CN112204229B - 用于苏格兰轭致动器的简化机构 - Google Patents

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Abstract

致动器将线性运动转换为旋转运动。所述致动器包括具有纵向轴线的动力活塞。所述动力活塞构造为沿着所述纵向轴线来回移动。滑动支撑件布置在所述动力活塞中的横孔开口内。所述横孔开口具有正交于所述纵向轴线的滑动支撑件轴线。所述滑动支撑件构造为在所述横孔开口内来回移动。输出轴具有正交于所述纵向轴线和所述滑动支撑件轴线二者的中心轴线。所述输出轴包括偏心轴销，所述偏心轴销插入穿过所述动力活塞中的狭槽并且布置在所述滑动支撑件的空腔中。所述偏心轴销偏离于所述输出轴的所述中心轴线。所述动力活塞的往复移动使所述滑动支撑件来回移动，从而使所述输出轴旋转。

Description

用于苏格兰轭致动器的简化机构
技术领域
本发明总体上涉及用于喷气式发动机的空气阀致动器，并且更具体地涉及苏格兰轭致动器。
背景技术
喷气式发动机采用空气阀的各种原因包括但不限于，乘客舱降温、涡轮机清理以及压缩机放气。通常，这些空气阀需要某种类型的旋转致动。针对这些应用而开发的不同类型的致动器机械化包括但不限于，旋转叶片致动器(RVA)、线性曲柄滑块、苏格兰轭致动器、反向苏格兰轭致动器、旋转活塞致动器(RPA)以及齿条和小齿轮致动器。
在飞机涡轮发动机上使用的空气阀中，将线性力转换为旋转扭矩的最常见的机构是线性曲柄滑块。线性曲柄滑块具有若干缺点，其中主要有：1)由于实施机械化所需的长度而导致的较大的悬垂质量，这增加了系统的尺寸、重量以及成本；2)严酷环境下的流体/空气边界处的线性密封件和刮油环对可靠性有不利影响；3)暴露于严酷环境的连杆和相关的支撑件对可靠性造成不利影响。
因此，期望具有一种解决上述缺点的空气阀致动系统。本发明的实施例提供了这样的空气阀致动系统。本发明的这些和其他优点以及另外的有创造性的特征将从本文提供的本发明的描述中明白易懂。
发明内容
在一个方案中，本发明的实施例提供了一种用于将线性运动转换为旋转运动的致动器。所述致动器包括气缸，所述气缸具有纵向轴线和动力活塞，所述动力活塞构造为沿着所述纵向轴线在所述气缸内以往复的方式来回移动。滑动支撑件布置在所述动力活塞中的横孔开口内。所述横孔开口具有正交于所述纵向轴线的滑动支撑件轴线。所述滑动支撑件构造为在所述横孔开口内来回移动。输出轴具有正交于所述纵向轴线和所述滑动支撑件轴线二者的中心轴线。所述输出轴包括偏心轴销，所述偏心轴销插入穿过所述动力活塞中的狭槽并且布置在所述滑动支撑件的空腔内。并且所述偏心轴销偏离于所述输出轴的所述中心轴线。所述动力活塞的往复移动使所述滑动支撑件来回移动，从而使所述输出轴旋转。
在本发明的某些实施例中，所述滑动支撑件由自润滑材料制成。所要求保护的致动器还可以包括第一径向衬套，所述第一径向衬套组装到所述输出轴上并且邻近所述输出轴的包括所述偏心轴销的端部。在一些实施例中，所述第一径向衬套为环形径向衬套。
在其他实施例中，所要求保护的致动器包括第一轴密封件，所述第一轴密封件组装到所述输出轴上，以防止流体从所述气缸向所述输出轴泄漏。此外，所要求保护的致动器还可以包括第二径向衬套和第二轴密封件，所述第二径向衬套和所述第二轴密封件分别组装到所述输出轴上，接近所述第一径向衬套和所述第一轴密封件。在特定的实施例中，所述第一轴密封件为环形密封件。
另外，在某些实施例中，所述输出轴和所述偏心轴销为整体的，构成为单个部件。此外，所述输出轴和所述偏心轴销可以包括万向连接装置以容纳所述输出轴的偏转。
在另一个方案中，本发明的实施例提供了一种空气阀，所述空气阀包括阀外壳以及布置在所述阀外壳内的能够移动的阀构件。所述空气阀还包括联接至所述阀构件的阀致动器。所述阀致动器包括具有纵向轴线的动力活塞，所述动力活塞构造为沿着所述纵向轴线在所述气缸内以往复的方式来回移动。滑动支撑件布置在所述动力活塞中的横孔开口内。所述横孔开口具有正交于所述纵向轴线的滑动支撑件轴线。所述滑动支撑件构造为在所述横孔开口内来回移动。输出轴具有正交于所述纵向轴线和所述滑动支撑件轴线二者的中心轴线。所述输出轴包括偏心轴销，所述偏心轴销插入穿过所述动力活塞中的狭槽并且布置在所述滑动支撑件的空腔内。所述偏心轴销偏离于所述输出轴的所述中心轴线。而且，所述动力活塞的往复移动使所述滑动支撑件来回移动，从而使所述输出轴旋转。
在特定的实施例中，所述输出轴延伸穿过所述阀外壳并且控制所述阀构件的旋转运动。在更加特定的实施例中，所述空气阀为蝶形阀，并且所述阀构件为盘，所述输出轴使所述盘旋转以控制流过所述阀外壳的流体流。在替代的实施例中，所述空气阀为球阀，并且所述阀构件为球，所述输出轴使所述球旋转以控制流过所述阀外壳的流体流。
