CN104471505A - 直动式螺线管致动器 - Google Patents

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Abstract

螺线管致动器包括与线轴结合的电枢件，所述线轴包括位于线轴的端部的线轴盖，所述线轴盖能够相对于所述线轴轴向移动。在线轴中的孔允许流体从控制口流到所述线轴盖，以使得在线轴盖内建立压力。建立在线轴盖内的压力用与所述线轴盖内的控制压力和流体接触面积成正比的力作用于线轴。

Description

直动式螺线管致动器
相关申请的交叉引用
本申请要求于2012年7月11日递交的申请号为US61/741，054的美国专利申请的优先权，该美国专利申请通过类似于完全阐述的引用而合并于本申请中。
技术领域
本发明涉及一种具有驱动流体控制元件的电枢机构的直动式电磁螺线管致动器。
背景技术
直动式螺线管致动器在多种系统中通常用于控制流体压力，所述多种系统包括车辆中的离合器(clutch mechanisms)和其他设备。直动式螺线管致动器设有电枢机构，所述电枢机构用于在多种流体控制应用中驱动流体控制元件，例如，线轴(spool)、弹性偏压四通比例流量控制阀(spring-biasedfour-way proportional flow control valve)、提升阀(poppet valve)等等。典型地，所述电枢连接并驱动推针(push pin)，所述复位杆结合于流体控制元件的端部。
给螺线管供电的电流的改变会导致流体压力的改变。理想地，给定的输入电流(input current)对应单个压力，而与输入电流的增加或者减小无关。例如，考虑到螺线管在初始状态为高压(20bars)零电流，当通以0.5A电流时，压力降至12bars。理想地，如果电流增加至1A然后再减小回到0.5A，压力将再变成12bars。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滞后。滞后表示相对于输入减小当给定的输入增加时输出的不同。在直动式螺线管致动器流体控制阀中，电枢与电枢套管之间或者线轴与围绕所述线轴的嘴体(nozzle body)之间的摩擦可能会阻碍电枢和线轴响应感应磁场的顺畅滑动。这可能会导致给定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流体控制阀的可靠性的降低和电流(增加或者减小)的方向。
为了提高流体控制阀的可靠性，线轴和嘴体能够通过机加工形成，从而使得线轴与嘴体紧密配合，但仍然能够响应电枢上的感应磁场力而进行轴向移动。然而，这种机加工需要高精度。另外，线轴设计的任何变形需要对应改变嘴体。
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不需要额外的高精度机加工就能够减小或者最小化运行过程中的滞后。
发明内容
螺线管致动器包括与线轴结合的电枢件，所述线轴包括位于线轴的端部的线轴盖，所述线轴盖能够相对于所述线轴轴向移动。在线轴中的孔允许流体从控制口流到所述线轴盖，以使得在线轴盖内建立压力。建立在线轴盖内的压力用与所述线轴盖内的控制压力和流体接触面积成正比的力作用于线轴。
附图说明
图1是本发明的解说性的实施方式中的具有直动式螺线管致动器的流体控制阀的主视图，所述直动式螺线管致动器用于驱动线轴，该线轴设有线性式的浮动反馈活塞。
图2是沿图1中的线A-A剖切的纵向横截面图。
图3显示了根据解说性的实施方式中滚动元件的保持笼的剖视图。
图4是图3中滚动元件的保持笼的立体图。
图5显示了另一种解说性的实施方式中的具有不同径向轴承直径的滚动元件的保持笼的剖视图。
图6是图5中适用于径向轴承的保持笼的立体图。
图7是本发明的另一种实施方式中的具有直动式螺线管致动器的流体控制阀的主视图，所述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8是沿图7中的线A-A剖切的纵向横截面图。
图9显示了可以由图1、图2、图3、图4和图5、图6的流体控制阀得到的标准高压相对电流。
图10显示了图7、图8、图3、图4和图5、图6的流体控制阀的标准低压相对电流。
具体实施方式
参见图1，如图所示直动式螺线管致动器100具有电气端子102和校准盖104。图2是沿图1中的线A-A剖切的纵向横截面图。
根据本发明的解说性的实施方式中的流体控制阀264设有直动式螺线管致动器200。直动式螺线管致动器200驱动流体控制阀264的嘴体226中的线轴228。在本发明的一种实施方式中，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包括壳体206，该壳体206具有线筒210、缠绕于线筒210上且与电气端子202连接的线圈212。在一种实施方式中，壳体206含有钢铁，线筒210为合成材料，例如塑料，但本领域公知的其他材料也是可以使用的。线圈212容纳于壳体206的外部与导磁套(flux sleeve)208之间。极片214固定安装在壳体206的端部，且极片214的内孔内设置有电枢止挡件224。衬垫246设于壳体206的一个端壁上以定位流体控制阀264。
