CN107532487A - 挺杆不会卡死的电磁执行器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有第一(2)和第二(4)挺杆的执行器装置，其中第一挺杆(2)可移动地安装在第一导套(6)中，第二挺杆(4)可移动地安装在第二导套(8)中，其中位于第一导套(6)中的第一挺杆(2)被第一复位弹簧(22)围绕，位于第二导套(8)中的第二挺杆(4)被第二复位弹簧(26)围绕，并且导套以固定间距设置，其中第一复位弹簧(22)是按左手方向缠绕的螺旋弹簧，而第二复位弹簧(26)是按右手方向缠绕的螺旋弹簧。

Description

挺杆不会卡死的电磁执行器

技术领域

本发明涉及根据权利要求1前序部分的执行器装置，例如用于机动车辆的执行器装置，以及具有这种执行器装置的机动车辆。特别地，本发明涉及用于改变内燃机气门开度和/或气门开启时间的执行器装置和/或用于部分关闭内燃机气缸的执行器装置。

背景技术

执行器装置，特别是具有电磁操作执行器的执行器装置，用于自动化技术中以打开和关闭柴油和/或汽油发动机气缸的进气和出气气门，这些气门分别将燃料混合物引入到燃烧室中以及引导燃烧最终产物排出燃烧室。这里必须选择打开和关闭气门的时间使得内燃机将产生的热能尽可能有效地转换为发动机动力。这可通过气门控制或气门驱动实现。即活塞式引擎控制气门并通过打开和关闭进气和出气气门换气的机构。通常，气门通过凸轮轴经挺杆、凸轮从动件或摇杆打开。气门通过螺旋弹簧，有时通过扭力弹簧，气压弹簧关闭或经由闭合凸轮以强制控制方式关闭。这里凸轮轴由发动机的曲轴驱动。

随着电子元件技术的不断发展，以及对提高内燃机效率的同时降低燃料消耗的需求的不断增长，近年来，机动车辆电气化日益重要。例如，优化气门控制装置的控制时间取得了巨大的进展。凸轮轴调节的目的在于，调节各个发动机空转、最大功率或扭矩、以及废气再循环运行状态的最佳气门控制时间。因此，凸轮轴调节也进行了技术变革。

在DE 102 40 774 Al中介绍了这种执行器装置，其可用于不同的用途，特别是机动车辆的凸轮轴调节。现有技术中，这种执行器装置的基本原理在于，活塞用作执行器，其端部具有用于预期调节任务的卡合部，执行器设置在壳体中，通过设置在所述壳体中的执行器装置、克服复位弹簧的力、可电磁操作地从壳体中移出。

DE 10 2007 024 600 Al公开了一种具有执行器销的执行器装置，执行器销可在插入保持位置和伸展工作位置之间移位以调节机器部件，该机器部件具有与处于工作位置的执行器销相配合的移位凹槽，使执行器销返回至其默认位置，特别地，机器部件是内燃机可变冲程气门驱动器的凸轮部件、设置为抗扭矩的并可纵向移位。这将产生一种径向尽可能小的执行器装置，该装置关于移位凹槽固定在默认位置处，不会卡住。

DE 10 2011 078 525 Al公开了一种具有双稳态执行器装置的滑动凸轮系统。在这种执行器装置中，压缩弹簧支撑在闭锁单元上使得支撑弹簧接合与压缩弹簧反向的执行器销，支撑弹簧位于导套或连接其上的部件之上，压缩弹簧和支撑弹簧通过闭锁装置形成执行器销的双稳态结构，通过电磁单元可触发双稳态结构。通过这种设计，执行器销的伸出首先通过电磁单元触发，直至达到执行器销双稳态结构的临界点，松开闭锁装置，压缩弹簧使执行器销完全伸入到移位凹槽中。这样，只需要相对较小的电磁力来压缩支撑弹簧。压缩弹簧使执行器销快速伸出。在这种装置中，一对彼此平行移动的挺杆通过与倾斜单元连接的单个执行器向下压。通过这种方式，其中一个挺杆可嵌入到引导凹槽中，例如滑动凸轮轴。然而，在这种装置中，弹簧加载的挺杆在其导套中容易卡住或倾斜，因此无法确保这种执行器元件的可靠运作。特别地，当这种结构的挺杆交替接合滑动凸轮系统的凹槽时，常常发生这种故障，至少是在其中一个挺杆上。