在某些实施例中，所述空气阀包括联接至容纳所述动力活塞的气缸的电动液压伺服阀(EHSV)，所述电动液压伺服阀构造为控制所述动力活塞的线性移动。在更加特定的实施例中，所述空气阀包括布置在所述气缸中的线性可变差动变压器，所述线性可变差动变压器构造为提供用于所述动力活塞的位置信息。
在空气阀的一些实施例中，第一径向衬套组装到所述输出轴上。所述第一径向衬套邻近所述输出轴的包括偏心轴销的端部。实施例还包括第一轴密封件，所述第一轴密封件组装到所述输出轴上，以防止流体从所述气缸向所述输出轴泄漏。其他实施例包括第二径向衬套和第二轴密封件，所述第二径向衬套和所述第二轴密封件分别组装到所述输出轴上，接近所述第一径向衬套和所述第一轴密封件。
空气阀的另外的实施例包括具有转子的步进电动机。凸轮操作性地连接至所述步进电动机。所述凸轮响应于所述转子的旋转而旋转。所述凸轮布置在控制阀体内，所述控制阀体具有进入端口、杆部端口、头部端口以及至少一个排放端口。控制活塞位于所述控制阀体内并且具有喷嘴，所述喷嘴位于所述凸轮的第一侧并靠近所述凸轮的表面而且能够在零位置与流动位置之间移动。所述喷嘴具有从所述控制活塞的第一端部引导的流动路径。所述控制活塞还包括用于在所述控制活塞的第二端部上施加力的装置。所述控制活塞由于响应于所述凸轮的位置改变而发生的所述控制活塞的端部处的压力不平衡而移动。致动器活塞能够操作地联接至所述凸轮。所述致动器活塞具有第一侧和第二侧。所述第一侧与所述头部端口流体连通，并且所述第二侧与所述杆部端口流体连通。所述凸轮响应于所述致动器活塞的移动而移动。所述致动器活塞产生所述动力活塞的往复移动，其转而使所述滑动支撑件往复移动，从而使所述输出轴旋转。
空气阀的另外的实施例包括所述凸轮连接至使所述凸轮旋转的齿轮轴的实施例，所述致动器还包括连接在所述转子与所述齿轮轴之间的齿轮箱。在某些实施例中，所述控制活塞的平移打开所述头部端口和所述杆部端口中的一个用于供给，而所述头部端口和所述杆部端口中的另一个用于排放，由此使所述致动器活塞和齿条进行冲程式运动，其中，所述控制活塞朝向所述控制阀体的第一端部的平移打开所述头部端口用于供给并且打开所述杆部端口用于排放，并且其中，所述控制活塞朝向所述控制阀体的第二端部的平移打开所述头部端口用于排放并且打开所述杆部端口用于供给，并且其中，所述致动器活塞响应于齿条冲程而使所述凸轮旋转并且使所述控制活塞向机械零位置平移。
在特定的实施例中，用于在所述控制活塞的第二端部上施加力的装置为弹簧，其与所述控制活塞的所述第二端部操作性地接触，其中，所述控制活塞的所述第二端部与所述排放端口流体连通。在其他实施例中，用于在所述控制活塞的第二端部上施加力的装置为双直径端部，其使其一端与所述进入端口流体连通，并且其中，所述双直径部的所述端部处的液压以与所述控制活塞的所述第一端部处的液压相同的方式变化。
在又一个方案中，本发明的实施例提供了一种用于将线性运动转换为旋转运动的致动器。所述致动器包括动力活塞，所述动力活塞构造为沿着纵向轴线在气缸内以往复的方式来回移动。滑动支撑件布置在所述动力活塞中的横孔开口内。所述横孔开口具有正交于所述纵向轴线的滑动支撑件轴线。所述滑动支撑件构造为在所述横孔开口内来回移动。输出轴具有正交于所述纵向轴线和所述滑动支撑件轴线二者的中心轴线。所述输出轴包括偏心轴销，所述偏心轴销插入穿过所述动力活塞中的狭槽并且布置在所述滑动支撑件的空腔内。所述偏心轴销偏离于所述输出轴的所述中心轴线。所述致动器包括具有转子的步进电动机。凸轮操作性地连接至所述步进电动机。所述凸轮定位为响应于所述转子的旋转而旋转。所述凸轮布置在控制阀体内，所述控制阀体具有进入端口、杆部端口、头部端口以及至少一个排放端口。控制活塞位于所述控制阀体内并且具有喷嘴，所述喷嘴位于所述凸轮的第一侧并靠近所述凸轮的表面，而且能够在零位置与流动位置之间移动。所述喷嘴具有从所述控制活塞的第一端部引导的流动路径。所述控制活塞还包括用于在所述控制活塞的第二端部上施加力的装置。所述控制活塞由于响应于所述凸轮的位置改变而发生的所述控制活塞的端部处的压力不平衡而移动。致动器活塞能够操作地联接至所述凸轮。所述致动器活塞具有第一侧和第二侧。所述第一侧与所述头部端口流体连通，并且所述第二侧与所述杆部端口流体连通。所述凸轮响应于所述致动器活塞的移动而移动。所述致动器活塞产生所述动力活塞的往复移动，其转而使所述滑动支撑件来回移动，从而使所述输出轴旋转。
在特定的实施例中，所述滑动支撑件由自润滑材料制成。在另外的实施例中，所述输出轴和所述偏心轴销为整体的，构成为单个部件，并且其中，所述输出轴和所述偏心轴销包括万向连接装置以容纳所述输出轴的偏转。本发明的实施例包括所述凸轮连接至使所述凸轮旋转的齿轮轴的实施例，所述致动器还包括连接在所述转子与所述齿轮轴之间的齿轮箱。
在特定的实施例中，所述控制活塞的平移打开所述头部端口和所述杆部端口中的一个用于供给，而所述头部端口和所述杆部端口中的另一个用于排放，由此使所述致动器活塞和齿条进行冲程式运动。在另外的实施例中，所述控制活塞朝向所述控制阀体的第一端部的平移打开所述头部端口用于供给并且打开所述杆部端口用于排放，并且所述控制活塞朝向所述控制阀体的第二端部的平移打开所述头部端口用于排放并且打开所述杆部端口用于供给。
