CN111156218B - 一种凸轮式多稳态换向阀及其工作位切换方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种凸轮式多稳态换向阀及其工作位切换方法。现有的电磁阀中，仅有双稳态电磁通电阀能够具有两个稳定工作位；本发明一种凸轮式多稳态换向阀，包括阀座、阀芯、第一电磁铁、第二电磁铁、移动永磁体和工作位切换机构。第一电磁铁及第二电磁铁均为失电型电磁铁；工作位切换机构包括支架、转轴、单向轴承、扭簧、凸轮、推杆和传动组件。传动组件包括从动铁块、滑块、连杆和摇杆。本发明通过凸轮机构来驱动换向阀的阀芯，使得换向阀处于各个工作位时均不需要消耗电能，大大降低了电磁阀的使用成本；并且，克服了现有电磁换向阀中电磁铁需要长时间保持通电易发生损坏的缺陷，提高了换向阀的使用寿命。

Description

一种凸轮式多稳态换向阀及其工作位切换方法
技术领域
本发明属于电磁阀技术领域，具体涉及一种凸轮式多稳态换向阀及其工作位切换方法。
背景技术
现有的电磁换向阀中，仅有一个不需要消耗电能的稳定工作位，而电磁换向阀处于非稳定工作位时，电磁铁需要持续通电消耗电能。这大大提高了电磁换向阀的使用成本；现有的电磁阀中，仅有双稳态电磁通电阀能够具有两个稳定工作位；但是，对于换向阀而言，往往需要有三个或三个以上的工作位，以满足使用要求。因此，设计一种所有工作位均为稳定工作位的换向阀十分重要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种凸轮式多稳态换向阀及其工作位切换方法。
本发明一种凸轮式多稳态换向阀，包括阀座(1)、阀芯(2)、第一电磁铁(3)、第二电磁铁(4)、移动永磁体(5)和工作位切换机构。所述的第一电磁铁(3)及第二电磁铁(4)均为失电型电磁铁；阀座(1)上开设有阀芯安置通道。第一电磁铁(3)、第二电磁铁(4)分别固定在阀芯安置通道的两端。阀芯(2)设置在阀芯安置通道内。阀芯(2)位于第一电磁铁(3)与第二电磁铁(4)之间。移动永磁体(5)与阀芯(2)靠近第一电磁铁(3)的那端固定。在第一电磁铁(3)不通电的状态下，移动永磁体(5)与第一电磁铁(3)的相对端磁极极性相同。所述的阀座(1)上设置有多个油口。阀芯(2)在阀座(1)内具有m个工作位。
所述的工作位切换机构包括支架(7)、转轴(8)、单向轴承(9)、扭簧、凸轮(10)、推杆(11)和传动组件。支架(7)与阀座(1)固定。转轴(8)支承在支架(7)上。凸轮(10)通过单向轴承(9)支承在转轴(8)上。所述的转轴(8)上套置有扭簧。扭簧的两端与支架(7)、转轴(8)分别固定。
所述的第二电磁铁(4)呈筒状；推杆(11)穿过第二电磁铁(4)的中心孔。推杆(11)的内端与阀芯(2)固定，外端抵住凸轮(10)的工作轮廓。凸轮(10)的工作轮廓由n段单元轮廓组成。n段单元轮廓沿凸轮(10)的周向均布，且每段单元轮廓覆盖360°/n。每段单元轮廓上设置有m个定位点(10-1)。相邻两个定位点(10-1)之间成360°/(n·m)角。推杆(11)分别抵住同一单元轮廓上的m个定位点(10-1)的情况下，阀芯(2)分别处于m个工作位。
所述的传动组件包括从动铁块(13)、滑块(14)、连杆(16)和摇杆(12)。滑块(14)与固定在阀座(1)端部的导轨(15)构成滑动副。导轨(15)上设置有间隔设置的两个限位块(15-1)滑块(14)位于两个限位块(15-1)之间。连杆(16)的一端与滑块(14)铰接，另一端与摇杆(12)的一端铰接。摇杆(12)的另一端与转轴(8)固定。从动铁块(13)与滑块(14)固定。从动铁块(13)与第二电磁铁(4)的一个磁极对齐。滑块(14)由内限位位置滑动至外极限位置时，转轴转动360°/(n·m)角。