发明内容

因此，本发明的目的在于避免这种功能故障以及与现有执行器装置相关的缺点。

该目的通过具有权利要求1特征的执行器装置实现。从属权利要求公开了有利的实施方式。

根据本发明的执行器装置具有第一挺杆和第二挺杆，第一挺杆以滑动方式至少部分地设置在第一导套中，第二挺杆以滑动方式至少部分地设置在第二导套中，例如在第一导套之中和/或之上的第一挺杆沿其纵轴至少部分地围绕有体现为螺旋弹簧的第一复位弹簧，例如在第二导套之中和/或之上的第二挺杆沿其纵轴至少部分地围绕有体现为螺旋弹簧的第二复位弹簧，两个导套以固定间距设置。这里挺杆以沿其纵轴方向可往复移位的方式设置在各自的导套中。

根据本发明，第一复位弹簧是按左向缠绕的螺旋弹簧，第二复位弹簧是按右向缠绕的螺旋弹簧。实验已出人意料地示出，当挺杆接合到例如滑动凸轮系统的引导凹槽中时，挺杆受到绕其纵轴(在此方向上挺杆以可移位方式设置在导套中)向右或向左的扭矩。这是因为，挺杆接触例如其所在凹槽侧壁的边缘，和/或挺杆不是以平面平行的方式完全置于引导槽的底部。当例如具有引导凹槽的凸轮轴旋转且挺杆接合该引导凹槽时，扭矩传递到挺杆上。这种扭矩引起施加于复位弹簧上的扭矩，根据所施加的扭矩的旋转方向，该扭矩略微增大或缩小其直径。当复位弹簧以与受到挺杆扭矩的螺旋弹簧相同的方向扭转时，复位弹簧的直径仅可缩小。于是避免了功能故障。然而，当复位弹簧是以与施加至挺杆的扭矩相反方向缠绕的螺旋弹簧时，直径可由于作用其上的扭矩而增大，这可导致复位弹簧在其导套中倾斜，从而阻止挺杆返回至其默认位置。这造成功能故障，转而导致执行器装置的早期故障。已表明，通过为挺杆分别安装缠绕方向与挺杆在凸轮轴凹槽中旋转方向相同的螺旋弹簧可避免这种早期故障。

在导套以固定间距成对设置的情况下，每个导套通过作用于其的执行器沿共同凸轮轴的方向引导挺杆，已表明，第一挺杆，假定受到绕其纵轴的扭矩，一接合到共同凸轮轴的凹槽中，受到的扭矩就总是逆时针方向的；而第二挺杆，假定受到绕其纵轴的扭矩，一接合到共同凸轮轴的凹槽中，受到的扭矩就总是顺时针方向的。当两个复位弹簧都是顺时针方向或者都是逆时针方向缠绕的弹簧时，由于其扭矩与螺旋弹簧的缠绕方向相反，该装置出现的早期故障使得挺杆提前在具有螺旋弹簧的导套中倾斜，从而导致故障。

通常，挺杆的早期故障(由于其扭矩与其螺旋弹簧的缠绕方向相反)出现使得螺旋弹簧的一端夹在螺旋弹簧最后一个螺旋线圈之下。因此螺旋弹簧的该端部位于螺旋弹簧最后一个螺旋线圈和挺杆之间，极大地影响了挺杆沿其纵轴的运动。优选地，两个螺旋弹簧在其至少一个端部(优选地在每个端部)分别具有至少两个相互邻接的端部绕组，甚至是在螺旋弹簧没有被压缩时，这些端部绕组也相互邻接。这两个端部绕组可防止弹簧在此区域中扩展，因此在运行期间，螺旋弹簧在螺旋弹簧和挺杆之间的端部不会被夹住。

螺旋弹簧卡住的原因可能是，由于挺杆的旋转与螺旋弹簧的缠绕方向相反，螺旋弹簧的端部逐渐磨损，从而降低了形成螺旋弹簧的材料在此位置处的弹性。当螺旋弹簧端部的材料磨损至一定程度时，挺杆和螺旋弹簧端部之间即使很小的摩擦力也可使螺旋弹簧的端部容易地卡在螺旋弹簧最后一个线圈和挺杆之间。为此，螺旋弹簧的端部不发生磨损并且螺旋弹簧的缠绕方向与挺杆的旋转方向相同是有利的。此外，弹簧也可在其端部增大，例如具有直径增大的压缩线材。

