CN112460314A - 致动器及排气阀驱动装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种能够抑制产生共鸣音的致动器。致动器(1)包括框体(2)、从框体(2)的内部向外部突出设置的输出轴(3)、设在框体(2)内的电动机(4)、连接在电动机(4)与输出轴(3)之间的减速机构(5)，减速机构(5)包括由蜗杆(51)及蜗轮(52)啮合而成的蜗轮结构，蜗杆(51)设置在从电动机(4)的主体(43)突出的驱动轴(42)的前端，蜗轮(52)与输出轴(3)一体旋转，在驱动轴(42)的蜗杆(51)与电动机主体(43)之间设有用于增加惯量的锭子(41)。

Description

致动器及排气阀驱动装置
技术领域
本发明涉及一种致动器及排气阀驱动装置。
背景技术
历来已知通过对设在发动机排气通路中的排气阀进行开闭，能够切换排气路经的排气阀驱动装置(例如，参照专利文献1)。
<现有技术文献>
<专利文献>
专利文献1：日本特开2017-115617号公报
发明内容
<本发明要解决的课题>
其中，排气阀驱动装置中用于驱动排气阀的致动器被设置在排气通路周围，因发动机舱的空间条件，优选尽量进行小型化。为了实现致动器的小型化，必须对作为致动器的驱动源的内置型电动机进行小型化。对电动机进行小型化时，若想将致动器的输出扭力维持在小型化前的相同值，则必须使电动机与致动器的输出轴之间的减速比相对增大。例如，在减速机构是蜗轮结构的情况下，由于蜗轮相对增大，与设在电动机的驱动轴上的蜗杆进行啮合的位置会相对于电动机主体被拉远，因此有必要加长驱动轴。然而，驱动轴因电动机的小型化而变细，若再加长驱动轴，蜗杆与蜗轮的啮合会导致驱动轴共振，而产生共鸣音。
本发明的目的在于提供一种能够抑制产生共鸣音的致动器及排气阀驱动装置。
<解决上述课题的手段>
本发明的实施方式的一个观点的致动器包括框体、从所述框体的内部向外部突出设置的输出轴、设在所述框体内的电动机、连接在所述电动机与所述输出轴之间的减速机构，所述减速机构包括由蜗杆与蜗轮啮合而成的蜗轮结构，所述蜗杆被设置在从所述电动机的主体突出的驱动轴的前端，所述蜗轮与所述输出轴一体旋转，在所述驱动轴的所述蜗杆与所述电动机的所述主体之间，设有用于增加惯量的锭子(a weight)。
同样，本发明的实施方式的一个观点的排气阀驱动装置包括上述的致动器和连接在所述输出轴并设置在内然机的排气通路中的排气阀。
<发明的效果>
根据本发明，可提供能够抑制产生共鸣音的致动器及排气阀驱动装置。
附图说明
图1是排气阀驱动装置的斜视图。
图2是图1中的致动器的分解斜视图。
图3是电动机的分解斜视图。
图4是表示致动器的内部配置的平面图。
图5是说明产生共鸣音的模拟条件的概略图。
图6是表示模拟结果的频率解析的图。
具体实施方式
以下，参照附图来说明实施方式。为了便于理解，各图中相同的结构尽量采用相同符号，并省略重复的说明。
在以下的说明中，x方向、y方向、z方向是相互垂直的方向。x方向及y方向是典型的水平方向，z方向是典型的垂直方向。另外，以下说明中，方便起见，还将z正方向侧称为上侧、z负方向侧称为下侧。
首先参照图1，说明本实施方式的致动器1适用的排气阀驱动装置100。图1是排气阀驱动装置100的斜视图。图1中，为了便于理解排气阀驱动装置100的内部结构，拆除了附图表侧的一部分框体，并以剖面显示拆除部分的边界。
排气阀驱动装置100是用于进行排气路经切换的装置，其通过对设在发动机(内燃机)的排气通路110的排气阀101进行开闭，来切换多个排气管，在集合管的情况下，切换集合方式等。因此，例如能够提高汽车的排气效率及新气充填效率、调整消声器的排气音。
如图1所示，排气阀驱动装置100包括排气阀101、与排气阀101连接的旋转轴102、用于使旋转轴102旋转的致动器1。排气阀101的旋转轴102与致动器1的输出轴3，如图1所示，通过一对连接构件103相连接，由此可将致动器1的输出轴3的旋转传递到排气阀101。
