根据权利要求1所述的螺线管致动器，其中，所述可移动的电枢件包括推针，该推针与电枢连接。
6.根据权利要求1所述的螺线管致动器，进一步包括线轴，该线轴与所述可移动的电枢件连接。
7.根据权利要求1所述的螺线管致动器，其中，所述顶部和底部包括具有内侧和外侧的环，并且其中所述滚动元件延伸超过所述环的内侧和所述环的外侧。
8.根据权利要求1所述的螺线管致动器，进一步包括电枢端盖和位于所述电枢端盖和所述可移动的电枢件之间的滚动元件的第二保持架。
9.根据权利要求8所述的螺线管致动器，其中，所述滚动元件的第二保持架的滚动元件在所述电枢端盖的内表面和所述可移动的电枢件的外表面上运动。
10.根据权利要求6所述的螺线管致动器，进一步包括位于所述壳体和所述可移动的电枢件之间的滚动元件的第二保持架。
11.根据权利要求10所述的螺线管致动器，其中，所述滚动元件的第二保持架的滚动元件在所述壳体的内表面和所述可移动的电枢件的外表面上运动。
12.根据权利要求10所述的螺线管致动器，其中，所述滚动元件的第二保持架被限制为在所述壳体内的环形空间内移动。
13.根据权利要求10所述的螺线管致动器，其中，所述电枢端盖限制所述滚动元件的第二保持架的运动。
14.螺线管致动器流体控制阀，该螺线管致动器流体控制阀包括：
螺线管致动器组件，该螺线管致动器组件具有：
可移动的电枢件；
固定的螺线管组件，该螺线管组件具有：
壳体；
位于所述壳体内的线圈；以及
用于接纳所述可移动的电枢件的极片；以及
滚动元件的保持架，该保持架设置在所述可移动的电枢件和所述固定的螺线管组件之间；
其中，所述极片包括第一止挡件和第二止挡件以限制所述滚动元件的保持架沿轴向方向的移动；
其中，所述滚动元件的保持架整体上设置在所述第一止挡件和所述第二止挡件之间；以及
其中，所述滚动元件的保持架包括顶部和底部，并且其中所述滚动元件被限制在所述顶部和所述底部之间，所述顶部包括半球形的顶部壁，所述底部包括半球形的底部壁，每个半球形的顶部壁和半球形的底部壁部分地罩住轴承滚珠；并且
流体控制阀组件，该流体控制阀组件具有：
固定的嘴体，该固定的嘴体与所述壳体连接；以及
可移动的线轴，该可移动的线轴在所述固定的嘴体内与所述可移动的电枢件连接。
15.根据权利要求14所述的螺线管致动器流体控制阀，其中，所述可移动的电枢件与所述可移动的线轴接合，以调整所述固定的嘴体内的流体压力。
16.根据权利要求14所述的螺线管致动器流体控制阀，其中，所述滚动元件包括多个径向轴承。
17.根据权利要求14所述的螺线管致动器流体控制阀，其中，所述滚动元件的保持架被限制为在所述极片内的环形空间内移动。
18.根据权利要求14所述的螺线管致动器流体控制阀，其中，所述滚动元件在所述极片的内表面和所述可移动的电枢件的外表面上运动。
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