在一些实施例中，所述致动器活塞响应于齿条冲程而使所述凸轮旋转并且使所述控制活塞向机械零位置平移。用于在所述控制活塞的第二端部上施加力的装置包括与所述控制活塞的所述第二端部操作性地接触的弹簧，其中，所述控制活塞的所述第二端部与所述排放端口流体连通。替代地，用于在所述控制活塞的第二端部上施加力的装置可以包括双直径端部，所述双直径端部使其一端与所述进入端口流体连通，并且其中，所述双直径部的所述端部处的液压以与所述控制活塞的所述第一端部处的液压相同的方式变化。
在颁发给斯皮卡德(Spickard)的美国专利第7,963,185号中公开了步进电动机驱动的致动器的实施例。该专利参考的全部内容合并到本文中。
当结合附图时，本发明的其他方案、目的以及优点将从接下来的详细描述中变得更加明白易懂。
附图说明
合并于本专利说明书中并且形成本专利说明书的一部分的附图图示出本发明的若干方案，并且连同说明书一起用于解释本发明的原理。在附图中：
图1为根据本发明的实施例构成的苏格兰轭致动器的一部分的立体图；
图2为示出苏格兰轭致动器的截面的图1的苏格兰轭致动器的立体图；
图3为根据本发明的实施例构成的苏格兰轭致动器的立体剖视图；
图4为结合有根据本发明的实施例的苏格兰轭致动器的空气阀的立体图；
图5为结合有苏格兰轭致动器的图4的空气阀的另一个立体图；
图6A和图6B示出结合有根据本发明的实施例的苏格兰轭致动器的空气阀的替代实施例；
图7为根据本发明的实施例的步进电动机驱动的苏格兰轭致动器的立体图；
图8为根据本发明的教导的致动器系统的截面图；
图9为图8的致动器系统的部分截面图，为了清楚将步进电动机示出为单独的部件，并且控制活塞处于居中的位置；
图10为图示出凸轮-齿条相互配合的图9为致动器系统的示意图；
图11为图9的致动器系统的部分截面图，控制活塞处于在致动器抵靠缩回停止的情况下流体沿缩回方向驱动致动器的位置；
图12为图2的致动器系统的部分截面图，控制活塞处于在致动器抵靠伸展停止的情况下流体沿伸展方向驱动致动器的位置；
图13为根据本发明的教导构成的致动器系统的单个喷嘴实施例的部分截面图；以及
图14为根据本发明的教导构成的致动器系统的另一个单个喷嘴实施例的部分截面图。
虽然将结合某些优选实施例来描述本发明，但并不意图将其限制于那些实施例。相反，意图在于涵盖包括在由所附的权利要求书限定的本发明的主旨和范围内的所有替代例、变型例以及等同替代方式。
具体实施方式
图1是根据本发明的实施例构成的苏格兰轭致动器100的一部分的立体图。图2是图1的苏格兰轭致动器的立体图，示出了苏格兰轭架致动器的截面。苏格兰轭致动器100包括动力活塞102，所述动力活塞102构造为在图1中的箭头所示的方向上往复运动地线性移动。在所示的实施例中，动力活塞102是圆柱形的，然而可以设想其他活塞构造。动力活塞102具有纵向轴线104和横孔开口106。在横孔开口106内有滑动支撑件108。滑动支撑件108具有滑动支撑件轴线110。滑动支撑件轴线110正交于动力活塞102的纵向轴线104。在特定的实施例中，滑动支撑件108由自润滑材料制成。
在图1和图2的实施例中，输出轴112基本上与动力活塞102成直角地定位在动力活塞102下方。输出轴112具有与纵向轴线104和滑动支撑件轴线110二者正交的中心轴线114。在输出轴112的一端有偏心轴销116。偏心轴销116在接近输出轴112的外径的位置从中心轴线114偏移。偏心轴销116延伸穿过活塞中的狭槽118，并且进一步延伸至滑动支撑件108的空腔中。在特定的实施例中，输出轴112和偏心轴销116是整体的，即，由一个连续件材料制成，例如通过注射成型、铸造或者由一个单件材料加工制成。
在图1和图2中，第一径向衬套120和第二径向衬套122在偏心轴销116下方并且组装到输出轴112上。两个环形衬套120、122沿着输出轴112彼此间隔开一定距离地布置在输出轴112上。在两个衬套120、122之间，第一轴密封件124和第二轴密封件126同样沿着输出轴112彼此间隔开设置。像衬套120、122一样，在图1和图2的实施例中，第一轴密封件124和第二轴密封件126是环形的。
图3是苏格兰轭致动器100(参见图1和图2)的立体剖视图，所述苏格兰轭致动器100包括容纳动力活塞102的封闭气缸130和容纳输出轴112的轴外壳132。在本发明的某些实施例中，气缸130构造为保持液压流体，所述液压流体用于使动力活塞102在气缸130内以往复的方式线性地移动。如图3所示，输出轴112由第一径向衬套120和第二径向衬套122支撑在轴外壳132内。第一径向衬套120、第二径向衬套122、第一轴密封件124以及第二轴密封件126被输出轴轴承134围绕。