在此，图1中例示了排气阀驱动装置100被配置在发动机的排气通路110的上侧(z正方向侧)，且旋转轴102与输出轴3以z方向作为轴线方向的结构，但排气阀驱动装置100的配置并不限定于此。
同时参照图1与图2，说明致动器1的结构。图2是图1中的致动器1的分解斜视图。图2与图1同样，为了便于理解致动器1的内部结构，拆除了附图表侧的一部分框体，并以剖面显示拆除部分的边界。
致动器1通过减速机构5将电动机4的驱动力传递至输出轴3，使输出轴3旋转，进而将输出轴3的驱动力输出到被驱动部(本实施方式中是排气阀101)。如图1、图2所示，致动器1包括框体2、输出轴3、电动机4(驱动源)、减速机构5及旋转测量部6。
框体2由在输出轴3的轴线方向(z方向)上相对配置的上壳体21及下壳体22构成。图1、图2的例子中，上壳体21被配置在z正方向侧，下壳体22被配置在z负方向侧。上壳体21与下壳体22例如由树脂材料形成。为了防水，上壳体21与下壳体22夹着垫圈等相接合，电动机4及减速机构5、输出轴3的一部分等被收容于其内部。
减速机构5连接在电动机4与输出轴3之间，并进行动力传递。本实施方式中，减速机构5是由设在电动机4的驱动轴上的蜗杆51(螺杆齿轮)及与输出轴3一体设置的蜗轮52(斜齿轮)以彼此的旋转轴方向垂直的方式啮合而构成的蜗轮传动装置。在图1、图2的例子中，电动机4以驱动轴在x方向上延伸的方式配置，因此蜗杆51以x方向作为旋转轴进行旋转。
蜗轮52以输出轴3的轴心作为旋转中心，在输出轴3的径方向外侧形成同心圆状。即，蜗轮52以z方向作为旋转轴进行旋转。蜗轮52与输出轴3，例如是由金属材料形成的蜗轮52与由树脂材料形成的输出轴3通过嵌件模塑(insert molding)形成的一体结构。
通过这种减速机构5，电动机4旋转驱动时，电动机4的驱动力从蜗杆51传递至蜗轮52，使输出轴3旋转。
在上壳体21的内壁设有轴承23，其用于支撑输出轴3的z正方向侧的一端31。另外，在下壳体22设有开口24，输出轴3的z负方向侧的另一端32通过该开口24露出在框体2的外部。该输出轴3的另一端32连接于上述连接构件103。
电动机4被设置在上壳体21与下壳体22之间，并被上壳体21与下壳体22夹持。在电动机4的驱动轴的端部设有与蜗轮52啮合的蜗杆51。电动机4根据设置在外部的控制器(例如，车辆的ECU等)的控制而旋转驱动，以使与蜗杆51啮合的蜗轮52及输出轴3旋转。
旋转测量部6测量输出轴3的旋转量。旋转量包含旋转数、旋转角度及旋转速度的至少一个。旋转测量部6包括磁石61及霍尔IC(霍尔元件)62，且磁石61被设置成可与输出轴3一体旋转的形态，霍尔IC62在磁石61的旋转轨道外侧与磁石61相对配置。磁石61是N极与S极沿着输出轴3的旋转方向交替配置的结构。霍尔IC62是用于检测磁束密度(由磁石61施加在IC的磁场)的极性变化，并输出电压可变化的交变检测型(alternating type)霍尔IC。旋转测量部6能够根据霍尔IC62的检测值，测量出输出轴3的旋转量。在此，霍尔IC62的个数并不限定于图2所示的1个，还可以是2个以上。这种情况下，各IC沿着圆筒状围壁25配置。
霍尔IC62的脚部，如图2所示，与同样与基板63连接的端子64电连接。这3个端子64从框体2向外部突出设置。通过将这些端子64与车载ECU等控制装置电连接，能够获取霍尔IC62的测量值，并导出输出轴3的旋转量。另外，该控制装能够根据输出轴3的旋转量来控制电动机4的驱动，以将排气阀101调成所希望的开度。
还参照图3、图4，说明电动机4的结构。图3是电动机4的分解斜视图。图4是表示致动器1的内不配置的平面图。图3、图4均是从图1、图2的下方(z负方向)侧观察时的图。
如图3、图4所示，电动机4包括电动机主体43以及从该电动机主体43向一个方向(本实施方式中为x方向)突出的驱动轴42，电动机4驱动时驱动轴42旋转并输出驱动力。如上所述，在驱动轴42的前端，以能够与驱动轴42一体旋转的方式，减速机构5(蜗轮结构)的蜗杆51被固定在驱动轴42。