为了迅速区分左向缠绕的螺旋弹簧与右向缠绕的螺旋弹簧，以便在组装过程中将正确的螺旋弹簧安装在正确的挺杆上，左向缠绕的螺旋弹簧或者右向缠绕的螺旋弹簧在其至少一个端部具有三个相互邻接的端部绕组，而另一个螺旋弹簧在其端部具有不同数量的相互邻接的端部绕组。

螺旋弹簧可由金属材料制成。在另一个替代实施例中，两个螺旋弹簧是玻璃纤维增强的合成弹簧。特别地，这种弹簧具有弹性，与金属弹簧相比具有更长的寿命。

执行器装置可具有例如单个执行器，其有效连接至两个挺杆的前端。或者，该装置也可具有第一和第二执行器，第一执行器有效连接至第一挺杆的前端，第二执行器有效连接至第二挺杆的前端。具有用于两个挺杆的两个执行器的执行器装置可分别驱动一个挺杆与另一个挺杆，这样允许每个挺杆单独控制。

优选地，执行器是杆状的，特别优选地，是柱状的，并沿它们各自的纵轴方向移动。

执行器虽然可机械操作，但磁性或电磁促动是有利的，并且优选地，分别被单独的执行器线圈所围绕。这样，执行器可通过简单的电控制脉冲(例如由计算机程序算出)有针对性的操作，使得最佳压力序列作用于挺杆上，这确保内燃机在各自最优的操作范围中运行。

挺杆是杆状的，优选是柱状的。它们分别具有纵轴，挺杆头增大的前端，以及后端。使挺杆移回至默认位置的复位弹簧体现为压缩弹簧是有利的，各复位弹簧支撑在其所在的导套之上和/或之中，围绕挺杆的挺杆头。

描述的执行器装置具有带凹槽的凸轮轴是有利的，凹槽围绕凸轮轴的旋转轴线设置。这里，挺杆的后端根据凸轮轴布置和设计，使得其中一个挺杆的至少一个后端可嵌入到凸轮轴的凹槽中，例如当力沿其中一个挺杆的纵向作用于挺杆头时，绕所述一个挺杆设置的复位弹簧被压缩，于是所述挺杆沿朝向凸轮轴的方向在其所在的导套中移动。

优选地，凸轮轴是滑动凸轮轴，并且凹槽在凸轮轴的表面上至少部分倾斜于旋转轴线围绕所述凸轮轴设置。在本文中，“倾斜”是指凹槽的切向至少部分不垂直于凸轮轴的旋转轴线。凸轮轴是可沿旋转轴线在一定范围内往复移位的滑动凸轮轴是有利的，因为通过适当地设计凸轮轴上凹槽的形状，可以精确且可再生的方式关于彼此调节气门升程，这样可选择内燃机的最佳功能范围。

在特别优选的实施例中，凸轮轴具有用于两个挺杆的共同凹槽，其设置在凸轮轴上使得第一挺杆或第二挺杆可交替地嵌入到这个凹槽中。这样，对若干挺杆而言，只需在凸轮轴上形成单个凹槽，这可简化凸轮轴的制造。当然，两个挺杆中的每一个嵌入到单独的凹槽中也是可行的，例如各嵌入到在所述凸轮轴表面倾斜于凸轮轴的旋转轴线并围绕凸轮轴设置的凹槽中。

在执行器装置的优选实施例中，导套和/或挺杆的纵向轴线垂直于或对齐共同凸轮轴的旋转轴线。当然，导套和/或挺杆的纵向轴线也可设置成彼此平行的。

附图说明

下面，结合具体的示范实施例更详细地介绍根据本发明的执行器装置。下文中所使用的术语，如“顶部”，“底部”，“左侧”，“右侧”等适用于示范实施例，不应以任何方式考虑为限制性的，即使是优选实施例时。在本文中，术语“垂直”是指88°至92°的角度范围。在本文中，术语“平行”包括与平行达2°角度偏差的情况。其中：