作为优选，本发明一种凸轮式多稳态换向阀还包括受吸块(6)。受吸块(6)与阀芯(2)靠近第二电磁铁(4)的那端固定。
作为优选，所述阀芯(2)在阀座(1)内的工作位数量m＝3；所述的阀座(1)上的油口数量为四个，分别为进油口、回油口、第一工作油口和第二工作油口。阀芯(2)处于第一个工作位下，进油口和第一工作油口连通，回油口和第二工作油口连通；阀芯(2)处于第二个工作位下，进油口和第二工作油口连通，回油口和第一工作油口连通；阀芯(2)处于第三个工作位下，进油口和回油口连通，第一工作油口和第二工作油口均截止。
作为优选，同一单元轮廓内的三个定位点(10-1)到凸轮(10)中心轴线的距离分别为a、b、c。阀芯(2)从第一个工作位移动到第二个工作位的位移量为b-a，从第二个工作位移动到第三个工作位的位移量为c-b。
作为优选，所述的单向轴承(9)包括外圈(9-1)、内圈(9-2)、滚珠(9-3)和弹簧(9-4)。内圈(9-2)固定在转轴(8)上。内圈(9-2)的侧面上开设有安置孔道组。安置孔道组由沿内圈(9-2)轴线的周向均布的多个安置孔道组成。安置孔道为盲孔。安置孔道的轴线与内圈(9-2)的轴线垂直且不相交。各安置孔道内均设置有滚珠(9-3)和弹簧(9-4)。弹簧(9-4)的两端与对应的滚珠(9-3)、安置孔道的内端分别固定。外圈(9-1)与内圈(9-2)构成转动副，且套置在内圈(9-2)上。各滚珠(9-3)均抵住外圈(9-1)的内侧面。外圈(9-1)与凸轮(10)的中心孔固定。
作为优选，所述推杆(11)的轴线与凸轮(10)的中心轴线垂直相交。
作为优选，定位点(10-1)为内凹点。
作为优选，所述的传动组件共有两个；两个传动组件分别位于推杆(11)的两侧。
该凸轮式多稳态换向阀的工作位切换方法，具体如下：
步骤一、初始状态下，推杆(11)的外端抵住凸轮(10)上的其中一个定位点(10-1)。阀芯(2)处于其中一个工作位处。第一电磁铁(3)及第二电磁铁(4)均通电，转轴(8)在扭簧作用下转动；滑块(14)在转轴(8)的驱动下滑动到外极限位置；两个滑块(14)从内极限位置移动到外极限位置的过程中，转轴(8)正转360°/(n·m)。转轴(8)转动的过程中，通过单向轴承(9)驱动凸轮(10)转动360°/(n·m)；凸轮(10)朝向阀芯(2)的点由一个定位点(10-1)变为另一个定位点(10-1)。
步骤二、第一电磁铁(3)及第二电磁铁(4)均断电，第一电磁铁(3)对移动永磁体(5)产生斥力；推杆(11)抵住凸轮(10)上朝向自身的定位点(10-1)，使得阀芯(2)保持在一个与步骤一执行前不相同的工作位上，此时即完成发现工作位的切换，阀座(1)上的各个油口的连通关系发生变化。
同时，第二电磁铁(4)对从动铁块(13)产生吸力，驱动滑块(14)向第二电磁铁(4)滑动至内极限位置。滑块(14)在滑动的过程中，驱动转轴(8)反转360°/(n·m)，使得扭簧恢复初始的变形状态程度；由于转轴(8)和凸轮(10)是通过单向轴承(9)连接的；故转轴(8)反转的过程中，不会带动凸轮(10)转动。
本发明具有的有益效果是：
1.本发明通过凸轮10机构来驱动换向阀的阀芯2，使得换向阀处于各个工作位时均不需要消耗电能，大大降低了电磁阀的使用成本；并且，克服了现有电磁换向阀中电磁铁需要长时间保持通电易发生损坏的缺陷，提高了换向阀的使用寿命。