尤其是本实施方式中，在电动机4的驱动轴42上，在蜗杆51与电动机主体43之间设置有用于增加惯量的锭子41。锭子41与驱动轴42形成同心圆状，例如可以是圆柱形状，或如图3、图4所示，圆柱形状的驱动轴42前端侧具有外径逐渐变小的倾斜面41a的形状。该倾斜面41a例如是与圆锥体的周面形同的形状。通过设置这种倾斜面41a，如图4所示，能够确保用于配置蜗轮52的空间，能够接近电动机主体43侧配置，因此能够缩短驱动轴42及蜗杆51，进一步实现致动器1的小型化。
然而，在将致动器1应用于排气阀驱动装置100中，用来驱动排气阀101的情况下，例如图1所示，将其设置在排气通路110的周围。而因发动机舱的空间关系，优选尽量对致动器1进行小型化。为了实现致动器1的小型化，需要对作为致动器1的驱动源被内置的电动机4进行小型化。对电动机4进行小型化时，若要保持致动器1的输出扭力与小型化前同样，必须相对加大电动机4与致动器1的输出轴3之间的减速比。在本实施方式这种减速机构5是蜗轮结构的情况下，蜗轮52会相对增大，从而蜗轮52与设在电动机4的驱动轴42上的蜗杆51的啮合位置会相对于电动机主体43远移，因此需要加长驱动轴42。但是，电动机的小型化导致驱动轴42变细，若加长驱动轴42，蜗杆51与蜗轮52的啮合会引发驱动轴42的共振，产生共鸣音。
在此，就致动器1动作时产生共鸣音(尖叫噪音:squeal)的机理进行说明。
(1)首先，在排气阀驱动装置100中将排气阀101从全开驱动至关闭侧的情况下，排气阀101的复位弹簧的力与致动器1的驱动方向相同，因此，会成为在减速机构5的齿轮(蜗轮52)的啮合部分几乎无施加负荷的状态。
(2)在减速机构5的齿轮的啮合部分无施加负荷的状态，喔着有轻负荷的状态下，电动机4的驱动轴42能够振动。
(3)减速机构5的蜗杆51与蜗轮52的啮合部，因蜗杆51的旋转，与蜗轮52的齿轮齿面摩擦的同时驱动。
(4)蜗杆51与蜗轮52的啮合部产生金属件的滑动，啮合部分的压力较小时，因粘滑(Stick Slip)现象，电动机4的驱动轴42被激发振动。
(5)粘滑現象的激发振动频率与电动机4的驱动轴42的共振频率一致时，驱动轴42会共鸣发出尖叫噪音。
从上述产生机制考虑，通过有意图地使电动机4的驱动轴42的共振频率偏移，能够抑制共鸣音的产生。通过变更驱动轴42的惯量，能够变更共振频率。因此，在本实施方式中，通过在电动机4的驱动轴42设置用于增加惯量的锭子41，刻意使共振频率偏离，其结果能够抑制共鸣音的产生。
锭子41的材料例如是黄铜。锭子41的重量越增，惯量也会越增，在不超过框体2的内部空間限制的的范围内，锭子41的重量越大越好。作为锭子41的重量标准，优选是能够使驱动轴42的共振频率至少偏移2.7％的重量。锭子41的重量更优选是能够使驱动轴42的共振频率偏移3.9％的重量，进而优选是能够使驱动轴42的共振频率偏移6.4％的重量。此外，还可以通过例如锭子41的直径等重量以外的要素来调整上述共振频率的偏移量。
参照图5、图6来说明根据有无锭子41而相应获得的共鸣音生成模拟(simulation)结果。图5是说明共鸣音生成模拟的条件的概略图。图6是表示模拟结果的频率解析的图。
如图5所示，分别对电动机主体43与蜗杆51之间未设锭子41的结构(无锭子)、设有锭子41的结构、设有锭子41且其重量分三个阶段变化的情况(锭子A、B、C)，确认了固有振动频率(natural frequency)。设有锭子41的结构的情况，在图5的虚线所示的电动机主体43与蜗杆51之间的位置设置了锭子41。作为模拟条件，将驱动轴42从电动机主体43的轴承突出在外部的位置A(图5中的双点二点链线所示的位置)设为驱动轴42的固定端，并且，将驱动轴42的前端与蜗杆51内壁的接触位置B设为驱动轴42的支撑端。即，将边界条件设为固定-简单支承。