图4和图5示出了结合有根据本发明的图1至图3的苏格兰轭致动器100的空气阀200的不同的立体图。空气阀200包括阀体202和阀构件204，在图4和图5的图示中指示了阀构件204的位置，但未明确地示出。然而，本领域普通技术人员将能够看出空气阀200如何工作。在典型的实施例中，阀是球阀，而阀构件将是通常在球阀中使用的类型的球，或者阀是蝶形阀，而阀构件将是通常在蝶形中使用的类型的盘。
阀构件204的移动由苏格兰轭致动器100控制。电动液压伺服阀206联接至气缸130，使得电动液压伺服阀206通过控制进出气缸130的液压流体流来控制动力活塞102在气缸130内的位置。在特定的实施例中，空气阀还包括位置传感器208，诸如线性可变差动变压器，以确定动力活塞102在气缸130内的位置。
在操作中，电动液压伺服阀206向气缸130中提供液压流体流，以在气缸130内以往复的方式使活塞线性地来回移动。当动力活塞102来回移动时，输出轴112上的偏心销116旋转。该旋转通过滑动支撑件108实现，滑动支撑件108在横向于动力活塞102的移动的方向上来回滑动。如能够从图1和图2看出的，动力活塞102和滑动支撑件108的同时线性移动允许偏心轴销116以圆周运动移动，从而使输出轴112旋转。旋转输出轴112或者直接控制阀构件204的位置，如将在下文中描述并且在图6A和图6B中示出的，或者像图4和图5的实施例那样通过经由连杆机构连接至阀构件204而间接地控制阀构件204的位置。
图6A和图6B示出了根据本发明的实施例的结合有苏格兰轭致动器302的空气阀300的替代实施例的平面图和俯视图。苏格兰轭致动器302包括活塞304、滑动支撑件306以及偏心轴销308。空气阀300还包括具有位置传感器312的电动液压伺服阀310，所述位置传感器312可以是线性可变差动变压器。
在示例性实施例中，图6A和图6B的空气阀300采用蝶形阀，然而，该构造可以与多个其他类型的阀一起使用。这样，未在图6A中示出具体的阀，因为所要求保护的苏格兰轭致动器302可以操作一系列类型的阀。然而，本领域普通技术人员将容易理解如何将示例性的蝶形阀(例如具有布置在阀外壳内的蝶形板)与所示的苏格兰轭致动器302结合在一起。苏格兰轭致动器302操作以使偏心轴销308旋转，所述偏心轴销308联接至一体输出轴318，在示例性实施例中，所述一体输出轴318直接控制蝶形板的位置以调节通过阀外壳的空气流。第一轴密封件320和第二轴密封件322组装到一体输出轴318上。在图6A和图6B的实施例中，第一轴轴承324被组装到第一和第二轴密封件320、322之间的一体输出轴318上。
如上所述并且在图1至图6B中示出的苏格兰轭致动器100、300的实施例解决了与线性曲柄滑块相关的若干问题。如上文中提到的，本发明解决的一些问题包括消除了通常与线性曲柄滑块相关的较大的悬垂质量。这样，本发明的苏格兰轭致动器比传统的致动器更轻且更紧凑。
线性曲柄滑块通常在液压流体/空气边界处将线性密封件与刮油环结合在一起。由于密封件沿着活塞筒的反复擦拭运动，这些密封件会磨损并可能损坏。如果杂质进入密封件与擦拭表面之间，则液压流体中的固体杂质能够增加对这些密封件的损坏。这样，必须经常更换密封件，否则能够发生流体泄漏。本发明中使用的环形密封件120、122没有经受与线性曲柄滑块中使用的密封件相同的擦拭运动，并且环形密封件120、122不位于液压流体/空气边界处，而且因此不太可能遇到固体杂质。取而代之的是，本发明的环形密封件120、122经受输出轴112的旋转，所述旋转不如线性曲柄滑块密封件所历经的擦拭运动严苛。
关于线性运动向旋转运动的转换，输出轴112和偏心轴销116的整体式单件结构提供了比线性曲柄滑块更可靠、花费少的技术方案。而且，滑动支撑件的自润滑特性将磨损降至最低并且提高了可靠性。在本发明的特定的实施例中，如上所述，即使当轴相对于活塞和气缸从其通常的正交位置偏斜时，万向连接装置也允许致动器的可靠操作。
图7的立体图示出了本发明的替代实施例，所述替代例包括步进电动机驱动的苏格兰轭致动器400。步进电动机驱动的苏格兰轭致动器400消除了对位置传感器和位置反馈的需要。消除了通常由例如电动液压伺服阀(EHSV)瓣阀提供的液压放大，并且由恒定增益凸轮喷嘴放大跟踪系统代替。凸轮喷嘴、步进电动机以及与致动器活塞的齿条连通的齿轮箱的组合，提供了准确且鲁棒的致动定位系统。该实施例的一个特征是其能够提供“故障固定”系统，即，在电源故障的情况下维持其最后命令位置的系统。
在图7的实施例中，步进电动机驱动的苏格兰轭致动器400包括步进电动机402。如下所示，步进电动机402具有输出轴，所述输出轴具有联接至多个行星齿轮的小齿轮，所述多个行星齿轮转而联接至齿圈404。齿圈404联接至齿条406。行星齿轮的输出轴408联接至布置在第一气缸410内部的凸轮。所述凸轮用于对控制活塞进行定位，其工作将在下文中更详细地描述。