2.本发明通过摇杆12滑块14机构、扭簧、单向轴承9相配合，仅通过电磁铁的通断电就能实现凸轮10的多次定角度转动，大大降低了本发明的控制难度和成本。
3.本发明通过失电型电磁铁在不通电时对阀芯2产生的磁力来保持阀芯2在工作过程中的定位可靠性；当工作位切换时，失电型电磁铁通电消磁，阀芯的受力方向变化；减小甚至消除了推杆11对凸轮10转动的阻力，保证了本发明的稳定可靠运行。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明的侧面示意图；
图3为本发明的仰视示意图；
图4为本发明的阀芯在第一工作位下的剖视图；
图5为本发明中凸轮、单向轴承、转轴的组合示意图；
图6为本发明的阀芯在第二工作位下的剖视图；
图7为本发明的阀芯在第三工作位下的剖视图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步说明。
如图1、2、3和4所示，一种凸轮式多稳态换向阀，包括阀座1、阀芯2、第一电磁铁3、第二电磁铁4、移动永磁体5、受吸块6和工作位切换机构。第一电磁铁3及第二电磁铁4均为失电型电磁铁；失电型电磁铁在不通电的情况下有磁性，通电后磁性消失。受吸块6采用磁性材料(能够被磁化的材料)。阀座1上开设有阀芯安置通道。第一电磁铁3、第二电磁铁4分别固定在阀芯安置通道的两端。阀芯2呈长条形，且与阀芯安置通道构成滑动副。阀芯2位于第一电磁铁3与第二电磁铁4之间。移动永磁体5、受吸块6与阀芯2的两端分别固定。移动永磁体5的外端朝向第一电磁铁3；受吸块6的外端朝向第二电磁铁4；在第一电磁铁3及第二电磁铁4不通电的状态下，移动永磁体5与第一电磁铁3的相对端磁极极性相同，相互产生排斥力。第二电磁铁4对受吸块6产生吸引力。因此，阀芯2在第一电磁铁3、第二电磁铁4的作用下受到朝向第二电磁铁4的力。移动永磁体5、受吸块6的侧面上设置有密封圈，使得阀芯2内通过的液压介质不会流到移动永磁体5、受吸块6以外的位置。
如图4、6和7所示，阀座1上开设有进油口P、回油口T、第一工作油口A和第二工作油口B。阀芯2在阀座1内具有三个工作位。阀芯2处于第一个工作位下，进油口P和第一工作油口A连通，回油口T和第二工作油口B连通，具体如图4所示；阀芯2处于第二个工作位下，进油口P和第二工作油口B连通，回油口T和第一工作油口A连通，具体如图6所示；阀芯2处于第三个工作位下，进油口P和回油口T连通，第一工作油口A和第二工作油口B均截止，具体如图7所示。阀芯2和阀座1中的流道设计属于现有技术，具体如图4、6和7所示，在此不作赘述。
如图2所示，工作位切换机构包括支架7、转轴8、单向轴承9、扭簧、凸轮10、推杆11和传动组件。支架7与阀座1固定，且位于阀座1上安装有第二电磁铁4的那端。转轴8支承在支架7上。凸轮10通过单向轴承9支承在转轴8上。单向轴承9包括外圈9-1、内圈9-2、滚珠9-3和弹簧9-4。内圈9-2固定在转轴8上。内圈9-2的侧面上开设有安置孔道组。安置孔道组由沿内圈9-2轴线的周向均布的三个安置孔道组成。安置孔道为盲孔。安置孔道的轴线与内圈9-2的轴线垂直且不相交。各安置孔道内均设置有滚珠9-3和弹簧9-4。弹簧9-4的两端与对应的滚珠9-3、安置孔道的内端分别固定。外圈9-1与内圈9-2构成转动副，且套置在内圈9-2上。各滚珠9-3均抵住外圈9-1的内侧面。外圈9-1与凸轮10的中心孔固定。转轴8上套置有扭簧。扭簧的两端与支架7、单向轴承9的内圈分别固定。扭簧能够使得转轴8在转动一定角度并失去驱动力后，会反向转动复位。单向轴承9使得转轴8能够驱动凸轮10向一个方向转动，但无法驱动凸轮10向另一个方向转动。故当转轴8正反交替转动时，凸轮10向一个方向间歇性转动。