如将在下文所描述的内容，径向轴承222的全浮动的保持笼220设于极片214的内孔内，径向轴承222在极片214的内表面上运动并且也在与电枢216接合的推针(电枢推动件)218的外表面上运动。保持笼220完全浮动于极片214与推针218之间的环线空间内，在该环线空间内保持笼220不固定于任何平面上并且能够在环线空间内沿轴向和径向自由地移动，该环形空间位于极片214的内孔上所示的完整肩部与电枢止挡件224之间。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响应于通入线圈212上的电流而轴向移动。
参见图3，图中表示出径向轴承304的保持笼302。保持笼302可具有各种形状而不局限于图中所示的形状。保持笼302的直径相对于径向轴承304的直径之比也可以变化。保持笼302的直径可以基于特定的直动式螺线管致动器来确定。例如，保持笼302的尺寸可形成为使得径向轴承304能够在图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。保持笼302相对于径向轴承304的直径可以是“细的”，从而露出径向轴承304的较大部分，或者可以几乎完全包围径向轴承304。在这两种情况下，径向轴承304的一部分可以暴露，并且可以延伸到超出保持笼302的内径和外径。如图3所示，保持笼302可以容纳六个径向轴承304，或可以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304的保持笼302的立体图。参见图4，保持笼402包括顶部件406和底部件408。顶部件406和底部件408可以是实体以覆盖每个径向轴承404的顶部和底部，顶部件406和底部件408也可以是打开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，保持笼402可以包括一个单独的部件。径向轴承404可在保持笼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，顶部件406和底部件408的作用是保持径向轴承404的彼此的相对位置，但是，顶部件406和底部件408是允许具备一定量的灵活性的。
图5示出径向轴承504的保持笼502的另一种实施方式。在本实施方式中，相对于径向轴承504的直径该保持笼502具有较大的直径。图6示出径向轴承604的保持笼603的侧视图。
在传统螺线管致动器中，所述电枢推动部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。通到线圈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与所述极片214或套筒之间的区域，所述致污物可能进入推针218与所述极片214或套筒之间，大大地增大推针218与所述极片214或套筒之间的摩擦力，并且改变流体控制阀264对应于给定的应用电流的响应。这个改变的响应导致滞后，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不对准的情况，而增大表面之间的摩擦力，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的保持笼220，该保持笼220位于推针218和极片214之间。径向轴承222的保持笼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之间的间隙的情况下，所述致污物嵌入在推针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螺线管的影响减少。径向轴承222的保持笼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可在保持笼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，虽然只有一个保持笼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笼220。
电枢216的直径减小的端部用紧配合支撑连接于线轴228的相邻端部上。嘴体226包括供给口234、控制口232、排出口230和设于线嘴盖254上的端部排出开口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的压力。
推针218的外端部(同电枢216)被弹簧机构244偏压。图2显示了一种锥形螺旋弹簧，但是也可使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；无电流通入线圈212)。因此，在0A状态，供给口234对控制口232开放，限定高压状态。随着通入线圈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的降低。