一般可通过以下公式(1)算出固有振动频率f。
Figure BDA0002554657820000071
其中，L是从轴前端的位置B到轴承的位置A为止的距离，模拟中设为L＝20mm。A是驱动轴42的剖面面积，在此，驱动轴42的径被设为d＝3mm，因此A＝2.25π。ρ是质量密度，在此驱动轴42的材质为SUS420，质量密度为7750kg/m3，蜗杆51的材质为SUS303，质量密度为7939kg/m3。E是杨氏模量(Young's modulus)，驱动轴42的杨氏模量为200000MPa，蜗杆51的杨氏模量为193000MPa。I是断面惯性矩(moment of inertia of area)，在此为圆形断面，因此是I＝πd4/64。K是根据边界条件及振动模式而定的无因次常数，边界条件为固定-简单支承支撑的情况下，k＝3.927。另外，驱动轴42的泊松比(Poisson's ratio)为0.27，蜗杆51的泊松比为0.29。
通过模拟算出的固有振动频率如表1所示。
[表1]
规格 无锭子 锭子A 锭子B 锭子C
锭子径 - 11.5 13.0 13.0
锭子重量(g) - 4.6 5.6 6.5
固有振动频率(Hz) 2118.7 2061.7 2035.3 1982.7
固有振动频率变化量(Hz) - 57.0 83.3 136.0
安全率 - 1.00 1.46 2.38
尖叫噪音的产生 ×(有) ○(无) ○(无) ○(无)
如表1所示，通过设置锭子41，相较于未设锭子的情况而言，固有振动频率的变化有显著差异，由此可知消除了尖叫噪音的产生。另外，当按照锭子A、锭子B、锭子C的顺序越是增加锭子41的重量，或锭子41的径越大时，固有振动频率的变化量增大，能够更确实地防止产生尖叫噪音。即，可知为了抑制尖叫噪音的安全率更高。
图6中对比表示了在表1的无锭子的情况下、有锭子B的情况下所产生的噪音的频率分析结果。图中的横轴表示频率(kHz)，纵轴表示各频率的噪音程度(dB)。曲线N1、曲线N2及曲线N3分别表示背景噪音、无锭子、锭子B的频率特性。
无锭子的情况下，如曲线N2的虚线圆区域所示，峰值在固有振动频率(2.1187kHz)的整数倍，发生了电动机轴的共振所致的共鸣音。相对而言，有锭子的情况下，如曲线N3所示，无锭子时的峰值消失，可知无共振所致的共鸣音发生。因此，表1、图6的模拟结果示出，当在电动机4的驱动轴42上设置用于增加惯量的锭子41时，能够降低共鸣音的发生。
另外，在本实施方式中，通过在电动机4的驱动轴42上设置用于增加惯量的锭子41，能够改善响应性(时间常数)。以下就该效果进行说明。
首先，考虑对致动器1进行小型化时的响应性变化。将历来的相对较大的致动器作为致动器A，小型化后的致动器作为致动器B，以下采用符号A、B进行区分。
小型化后的致动器B中，电动机4也小型化，驱动轴42也变得较细，因此电动机4的响应性会显出与历来的致动器A不同的举动。为了对小型化致动器B的响应性与历来的大型致动器A的响应性进行校准(align)，求出能够校准电动机4的机械性(旋转数)时间常数的惯量目标值Jd。
一般而言电动机的机械时间常数(mechanical time constant)TM可由以下公式(2)表示。
TM＝J×Ra/(Kt×Ke)···(2)
在此，J是电动机的惯量，Ra是线圈电阻，Kt是扭力常数，Ke是感应电压常数。
致动器A的机械时间常数TMA，如下所示，可通过以下公式(2)算出。
TMA＝4.26×10-6[kg·m2]×1.32[Ω]/
(2.19×10-6[V/rpm]×60/2π×0.02[Nm/A])＝0.014[sec]
另一方面，致动器B的机械时间常数TMB，如下所示，可通过公式(2)算出。
TMB＝1.21×10-6[kg·m2]×1.45[Ω]/
(1.56×10-6[V/rpm]×60/2π×0.01429[Nm/A])＝0.008[sec]