如图4和5所示，第二电磁铁4呈筒状；推杆11穿过第二电磁铁4的中心孔。推杆11的内端与受吸块6或阀芯2固定，外端抵住凸轮10的工作轮廓。推杆11的轴线与凸轮10的中心轴线垂直相交。凸轮10的工作轮廓由四段单元轮廓组成。四段单元轮廓沿凸轮10的周向均布，且每段单元轮廓覆盖90°。每段单元轮廓上设置有三个定位点10-1。三个定位点10-1到凸轮10中心轴线的距离分别为a、b、c。阀芯2从第一个工作位移动到第二个工作位的位移量为b-a，从第二个工作位移动到第三个工作位的位移量为c-b。相邻两个定位点10-1之间成30°角。当凸轮10转动30°角时，推杆11从抵住其中一个定位点10-1转换到抵住相邻的另一个定位点10-1，使得推杆11推动阀芯2移动，实现换向阀的工作位切换。三个定位点10-1为内凹点。内凹点表示两侧的轮廓均向远离凸轮10中心轴线方向延伸的点；推杆11抵住内凹点时对凸轮10产生的推力经过凸轮10的中心轴线，故不会对凸轮10产生转动力矩。因此，将定位点10-1设计成内凹点能够使得推杆11和凸轮10的位置保持稳定。推杆11分别抵住同一单元轮廓上的三个定位点10-1的情况下，阀芯2分别处于三个工作位。当转轴8转动方向为凸轮10的工作转向相同时，转轴8带动凸轮10一同转动；当转轴8转动方向为凸轮10的工作转向相反时，转轴8的转动不会带动凸轮10一同转动；凸轮10的工作转向为凸轮10的单元轮廓中距离凸轮10轴线较远的定位点10-1转向距离凸轮10轴线较近的定位点10-1的方向。
传动组件包括从动铁块13、滑块14、导轨15、连杆16和摇杆12。从动铁块13采用磁性材料。导轨15与阀座1上安装有第二电磁铁4的那端固定。滑块14与导轨15构成滑动副。导轨15上固定有两个间隔设置的限位块15-1。滑块14被限定在两个限位块15-1之间滑动。连杆16的一端与滑块14铰接，另一端与摇杆12的一端铰接。摇杆12的另一端与转轴8固定。滑块14向内滑动能够驱动转轴8正向转动。转轴8在扭簧作用下的反向转动复位，能够驱动滑块14向外滑动复位。从动铁块13与滑块14的内侧固定。传动组件共有两个；两个传动组件分别位于推杆11的两侧。滑块(14)由内限位位置滑动至外极限位置时，转轴正转30°角。滑块(14)由外限位位置滑动至内极限位置时，转轴反转30°角。
两个传动组件内的从动铁块13均位于第二电磁铁4远离第一电磁铁3的一侧。在第二电磁铁4不通电的情况下，第二电磁铁4对两个从动铁块13产生吸力。当第一电磁铁3及第二电磁铁4均不通电的情况下，推杆11在阀芯2的作用下，抵住凸轮10(阀芯2受到第一电磁铁3的推力和第二电磁铁4的拉力)。两个从动铁块13受到第二电磁铁4的吸力，使得两个滑块14移动到内极限位置；此时扭簧变形，且经转轴8、摇杆12、连杆16的传递，对两个滑块14产生朝向远离第二电磁铁4方向的拉力。
当第一电磁铁3及第二电磁铁4均通电时，第一电磁铁3及第二电磁铁4的磁性消失；第二电磁铁4对阀芯2的吸力消失，第一电磁铁3对阀芯2的斥力变为吸力；第二电磁铁4对从动铁块13的吸力消失；转轴8在扭簧作用下转动，两个滑块14移动到外极限位置，转轴8通过单向轴承9驱动凸轮10转动30°；凸轮10抵住推杆11的位置，从一个定位点10-1转移到另一个定位点10-1，使得阀芯2的工作位发生变化；当第一电磁铁3及第二电磁铁4重新断电后，推杆11重新抵住凸轮10；两个滑块14重新移动到内极限位置，此时转轴8的转动不带动凸轮10转动。