图1是具有两个执行器的执行器装置的实例的截面图。

具体实施方式

在下文中，左向缠绕的螺旋弹簧是从远离观察者的方向看时逆时针方向缠绕的螺旋弹簧。在下文中，右向缠绕的螺旋弹簧是从远离观察者的方向看时顺时针方向缠绕的螺旋弹簧。

图1是具有第一挺杆2和第二挺杆4的执行器装置1。第一挺杆2以可纵向移位的方式设置在第一导套6中。第二挺杆4以可纵向移位的方式设置在第二导套8中。两个导套6、8设置在导向壳体10中，彼此之间保持固定距离。第一挺杆2具有第一挺杆头12以及与第一挺杆头12相对的后端14。类似地，第二挺杆4具有第二挺杆头16以及与第二挺杆头16相对的后端18。第一复位弹簧22位于第一挺杆头12和形成于导向壳体10中的第一导套支撑件20之间。第二复位弹簧26位于第二挺杆头16和形成于导向壳体10中的第二导套支撑件24之间。第一复位弹簧22围绕第一挺杆2设置。第二复位弹簧26围绕第二挺杆4设置。第一执行器28与第一挺杆头12有效连接。第二执行器30与第二挺杆头16有效连接。电促动的第一执行器线圈32围绕第一执行器28设置。第二执行器线圈34围绕第二执行器30设置，同样以电动方式操作。

当第一执行器线圈32通电时，第一执行器28向下压在挺杆头12上，于是挺杆头12在第一导套6中轴向向下移动，直至第一挺杆2的后端14嵌入凸轮轴(未示出)的凹槽中。凸轮轴(未示出)绕垂直于第一挺杆2运动方向延伸的轴线旋转。

当挺杆2接触其所在的凸轮轴的凹槽边缘时，基于作用于凹槽边缘和第一挺杆后端14之间的摩擦力，扭矩以逆时针方向(从挺杆2的后端14沿朝向第一执行器28的方向看时)施加至第一挺杆2。第一挺杆2至少通过摩擦力有效连接至第一复位弹簧22，第一复位弹簧22也至少通过摩擦力至少在其靠着导套6的下端有效连接至第一导套6。若第一挺杆2在第一导套6中以逆时针方向旋转，从后端14看时，其沿第一复位弹簧22的缠绕方向旋转，即左向，因此作用于挺杆2和复位弹簧22之间的摩擦力有差别地减小了第一复位弹簧22的直径，使得第一挺杆2在第一导套6之内和/或之上不会倾斜。

由于第一复位弹簧22的直径有差别地减小，复位弹簧22的端部不会卡在第一挺杆2和复位弹簧22的最后一个线圈之间。即使复位弹簧的端部久而久之由于挺杆2而磨损，因此复位弹簧的弹性在此位置处减小，复位弹簧的端部也不会卡在第一挺杆2和复位弹簧22的最后一个线圈之间，因为挺杆2的运动方向不能使复位弹簧的端部沿与复位弹簧22缠绕方向相反的方向移动。

在第一复位弹簧22不是沿第一挺杆2的旋转方向缠绕的螺旋弹簧，而是沿与第一挺杆2的旋转方向相反的方向缠绕的螺旋弹簧，也就是右向缠绕的螺旋弹簧的情况下，由于第一复位弹簧22和第一挺杆2之间的摩擦力，第一复位弹簧22的直径将有差别地增大。通过复位弹簧22和挺杆2之间的相对旋转运动，复位弹簧22的端部将在其支撑区域逐渐磨损，因此变得越来越薄。这减小了复位弹簧22端部的弹性，并且复位弹簧22的端部可由于挺杆2与螺旋弹簧22缠绕方向相反的运动方向而被挺杆2夹住，并卡在挺杆2和复位弹簧22的最后一个线圈之间。一旦执行器28不再压着第一挺杆头12，第一复位弹簧22无法再使第一挺杆2移回至其初始默认位置，这导致该装置的故障。

第二复位弹簧26是右向缠绕的螺旋弹簧。当第二执行器30压着第二挺杆头16时，第二挺杆4在第二导套8中向下移动，直至嵌入到凸轮轴的凹槽或另一个凹槽中。凸轮轴绕垂直于第二挺杆4运动方向的轴线旋转，导致第二挺杆4受到右向的扭矩。由于第二复位弹簧26也是同向的复位弹簧，即右向缠绕的螺旋弹簧，因此能够可靠地避免第二挺杆4夹在第二导套8中或者在第二导套8中倾斜。