在本发明的一种实施方式中，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和对控制口232开放的径向线轴孔250连通。线轴盖258的外部暴露在排出腔或零压腔252，同时线轴盖258的内部暴露至如前文所述的控制压力。因此使得线轴盖258可相对于线轴228沿轴向独立移动，并且使得线轴盖258所具有的压力用与线轴盖258内的控制压力和流体接触面积成正比的力作用于线轴228。线轴盖258实际上充当保持这个压力的容器。与弹簧机构244产生的力一样，该液压力平衡电枢216上的磁力。
在缺少线轴盖258时，如果期望得到压力反馈，嘴体226的端部必须形成为阶梯缩小而通过紧支撑配合与线轴228的端部连接。此配合必须足够紧而使流体不会从嘴体226与线轴228之间渗出，但是足够松而使线轴228能在嘴体226内轴向移动。这在嘴体226与线轴228的机加工方面创造了挑战，不仅嘴体226与线轴228需要高精度和较小公差的机加工，而且嘴体226与线轴228需要彼此及自身都保持同轴。如果配合太松，流体会渗入排出腔252，降低孔248内的压力，从而降低作用于线轴228且与电枢216上的磁力相反的力。如果配合太紧，线轴228的外端部与嘴体226的内侧之间的摩擦会干涉线轴228的轴向移动，而改变流体控制阀264对通入线圈212的电流的改变的响应。
或者，大间隔会导致流体携带的致污物渗入线轴228与嘴体226的端部之间。流体中的致污物会嵌入线轴228与嘴体226之间，而增加线轴228与嘴体226之间摩擦，并阻碍线轴228的移动。
在本申请中线轴盖258提供压力反馈，而不需要线轴228的端部紧紧接合于嘴体226的端部内并且消除了对严格的同轴控制的需要。代替地，嘴体226终止于宽阔的排出腔252内，同时线轴盖258紧配合于线轴228的端部周围。在优选的实施方式中，线轴盖258能够由轧制黄铜或者不锈钢制成，但也可以使用其他材料。线轴盖258在其中的液压控制压力作用下沿轴向被驱动或移动至紧靠或邻接线嘴盖254，并保持不动，同时线轴228移动以根据指令调整控制压力。线轴盖258因此消除了对线轴228与嘴体226之间的阶梯直径的需要。然而，具有相对直向设计的线轴盖能够适用于与线轴228的端部的周围配合。这简化了流体控制阀的机加工。
线轴盖258的另外一个优点是由反馈压力产生的作用于线轴228的力能够在不改变嘴体226的设计的情况下进行调整。如上所述，线轴盖258的内部暴露控制压力，而使得线轴盖258所具有的压力用与线轴盖258内的控制压力和流体接触面积成正比的力作用于线轴228。如果需要较大的反馈力，线轴盖258内的流体接触面积能够增加。这能够通过增加线轴228的端部的直径而得到，但可能不需要改变嘴体226，因为图2所示的排出腔252能够适应较宽的线轴228和线轴盖258的端部。因此，此处所述的线轴盖258允许调整反馈压力而不需要改变嘴体226。这意味着线轴具有不同的端部直径并且因此反馈压力能够用于单个嘴体226。
参见图7，图示的直动式螺线管致动器具有电气端子702和电枢端盖704。图8表示沿图7中的线A-A剖切的纵向剖视图。根据本发明的另一种实施方式，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。在本发明的一种实施方式中，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包括具有线筒810的壳体806，线圈812缠绕于线轴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，且极片814的内孔内设置有电枢止挡件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的第一全浮动保持笼820设置在所述极片814的内孔中，径向轴承822在极片814的内表面上和与电枢816接合的推针818的外表面上运动。保持笼820完全浮动于极片814与推针818之间的环线空间内，在该环线空间内保持笼820不固定于任何平面上并且能够在环线空间内沿轴向和径向自由地移动，该环形空间位于极片814的内孔上所示的完整肩部与电枢止挡件824之间。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响应于通入线圈812上的电流而轴向移动。
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的第二全浮动保持笼844内，该电枢端盖804通过径向轴承842固定到壳体806上，且径向轴承842在电枢816的外端面上运动。第二保持笼844如上所述在壳体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提供给线圈812的外部指令控制电信号来确定。如果需要校准功能，可以在线嘴盖854和线轴盖858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和设于线嘴盖854上的端部排出开口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的压力。