初始状态下，推杆11的外端抵住凸轮10上的其中一个定位点10-1。阀芯2处于其中一个工作位处。
该凸轮式多稳态换向阀的工作位切换方法，具体如下：
步骤一、第一电磁铁3及第二电磁铁4均通电，转轴8在扭簧作用下转动；两个滑块14在转轴8的驱动下滑动到外极限位置；两个滑块14从内极限位置移动到外极限位置的过程中，转轴8正转30°。由于两个滑块14受到限位块15-1的限位，使得转轴8停止转动；转轴8转动的过程中，通过单向轴承9驱动凸轮10转动30°；凸轮10转动的过程中带动推杆11移动。推杆11推动阀芯2移动；凸轮10朝向阀芯2的点由一个定位点10-1变为另一个定位点10-1。
步骤二、第一电磁铁3及第二电磁铁4均断电，第一电磁铁3对移动永磁体5产生斥力，第二电磁铁4对受吸块6产生吸力；推杆11抵住凸轮10上朝向自身的定位点10-1，使得阀芯2保持在一个与步骤一执行前不相同的工作位上，此时即完成发现工作位的切换，阀座1上的进油口P、回油口T、第一工作油口A和第二工作油口B的连通关系发生变化。第二电磁铁4对两个从动铁块13产生吸力，驱动两个滑块14向第二电磁铁4滑动至内极限位置。两个滑块14在滑动的过程中，驱动转轴8反转30°，使得扭簧恢复初始的变形状态程度，以便驱动转轴8下一次转动30°；由于转轴8和凸轮10是通过单向轴承9连接的；故转轴8反转的过程中，不会带动凸轮10转动。

Claims (9)

1.一种凸轮式多稳态换向阀，包括阀座(1)、阀芯(2)、第一电磁铁(3)、第二电磁铁(4)、移动永磁体(5)和工作位切换机构；其特征在于：所述的第一电磁铁(3)及第二电磁铁(4)均为失电型电磁铁；阀座(1)上开设有阀芯安置通道；第一电磁铁(3)、第二电磁铁(4)分别固定在阀芯安置通道的两端；阀芯(2)设置在阀芯安置通道内；阀芯(2)位于第一电磁铁(3)与第二电磁铁(4)之间；移动永磁体(5)与阀芯(2)靠近第一电磁铁(3)的那端固定；在第一电磁铁(3)不通电的状态下，移动永磁体(5)与第一电磁铁(3)的相对端磁极极性相同；所述的阀座(1)上设置有多个油口；阀芯(2)在阀座(1)内具有m个工作位；
所述的工作位切换机构包括支架(7)、转轴(8)、单向轴承(9)、扭簧、凸轮(10)、推杆(11)和传动组件；支架(7)与阀座(1)固定；转轴(8)支承在支架(7)上；凸轮(10)通过单向轴承(9)支承在转轴(8)上；所述的转轴(8)上套置有扭簧；扭簧的两端与支架(7)、转轴(8)分别固定；
所述的第二电磁铁(4)呈筒状；推杆(11)穿过第二电磁铁(4)的中心孔；推杆(11)的内端与阀芯(2)固定，外端抵住凸轮(10)的工作轮廓；凸轮(10)的工作轮廓由n段单元轮廓组成；n段单元轮廓沿凸轮(10)的周向均布，且每段单元轮廓覆盖360°/n；每段单元轮廓上设置有m个定位点(10-1)；相邻两个定位点(10-1)之间成360°/(n·m)角；推杆(11)分别抵住同一单元轮廓上的m个定位点(10-1)的情况下，阀芯(2)分别处于m个工作位；
所述的传动组件包括从动铁块(13)、滑块(14)、连杆(16)和摇杆(12)；滑块(14)与固定在阀座(1)端部的导轨(15)构成滑动副；导轨(15)上设置有间隔设置的两个限位块(15-1)；滑块(14)位于两个限位块(15-1)之间；连杆(16)的一端与滑块(14)铰接，另一端与摇杆(12)的一端铰接；摇杆(12)的另一端与转轴(8)固定；从动铁块(13)与滑块(14)固定；从动铁块(13)与第二电磁铁(4)的一个磁极对齐；滑块(14)由内限位位置滑动至外极限位置时，转轴转动360°/(n·m)角。