齿条406布置在第二气缸412的表面上，所述第二气缸412容纳具有横孔开口106的动力活塞102和用于步进电动机驱动的苏格兰轭致动器400的滑动支撑件108(参见图1至图3)。输出轴414包括偏心销416，所述偏心销416被插入穿过第二气缸412中的狭槽，并且被进入滑动支撑件108的空腔中(参见图1至图3)。如以上的实施例所描述的，输出轴414旋转以控制用于空气阀的阀构件。因此，在一些实施例中，输出轴414的底端418联接至阀体202和阀构件204，如图4和5所示。在特定的实施例中，阀可以是球阀或者蝶形阀，但不限于这些阀类型。
图8至图14提供了步进电动机驱动的致动系统的示例性实施例的详细视图。参照图8至图10，步进电动机500用于驱动凸轮502。步进电动机驱动行星齿轮系统504，在行星齿轮系统504中，齿圈506与齿条508处于啮合关系。小齿轮510与步进电动机转子512一体化。当步进电动机500旋转时，小齿轮510旋转。小齿轮510旋转使行星齿轮514和行星架516旋转。输出轴518附接至行星架516并与其一起旋转。类似地，附接至输出轴518的凸轮502与输出轴518一起旋转。
凸轮旋转增加了凸轮502与位于凸轮502的一侧的喷嘴520之间的间隙，并且减小了凸轮502与位于凸轮502的另一侧的喷嘴520之间的间隙。间隙中的差异影响控制活塞522的端部524上的Pz1和Pz2压力，以便在将使凸轮喷嘴间隙重新相等的方向上推动控制活塞522。控制活塞的平移打开头部端口526和杆部端口528以供应或者排出，由此使致动器活塞530和齿条508进行冲程式运动。齿条508将直接的致动器位置反馈提供给齿圈506，使齿圈506旋转。齿圈的旋转使行星齿轮514和行星架516旋转回到它们的原始位置，由此使凸轮旋转并且使控制活塞522平移至机械零位置(即，中心位置)。
当凸轮502处于中心位置时，液压流将进入端口534，穿过凸轮-喷嘴-孔口系统(即，围绕凸轮502并且穿过喷嘴520和对应的孔口)进入管线536，并且随后由于Pb排放端口中的较低的压力而通过Pb端口538排出。应当注意的是，与流体从活塞端524离开喷嘴520(即，“流出”)的传统的阀相比，流动的方向是从管线534经由凸轮-喷嘴-间隙进入喷嘴520(即“流入”)。
注意到的是，当凸轮502定位为使得控制活塞522朝向控制阀体532中的最左侧位置540时，供给端口534向头部端口526开口(参见图12)。当发生这种情况时，液压流穿过端口534，穿过头部端口526流出并且穿过杆部端口528返回，而且穿过Pb端口538排出。当凸轮502定位为使得控制活塞522朝向控制阀体532中的最右侧位置542时，供给端口534向杆部端口528开口(参见图11)。液压流穿过端口534，穿过杆部端口528流出并且穿过头部端口526返回，而且从Pb端口544排出。
在通过适当尺寸的液压和机电系统的正常操作期间，由于系统的响应，控制活塞522不太可能处于其最左侧位置540或者其最右侧位置542(分别如图12和图11所示)。在图11中，液压装置沿缩回方向驱动致动器，但致动器抵靠缩回停止。图12描绘了沿伸展方向驱动致动器的液压装置，但致动器抵靠伸展停止。
通常，当步进电动机500旋转凸轮502时，控制活塞522开始移动并且流体进入头部端口526或者杆部端口528。当控制活塞522由于凸轮502的旋转而继续移动时，流体进入所穿过的端口(即，头部端口526或者杆部端口528)打开得更宽，因此增加了流量。当流体推动致动器活塞530时，杆部508移动，因此如上所述旋转齿圈506。齿圈506通过杆部508的旋转导致凸轮502和控制活塞522平移到机械零位置，因此防止进一步流向致动器。结果是致动器活塞530到电动机转子512的成比例地跟踪。只要系统的动态足够快以跟上来自电动机500的输入，则致动器530将通过轴518、凸轮502的较小且短暂的旋转以及控制活塞522的平移来跟踪电动机500的命令。
对系统的主要干扰是输入至致动器的力。致动器活塞530的任何移动将引起齿条508平移和齿圈506旋转。由于精密的齿轮箱系统504，任何齿圈移动导致凸轮502旋转。系统的高压增益确保了针对任何凸轮502旋转的控制活塞522移动。与大的头部/杆部区域联接的控制阀端口526和528的高压增益将导致具有最小的位置误差的所需的阻力。
上述的步进电动机500以及所附的部件将能量较低的电动机与能量较高的液压装置联接。将步进电动机500与合适的齿轮箱504结合提供了在保持相同能量水平的同时降低步进电动机速度并且增加其扭矩的能力。这通过电动机定子、转子齿数以及齿轮箱比的适当选择来实现。这些部件能够用于增加电动机扭矩，降低其对扭矩干扰的敏感性，并且依然保持电动机足够快以应对动态操作。通常，步进电动机500具有几乎完美的增益，并且由于较高的扭矩能力、齿轮箱扭矩放大以及步进电动机的固有止动特征而基本上不被扭矩干扰影响。在示出的实施例中，步进电动机500的圆形、对称、平衡的结构大体上不受振动和温度变化的影响。