在本发明的一种实施方式中，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连通，使得线轴盖858所具有的压力用与线轴盖858内的压力和面积成正比的力作用于线轴828。该液压力平衡电枢816上的磁力。线轴盖858在其中的液压控制压力作用下沿轴向被驱动或移动至紧靠或邻接线嘴盖854，并保持不动，同时线轴828移动以根据指令调整控制压力。
图9表示由在标准高压且零(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而得到的滞后函数图。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。给定电流引起压力的微小差异反映出所述设备减小了摩擦力和应对致污物的稳定性。
图10表示由在标准低压且零(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滞后函数图。像前面的函数图，这个函数图反映了两个电流扫频，上述两个电流中的一个电流增加，上述两个电流中的一个电流降低。在上述情况中，滞后足够小以使得两条曲线难以区分。
尽管已经详细地图示和描述直动式致动器及相关的流体控制阀的某些解说的和/或优选的实施方式，但需要理解的是，在不背离本发明的主旨或者范围的情况下，本发明可以做出变化或者修改。

Claims (20)

1.螺线管致动器流体控制阀，所述电磁致动器流体控制阀包括：
螺线管致动器组件，所述螺线管致动器组件具有：
固定的螺线管组件；和
可移动的电枢组件；以及
流体控制阀组件，所述流体控制阀组件具有：
固定嘴体；
位于所述固定嘴体内的可移动线轴；以及
线轴端盖，所述线轴端盖设置在所述固定嘴体与所述可移动线轴的第一端之间以提供反馈压力。
2.根据权利要求1所述的螺线管致动器流体控制阀，其中，所述可移动电枢组件与所述可移动线轴配合。
3.根据权利要求1所述的螺线管致动器流体控制阀，其中，所述线轴端盖能够相对于所述可移动线轴轴向移动。
4.根据权利要求1所述的螺线管致动器流体控制阀，其中，所述固定嘴体具有至少一个控制口，且其中，在所述可移动线轴内的孔允许流体从至少一个控制口流动到所述线轴端盖。
5.根据权利要求4所述的螺线管致动器流体控制阀，其中，所述线轴端盖内的所述流体在所述线轴端盖内建立所述反馈压力。
6.根据权利要求5所述的螺线管致动器流体控制阀，其中，在所述线轴端盖内建立的所述反馈压力使所述线轴端盖沿轴向移动，直到所述线轴端盖与所述固定嘴体的端部抵靠邻接。
7.根据权利要求5所述的螺线管致动器流体控制阀，其中，在所述线轴端盖内建立的所述反馈压力通过沿第一轴向方向的运动反馈力作用于所述可移动线轴。
8.根据权利要求7所述的螺线管致动器流体控制阀，其中，所述控制口建立有压力，且其中，所述运动反馈力与建立在所述控制口的压力成正比。
9.根据权利要求7所述的螺线管致动器流体控制阀，其中，所述线轴端盖具有轴向流体接触面积，且其中，所述运动反馈力与所述轴向流体接触面积成正比。
10.根据权利要求7所述的螺线管致动器流体控制阀，其中，运动磁力沿第二轴向方向作用于所述可移动电枢组件，其中，所述运动反馈力基板平衡抵消所述运动磁力。
11.根据权利要求7所述的螺线管致动器流体控制阀，其中，所述螺线管致动器组件还包括弹簧机构，其中，所述弹簧机构通过沿第二轴向方向的运动弹力作用于所述可移动电枢组件。
12.根据权利要求11所述的螺线管致动器流体控制阀，其中，所述运动反馈力基本平衡所述运动弹力。
13.根据权利要求1所述的螺线管致动器流体控制阀，其中，所述固定嘴体的端部的内表面的直径比所述可移动线轴的端部的外表面的直径大。
14.根据权利要求13所述的螺线管致动器流体控制阀，其中，所述螺线管致动器流体控制阀还包括位于所述固定嘴体的端部的内表面与所述可移动线轴的外表面之间的径向间隔。
15.根据权利要求1所述的螺线管致动器流体控制阀，其中，所述固定嘴体的端部的内表面的直径比所述线轴端盖的外表面的直径大。
16.根据权利要求1所述的螺线管致动器流体控制阀，其中，所述线轴端盖与所述可移动线轴的所述第一端同轴。
17.根据权利要求1所述的螺线管致动器流体控制阀，其中，所述固定嘴体包括位于所述固定嘴体的端部的排出腔。
18.根据权利要求17所述的螺线管致动器流体控制阀，其中，所述排出腔的轴向端部包括端部排出开口。
19.根据权利要求18所述的螺线管致动器流体控制阀，其中，所述端部排出开口允许流体从所述排出腔流出。
20.流体控制阀的操作方法，所述操作方法包括：
在流体控制阀组件中，调整线轴端盖的直径以选择性地调整作用于可移动线轴上的反馈压力，其中所述流体控制阀组件具有：
固定嘴体；
位于所述固定嘴体内的所述可移动线轴；以及
位于所述固定嘴体内的所述线轴端盖。
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