附图标记列表：

1 执行器装置

2 第一挺杆

4 第二挺杆

6 第一导套

8 第二导套

10 导向壳体

12 第一挺杆头；第一挺杆的前端

14 第一挺杆的后端

16 第二挺杆头；第二挺杆的前端

18 第二挺杆的后端

20 第一导套支撑件

22 第一复位弹簧

24 第二导套支撑件

26 第二复位弹簧

28 第一执行器

30 第二执行器

32 第一执行器线圈

34 第二执行器线圈

Claims (15)

1.一种具有第一挺杆(2)和第二挺杆(4)的执行器装置(1)，其中所述第一挺杆(2)以可移位方式设置在第一导套(6)中，所述第二挺杆(4)以可移位方式设置在第二导套(8)中，其中所述第一挺杆(2)沿其纵轴至少部分围绕有第一复位弹簧(22)，所述第二挺杆(4)沿其纵轴至少部分围绕有第二复位弹簧(26)，并且这两个导套(6,8)以固定间距设置，其特征在于，所述第一复位弹簧(22)是按左向缠绕的螺旋弹簧，所述第二复位弹簧(26)是按右向缠绕的螺旋弹簧。

2.根据权利要求1所述的执行器装置(1)，其特征在于，所述螺旋弹簧(22,26)是由玻璃纤维增强的合成材料制成的弹簧。

3.根据上述权利要求中一个所述的执行器装置(1)，其特征在于，所述螺旋弹簧(22,26)在每个端部分别具有至少两个相互邻接的端部绕组。

4.根据权利要求3所述的执行器装置(1)，其特征在于，按左向缠绕的所述螺旋弹簧(22)或者按右向缠绕的所述螺旋弹簧(26)在其两端中的至少一个端部具有三个相互邻接的端部绕组。

5.根据权利要求3或4所述的执行器装置(1)，其特征在于，每个螺旋弹簧(22,26)的至少一个端部被增大。

6.根据上述权利要求中一个所述的执行器装置(1)，包括第一执行器(28)和第二执行器(30)，其特征在于，所述第一执行器(28)相对于所述第一挺杆(2)设置使其有效连接至所述第一挺杆(2)的前端，且所述第二执行器(30)相对于所述第二挺杆(4)设置使其有效连接至所述第二挺杆(4)的前端。

7.根据权利要求6所述的执行器装置，其特征在于，所述执行器(28,30)是杆状的，并沿其各自的纵轴以可移动方式引导。

8.根据权利要求6或7所述的执行器装置(1)，其特征在于，所述执行器(28,30)可磁性操作，优选地围绕有执行器线圈。

9.根据上述权利要求中一个所述的执行器装置(1)，其特征在于，所述挺杆(2，4)是杆状的，优选柱状的，并且分别具有纵轴、挺杆头(12,16)分别加宽的前端，以及后端。

10.根据上述权利要求中一个所述的执行器装置(1)，其特征在于，所述复位弹簧(22,26)是压缩弹簧，其中每个复位弹簧(22,26)支撑在其所在的导套(6,8)之内和/或之上，并且围绕所述挺杆(2,4)的所述挺杆头(12,16)。

11.根据上述权利要求中一个所述的执行器装置(1)，包括带凹槽的凸轮轴，所述凹槽围绕所述凸轮轴的旋转轴线设置，其特征在于，所述挺杆(2,4)的后端相对于所述凸轮轴设计和布置，使得所述两个挺杆(2,4)其中一个的至少后端嵌入到所述凸轮轴的凹槽中，当绕一个挺杆(2,4)设置的所述复位弹簧(22,26)压缩时，这一个挺杆(2,4)相对于其所在的导套(6,8)沿所述凸轮轴的方向移动。

12.根据权利要求11所述的执行器装置(1)，其特征在于，所述凸轮轴是滑动凸轮轴，并且所述凹槽设置成在所述凸轮轴的表面上以相对于所述凸轮轴的旋转轴线至少部分倾斜的方式围绕所述凸轮轴延伸。

13.根据权利要求11或12所述的执行器装置(1)，其特征在于，所述导套(6,8)和/或所述挺杆(2,4)的纵轴垂直或者对齐所述凸轮轴的旋转轴线方向。

14.根据上述权利要求中一个所述的执行器装置(1)，其特征在于，所述导套(6,8)和/或所述挺杆(2,4)的纵轴相互平行设置。

15.具有根据上述权利要求中一个所述的执行器装置(1)的机动车辆。