定子和转子齿的精密加工布局提供了步进电动机500的固有基线位置和增益精度。如果进行了准确的校准，并且取消了干扰的影响，则消除了对传感器的需要。该精度不随寿命变化，基本上在单元之间是不变的，并且不是任何校准程序的函数。在某些实施例中，步进电动机500的圆形、对称的结构在存在环境变化(例如，温度)的情况下保持该精度。输出轴518处的扭矩干扰(诸如动态密封摩擦、喷嘴液压载荷、不平衡的凸轮质量等)最小，并且基本上被精密齿轮箱504(包括小齿轮510、齿圈506、行星齿轮514以及行星架516)和步进电动机500的高止动扭矩抵制。
止动扭矩防止干扰具有任何明显的影响，直到干扰达到完全压制步进电动机500的程度。在特定的实施例中，步进电动机转子骑在精密球轴承上，并且在存在平移加速度(即，振动)的情况下固有地围绕其旋转轴线精确平衡，所以电动机转子处的扭矩干扰能够忽略不计。由于两个通道共享相同的转子-定子-极通量电路，因此步进电动机500没有通道-通道跟踪误差。功率瞬变对稳态操作没有影响，并且精密齿轮箱具有最小的齿隙。在一个实施例中，齿轮箱504的齿隙大约是步进电动机500的两个步进增量。
在彻底理解了牢牢掌握的双喷嘴的实施例的情况下，现在将注意力引导向图13和图14，其描绘了本发明的单喷嘴实施例。这些单喷嘴实施例中的每个都与上述双喷嘴实施例类似地操作，并且与上述双喷嘴实施例相比降低了成本，尽管是以减小的力增益和力裕度(force margin)为代价的。每个实施例利用用于在控制活塞522的一端施加力的措施。具体地，图13图示出一个实施例，其中所述措施是具有恒定压力(Pb)的弹簧预压。图14描绘了不包括弹簧预压，而是利用双直径端部的单喷嘴实施例，所述双直径端部在一个直径上具有供给压力，而在另一个直径上具有压力Pb。
关于图13的实施例，弹簧560在控制活塞522上提供预压，例如，在一个实施例中为10磅的预压。本领域技术人员将认识到，可以依据特定安装的操作参数和条件提供其他预压力，并且因此所有这样的预压都将包括在本文中。该负荷由存在于控制活塞522的相反端的Pz1感应力来平衡。作为凸轮502和喷嘴间隙的函数，在端口534(Pc)处的压力与端口544(Pb)处的压力之间调节Pz1。在存在恒定的弹簧力(忽略弹簧比例(spring scale))和恒定的Pc-Pb压力的情况下，凸轮502与喷嘴520之间的流体间隙恒定。这确保了活塞位置为凸轮位置的函数，并且只是凸轮位置的函数。
在图14所描绘的单喷嘴实施例中，弹簧预压经由双直径端部562由液压负荷代替。双直径端部562是满足需要的，在于它的液压力以与Pzl力作用在控制活塞522的相反端上相同的方式随Ps(在端口534处)-Pb(在端口544处)变化。该特性确保了在存在变化的Ps-Pb的情况下凸轮-喷嘴间隙保持恒定，这确保了活塞位置522是凸轮502的函数，并且只是凸轮502的函数。
如能够从前面的内容看出的，已经描述了一种鲁棒的步进电动机驱动的比例致动器。如本文所使用的，鲁棒性是指系统在存在干扰输入和环境变化的情况下保持准确的能力。干扰导致整个步进-位置图中的移位，而增益变化导致图的斜率的变化。干扰归因于不希望的扭矩和力以及不完全的校准。增益变化归因于由部件寿命和环境导致的输出/输入特性的变化。通过尽可能地将干扰的程度最小化，通过在必要时将装置与干扰隔离，通过将装置的干扰抵制特性最大化，通过设计具有最小磨损的装置和/或性能不受磨损影响的装置，通过精确的校准，以及通过在存在环境变化(例如，温度、杂散磁通、振动、压力等)的情况下的固有的增益精度，由本发明的实施例获得鲁棒性。
本文引用的所有参考文献，包括公开出版物、专利申请以及专利均通过参考以如下程度合并到本文中：就像每个参考文献被单独且具体地指示以在本文中以其全部内容通过参考而合并并且提出那样的程度。
术语“个”(不定冠词“a”或“an”)和“所述”以及类似名词在描述本发明的情况下(尤其是在随后的权利要求书的情况下)的使用被解释为覆盖单个和多个，除非在本文中另有说明或通过上下文清楚地否定。术语“包括”(comprising或including)、“具有”以及“包含”被解释为开放性术语(即，意味着“包括，但不限于”)，除非另有注解。在本文中对数值范围的陈述仅意在用作单独参考落入所述范围内的每个单独的数值的速记法，除非本文另有说明，并且每个单独的数值被合并到本说明书中，就像其在本文中被单独陈述那样。在本文中描述的全部方法能够以任何合适的顺序执行，除非在本文中另有说明或通过上下文清楚地否定。在本文中提供的任何以及全部示例，或者示例性的语言(例如，“诸如”)的使用仅仅意在更好地阐明本发明并且并非造成对本发明的范围的限制，除非另有要求。说明书中没有语言应当被解释为将任何未要求的元素表明为本发明的实践所必要的。