即，TMB/TMA＝0.008/0.014＝0.571，致动器B的机械时间常数TMB相对于致动器A的机械时间常数TMA快出42.9％。为了使致动器B的机械时间常数TMB与致动器A的机械时间常数TMA校准，探讨通过惯量进行调整。惯量目标值Jd能够使机械时间常数成为TMA既可，可由以下公式(3)所示。
Jd＝TMA×Kt×Ke/Ra···(3)
若在公式(3)中采用与上述公式(2)相同的参数进行计算，可如下算出惯量目標値Jd。
Jd＝0.014[sec]×1.56×10-6[kg·m2]×60/2π×0.01429[Nm/A]/
1.45[Ω]＝2.057×10-6[kg·m2]
在本实施方式中，利用锭子41使电动机4的惯量接近目标值Jd，使致动器B的机械时间常数TMB接近致动器A的机械时间常数TMA。在此，适用图3、图4等中所示的形状的锭子41，在主体侧的最大径为13mm、轴方向的长度为7.15mm、材料未黄铜的情况下，锭子41的惯量Jw例如成为Jw＝0.109×10-6[kg·m2]。此时，致动器B的除去锭子41的惯量若为JB＝1.21×10-6[kg·m2]，致动器B的惯量成为JB+JW＝1.319×10-6[kg·m2]。因此，可如下算出设有锭子41时的致动器B的机械时间常数TMBW。
TMBW＝1.319×10-6[kg·m2]×1.45[Ω]/
(1.56×10-6[kg·m2]×60/2π×0.01429[Nm/A])＝0.00898[sec]
因此，TMBW/TMA＝0.00898/0.014＝0.64，致动器B的机械时间常数TMBW相对于致动器A的机械时间常数TMA快出36％。即，与无锭子41的情况比较，有6.9％的改善。
历来，为了致动器小型化而对电动机进行小型化时，因电动机的响应性发生变化，而必须变更用于控制电动机的驱动电路的响应性控制常数。若变更驱动电路，需要程序修改费用，导致整体成本大幅上升。
对此，本实施方式中，若对电动机4进行小型化，旋转子的慣性模数会变小而造成响应性提前，因此，通过在电动机4的驱动轴42上设置锭子41，能够加大慣性模数来调整响应性。具体如上文所述，相较于无锭子41的结构，响应性有6.9％的改善。从而，响应性落在驱动电路的响应性控制常数的容许范围内，无需变更常数也能够解决问题。其结果，本实施方式的排气阀驱动装置100，在为了致动器1的小型化而对电动机4进行了小型化的情况下，无需变更驱动电路，只需重组致动器1既可，从而可降低致动器小型化的成本。
以上，通过参照具体例说明了本实施方式。但本发明并不限定于这些具体例。本领域技术人员对这些具体例进行适当设计变更后的结构，只要具备本发明的特征，均属于本发明的范围内。上述各具体例中具备的各要素及其配置、条件、形状等也不限定于例示的内容，可进行适当变更。对上述各具体例具备的各要素，只要不产生技术矛盾，可适当变更其组合。
符号说明
1 致动器
2 框体
3 输出轴
4 电动机(驱动源)
41 锭子
42 驱动轴
43 电动机主体
5 减速机构
51 蜗杆
52 蜗轮
6 旋转测量部
100 排气阀驱动装置
101 排气阀

Claims (3)

1.一种致动器，包括:
框体；
输出轴,从所述框体的内部向外部突出设置；
电动机，设置在所述框体内；及
减速机构，连接在所述电动机与所述输出轴之间，
所述减速机构包含由蜗杆及蜗轮啮合而成的蜗轮结构，所述蜗杆被设置在从所述电动机的主体突出的驱动轴的前端，所述蜗轮与所述输出轴一体旋转,
在所述驱动轴的所述蜗杆与所述电动机的所述主体之间，设有用于增加惯量的锭子。
2.根据权利要求1所述的致动器，
所述锭子被形成为使所述驱动轴的共振频率偏移2.7％。
3.一种排气阀驱动装置，包括:
根据权利要求1或2所述的致动器；及
排气阀，与所述输出轴连接，并设置在内燃机的排气通路中。
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