2.根据权利要求1所述的一种凸轮式多稳态换向阀，其特征在于：还包括受吸块(6)；受吸块(6)与阀芯(2)靠近第二电磁铁(4)的那端固定。
3.根据权利要求1所述的一种凸轮式多稳态换向阀，其特征在于：所述阀芯(2)在阀座(1)内的工作位数量m＝3；所述的阀座(1)上的油口数量为四个，分别为进油口、回油口、第一工作油口和第二工作油口；阀芯(2)处于第一个工作位下，进油口和第一工作油口连通，回油口和第二工作油口连通；阀芯(2)处于第二个工作位下，进油口和第二工作油口连通，回油口和第一工作油口连通；阀芯(2)处于第三个工作位下，进油口和回油口连通，第一工作油口和第二工作油口均截止。
4.根据权利要求3所述的一种凸轮式多稳态换向阀，其特征在于：同一单元轮廓内的三个定位点(10-1)到凸轮(10)中心轴线的距离分别为a、b、c；阀芯(2)从第一个工作位移动到第二个工作位的位移量为b-a，从第二个工作位移动到第三个工作位的位移量为c-b。
5.根据权利要求1所述的一种凸轮式多稳态换向阀，其特征在于：所述的单向轴承(9)包括外圈(9-1)、内圈(9-2)、滚珠(9-3)和弹簧(9-4)；内圈(9-2)固定在转轴(8)上；内圈(9-2)的侧面上开设有安置孔道组；安置孔道组由沿内圈(9-2)轴线的周向均布的多个安置孔道组成；安置孔道为盲孔；安置孔道的轴线与内圈(9-2)的轴线垂直且不相交；各安置孔道内均设置有滚珠(9-3)和弹簧(9-4)；弹簧(9-4)的两端与对应的滚珠(9-3)、安置孔道的内端分别固定；外圈(9-1)与内圈(9-2)构成转动副，且套置在内圈(9-2)上；各滚珠(9-3)均抵住外圈(9-1)的内侧面；外圈(9-1)与凸轮(10)的中心孔固定。
6.根据权利要求1所述的一种凸轮式多稳态换向阀，其特征在于：所述推杆(11)的轴线与凸轮(10)的中心轴线垂直相交。
7.根据权利要求1所述的一种凸轮式多稳态换向阀，其特征在于：定位点(10-1)为内凹点。
8.根据权利要求1所述的一种凸轮式多稳态换向阀，其特征在于：所述的传动组件共有两个；两个传动组件分别位于推杆(11)的两侧。
9.如权利要求1所述的一种凸轮式多稳态换向阀的工作位切换方法，其特征在于：步骤一、初始状态下，推杆(11)的外端抵住凸轮(10)上的其中一个定位点(10-1)；阀芯(2)处于其中一个工作位处；第一电磁铁(3)及第二电磁铁(4)均通电，转轴(8)在扭簧作用下转动；滑块(14)在转轴(8)的驱动下滑动到外极限位置；两个滑块(14)从内极限位置移动到外极限位置的过程中，转轴(8)正转360°/(n·m)；转轴(8)转动的过程中，通过单向轴承(9)驱动凸轮(10)转动360°/(n·m)；凸轮(10)朝向阀芯(2)的点由一个定位点(10-1)变为另一个定位点(10-1)；
步骤二、第一电磁铁(3)及第二电磁铁(4)均断电，第一电磁铁(3)对移动永磁体(5)产生斥力；推杆(11)抵住凸轮(10)上朝向自身的定位点(10-1)，使得阀芯(2)保持在一个与步骤一执行前不相同的工作位上，此时即完成阀芯(2)工作位的切换，阀座(1)上的各个油口的连通关系发生变化；
同时，第二电磁铁(4)对从动铁块(13)产生吸力，驱动滑块(14)向第二电磁铁(4)滑动至内极限位置；滑块(14)在滑动的过程中，驱动转轴(8)反转360°/(n·m)，使得扭簧恢复初始的变形状态程度；由于转轴(8)和凸轮(10)是通过单向轴承(9)连接的；故转轴(8)反转的过程中，不会带动凸轮(10)转动。
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