在本文中描述了本发明的优选实施例，包括了发明人已知的用于实施本发明的最好的方式。在阅读前面的描述时这些优选实施例的变型对本领域技术人员而言变得明白易懂。发明人期望有技术的技术人员适当地采用这样的变型，并且发明人意在不同于本文具体描述地实践本发明。因此，如所适用的法律所允许的，本发明包括所附的权利要求书中列举的主题的全部变型例和等同替代方式。而且，本发明包含在全部可能的变型中的上述元素的任何结合，除非在本文中另有说明或通过上下文清楚地否定。

Claims (32)

1.一种致动器，用于将线性运动转换为旋转运动，所述致动器包括：
气缸，其具有纵向轴线以及布置在所述气缸中的动力活塞，所述动力活塞构造为沿着所述纵向轴线在所述气缸内以往复的方式来回移动；
滑动支撑件，其布置在所述动力活塞中的横孔开口内，所述横孔开口具有正交于所述纵向轴线的滑动支撑件轴线，所述滑动支撑件构造为在所述横孔开口内来回移动；
输出轴，其具有正交于所述纵向轴线和所述滑动支撑件轴线二者的中心轴线，所述输出轴包括偏心轴销，所述偏心轴销插入穿过所述动力活塞中的狭槽并且布置在所述滑动支撑件的空腔内，并且所述偏心轴销偏离于所述输出轴的所述中心轴线；
其中，所述动力活塞的往复移动使所述滑动支撑件来回移动，从而使所述输出轴旋转。
2.根据权利要求1所述的致动器，其中，所述滑动支撑件由自润滑材料制成。
3.根据权利要求1所述的致动器，还包括第一径向衬套，所述第一径向衬套组装到所述输出轴上并且邻近所述输出轴的包括所述偏心轴销的端部。
4.根据权利要求3所述的致动器，其中，所述第一径向衬套为环形径向衬套。
5.根据权利要求3所述的致动器，还包括第一轴密封件，所述第一轴密封件组装到所述输出轴上，以防止流体从所述气缸向所述输出轴泄漏。
6.根据权利要求5所述的致动器，还包括第二径向衬套和第二轴密封件，所述第二径向衬套和所述第二轴密封件分别组装到所述输出轴上，接近所述第一径向衬套和所述第一轴密封件。
7.根据权利要求5所述的致动器，其中，所述第一轴密封件为环形密封件。
8.根据权利要求1所述的致动器，其中，所述输出轴和所述偏心轴销为整体的，构成为单个部件。
9.一种致动器，用于将线性运动转换为旋转运动，所述致动器包括：
动力活塞，其具有纵向轴线，所述动力活塞构造为沿着所述纵向轴线以往复的方式来回移动；
滑动支撑件，其布置在所述动力活塞中的横孔开口内，所述横孔开口具有正交于所述纵向轴线的滑动支撑件轴线，所述滑动支撑件构造为在所述横孔开口内来回移动；
输出轴，其具有正交于所述纵向轴线和所述滑动支撑件轴线二者的中心轴线，所述输出轴包括偏心轴销，所述偏心轴销插入穿过所述动力活塞中的狭槽并且布置在所述滑动支撑件的空腔内，并且所述偏心轴销偏离于所述输出轴的所述中心轴线；
步进电动机，其具有转子；
凸轮，其操作性地连接至所述步进电动机，所述凸轮定位为响应于所述转子的旋转而旋转，所述凸轮布置在控制阀体内，所述控制阀体具有进入端口、杆部端口、头部端口以及至少一个排放端口；
控制活塞，其位于所述控制阀体内并且具有喷嘴，所述喷嘴位于所述凸轮的第一侧并靠近所述凸轮的表面而且能够在零位置与流动位置之间移动，并且所述喷嘴具有从所述控制活塞的第一端部引导的流动路径，所述控制活塞还包括用于在所述控制活塞的第二端部上施加力的装置，所述控制活塞由于响应于所述凸轮的位置改变而发生的所述控制活塞的端部处的压力不平衡而移动；
致动器活塞，其能够操作地联接至所述凸轮，所述致动器活塞具有第一侧和第二侧，所述第一侧与所述头部端口流体连通，并且所述第二侧与所述杆部端口流体连通，所述凸轮响应于所述致动器活塞的移动而移动；
其中，所述致动器活塞产生所述动力活塞的往复移动，其转而使所述滑动支撑件来回移动，从而使所述输出轴旋转。
10.根据权利要求9所述的致动器，其中，所述滑动支撑件由自润滑材料制成。
11.根据权利要求9所述的致动器，其中，所述输出轴和所述偏心轴销为整体的，构成为单个部件。
12.根据权利要求9所述的致动器，其中，所述凸轮连接至使所述凸轮旋转的齿轮轴，所述致动器还包括连接在所述转子与所述齿轮轴之间的齿轮箱。
13.根据权利要求9所述的致动器，其中，所述控制活塞的平移打开所述头部端口和所述杆部端口中的一个用于供给，而所述头部端口和所述杆部端口中的另一个用于排放，由此使所述致动器活塞和齿条进行冲程式运动。
14.根据权利要求13所述的致动器，其中，所述控制活塞朝向所述控制阀体的第一端部的平移打开所述头部端口用于供给并且打开所述杆部端口用于排放，并且其中，所述控制活塞朝向所述控制阀体的第二端部的平移打开所述头部端口用于排放并且打开所述杆部端口用于供给。
15.根据权利要求13所述的致动器，其中，所述致动器活塞响应于齿条冲程而使所述凸轮旋转并且使所述控制活塞向机械零位置平移。
16.根据权利要求9所述的致动器，其中，用于在所述控制活塞的第二端部上施加力的装置包括与所述控制活塞的所述第二端部操作性地接触的弹簧，其中，所述控制活塞的所述第二端部与所述排放端口流体连通。
17.根据权利要求9所述的致动器，其中，用于在所述控制活塞的第二端部上施加力的装置包括双直径端部，所述双直径端部使其一端与所述进入端口流体连通，并且其中，所述双直径端部处的液压以与所述控制活塞的所述第一端部处的液压相同的方式变化。
18.一种空气阀，包括：
阀外壳；
能够移动的阀构件，其布置在所述阀外壳内；
阀致动器，其联接至所述阀构件，所述阀致动器包括：
动力活塞，其具有纵向轴线，所述动力活塞构造为沿着所述纵向轴线以往复的方式来回移动；
滑动支撑件，其布置在所述动力活塞中的横孔开口内，所述横孔开口具有正交于所述纵向轴线的滑动支撑件轴线，所述滑动支撑件构造为在所述横孔开口内来回移动；
输出轴，其具有正交于所述纵向轴线和所述滑动支撑件轴线二者的中心轴线，所述输出轴包括偏心轴销，所述偏心轴销插入穿过所述动力活塞中的狭槽并且布置在所述滑动支撑件的空腔内，并且所述偏心轴销偏离于所述输出轴的所述中心轴线；
其中，所述动力活塞的往复移动使所述滑动支撑件来回移动，从而使所述输出轴旋转。
19.根据权利要求18所述的空气阀，其中，所述输出轴延伸穿过所述阀外壳并且控制所述阀构件的旋转运动。
20.根据权利要求19所述的空气阀，其中，所述空气阀为蝶形阀，并且所述阀构件为盘，所述输出轴使所述盘旋转以控制流过所述阀外壳的流体流。
21.根据权利要求19所述的空气阀，其中，所述空气阀为球阀，并且所述阀构件为球，所述输出轴使所述球旋转以控制流过所述阀外壳的流体流。
22.根据权利要求18所述的空气阀，还包括电动液压伺服阀，其联接至容纳所述动力活塞的气缸，所述电动液压伺服阀构造为控制所述动力活塞的线性移动。
23.根据权利要求22所述的空气阀，还包括布置在所述气缸中的线性可变差动变压器，所述线性可变差动变压器构造为提供用于所述动力活塞的位置信息。
24.根据权利要求22所述的空气阀，还包括第一径向衬套，所述第一径向衬套组装到所述输出轴上并且邻近所述输出轴的包括偏心轴销的端部。
25.根据权利要求24所述的空气阀，还包括第一轴密封件，所述第一轴密封件组装到所述输出轴上，以防止流体从所述气缸向所述输出轴泄漏。
26.根据权利要求25所述的空气阀，还包括第二径向衬套和第二轴密封件，所述第二径向衬套和所述第二轴密封件分别组装到所述输出轴上，接近所述第一径向衬套和所述第一轴密封件。
27.根据权利要求18所述的空气阀，其中，所述滑动支撑件由自润滑材料制成。
28.根据权利要求18所述的空气阀，其中，所述输出轴和所述偏心轴销为整体的，构成为单个部件。
29.根据权利要求18所述的空气阀，还包括：
步进电动机，其具有转子；
凸轮，其操作性地连接至所述步进电动机，所述凸轮定位为响应于所述转子的旋转而旋转，所述凸轮布置在控制阀体内，所述控制阀体具有进入端口、杆部端口、头部端口以及至少一个排放端口；
控制活塞，其位于所述控制阀体内并且具有喷嘴，所述喷嘴位于所述凸轮的第一侧并靠近所述凸轮的表面而且能够在零位置与流动位置之间移动，并且所述喷嘴具有从所述控制活塞的第一端部引导的流动路径，所述控制活塞还包括用于在所述控制活塞的第二端部上施加力的装置，所述控制活塞由于响应于所述凸轮的位置改变而发生的所述控制活塞的端部处的压力不平衡而移动；
致动器活塞，其能够操作地联接至所述凸轮，所述致动器活塞具有第一侧和第二侧，所述第一侧与所述头部端口流体连通，并且所述第二侧与所述杆部端口流体连通，所述凸轮响应于所述致动器活塞的移动而移动；
其中，所述致动器活塞产生所述动力活塞的往复移动，其转而使所述滑动支撑件往复移动，从而使所述输出轴旋转。
30.根据权利要求29所述的空气阀，其中，所述凸轮连接至使所述凸轮旋转的齿轮轴，所述致动器还包括连接在所述转子与所述齿轮轴之间的齿轮箱。
31.根据权利要求29所述的空气阀，其中，所述控制活塞的平移打开所述头部端口和所述杆部端口中的一个用于供给，而所述头部端口和所述杆部端口中的另一个用于排放，由此使所述致动器活塞和齿条进行冲程式运动，其中，所述控制活塞朝向所述控制阀体的第一端部的平移打开所述头部端口用于供给并且打开所述杆部端口用于排放，并且其中，所述控制活塞朝向所述控制阀体的第二端部的平移打开所述头部端口用于排放并且打开所述杆部端口用于供给，并且其中，所述致动器活塞响应于齿条冲程而使所述凸轮旋转并且使所述控制活塞向机械零位置平移。
32.根据权利要求29所述的空气阀，其中，用于在所述控制活塞的第二端部上施加力的装置包括如下中的一个：
弹簧，其与所述控制活塞的所述第二端部操作性地接触，其中，所述控制活塞的所述第二端部与所述排放端口流体连通；以及
双直径端部，其使其一端与所述进入端口流体连通，并且其中，所述双直径端部处的液压以与所述控制活塞的所述第一端部处的液压相同的方式变化。
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