CN116472421A - 具有步进电机的开关阀 - Google Patents

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CN116472421A CN202180077428.4A CN202180077428A CN116472421A CN 116472421 A CN116472421 A CN 116472421A CN 202180077428 A CN202180077428 A CN 202180077428A CN 116472421 A CN116472421 A CN 116472421A
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Abstract

本发明涉及一种具有步进电机(12)的开关阀(10)，所述开关阀具有壳体(14)，所述壳体(14)被配置为接收步进电机(12)，所述步进电机(12)可操作地连接到致动元件(22)，以及其中，所述致动元件(22)被配置为定位阀体(24)，所述阀体(24)被布置在壳体(14)中以执行所述开关阀(10)的平移运动。所述联接元件(34)被配置为将所述步进电机(12)的旋转运动转换为所述致动元件(22)的平移运动，其中，所述步进电机(12)的电机轴(20)与所述致动元件(22)和所述联接元件(34)同轴地布置，以及其中，所述电机轴(20)和所述致动元件(22)被配置为在所述联接元件(34)中接合。

Description

具有步进电机的开关阀
技术领域
根据权利要求1的序言，本发明涉及一种具有步进电机的开关阀。
背景技术
具有步进电机的开关阀是公知的。这些开关阀优选地用于控制自动化工程中的空气弹簧。
从公开的专利申请DE 102018111003A1中可知一种用于空气弹簧的开关阀，开关阀包括步进电机，以便开关阀的阀通道可以无步进地(steplessly)或至少三个以上的步进(step)中致动。步进电机被配置为在纵向方向上生成操作位移，从而其被配置为线性电机的形式。
从专利说明书EP 3416837B1中可知一种用于空气弹簧的开关阀，开关阀包括步进电机，凭此，步进电机被集成到开关阀中。借助于被公开的开关阀，可以实现开关阀的阀体的阶梯式冲程进程，凭此，开关阀的无步进打开是不可能。
专利说明书DE 10025749C1和DE 10025753C2披露了一种用于空气弹簧的开关阀，其中，开关阀的阀体是无限地可调节的，但是提供的步进电机是线性电机的形式。
专利说明书EP 2765325B1也披露了一种具有步进电机的开关阀，其中，步进电机包括用于将其旋转运动转换为开关阀的阀体的轴向运动所需的平移运动的齿轮(gear)，齿轮通常设计成带齿的齿轮的形式。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有步进电机的开关阀，特别地被配置为节省空间的和优化成本的。
上述目的通过专利权利要求1的特征来实现。本发明的有利实施例和优点来自于进一步的权利要求、说明书和附图。
提出了一种具有步进电机的开关阀，具有被配置为容纳步进电机的壳体。步进电机可操作地连接到致动元件。致动元件被配置为用于定位阀体，其中，阀体被设置在壳体内以执行开关阀的平移运动，以及其中，联接元件被设置在步进电机和致动元件之间。
根据本发明，联接元件被配置为将步进电机的旋转运动转换为致动元件的平移运动，其中，步进电机的电机轴与致动元件和联接元件同轴地布置。冲程进程也被配置为联接元件的旋转角度的函数。因此，在操作期间，冲程进程可以适应不同的要求。
由于电机轴、致动元件和联接元件的同轴布置，可以实现沿轴向方向延伸的开关阀，这对于至少沿径向方向的安装空间是最优化的。利用电机轴、致动元件和联接元件的适当布置，例如，通过包括致动元件和/或电机轴的联接元件的布置，和/或通过电机轴和/或致动元件在联接元件中的接合，可以实现在安装空间方面进一步优化的开关阀。电机轴、联接元件和致动元件的同轴布置，特别是用于将电机轴的旋转运动转换为致动元件的平移运动的联接元件的配置，也导致降低开关阀的成本，因为可以省去复杂的齿轮箱(gearbox)。
联接元件被配置为可与电机轴一起旋转，因此在联接元件和电机轴之间存在用于传递扭矩的成本有效的压配合。然而，扭矩传递装置也可以被配置为形状配合和/或材料接头。
致动元件可以借助于在联接元件中的力引导进行轴向运动，该力引导优选地借助于在联接元件中形成的凹槽在联接元件的旋转期间实现，其中凹槽被配置为螺旋形状，有利地用于将旋转运动转换为平移或轴向运动。然而，联接元件也可被配置为接合在形成于致动元件中的有利的螺旋形槽中。作为进一步的选择，还可以将联接元件配置为与致动元件不可旋转，从而在电动轴上提供对应的轮廓的力引导。以这种方式，例如，可以有利地实现阀体的连续可微的(differentiable)冲程。
阀体被配置为改变空气弹簧的腔室容积，从而可提供成本有效且空间优化的空气弹簧，这在自动化工程中尤其需要。
致动元件包括防旋转设备以确保阀体的调节。换句话说，致动元件的专门的轴向或平移运动被固定。因此，可以实时地调节阀体。
通过在轴承元件的帮助下以轴向地位移的方式将致动元件支承在壳体中来实现致动元件的进一步固定调节。有利的是，轴承元件被配置为滑动轴承，其可以被设计成具有成本有效和空间优化的套筒形式。
冲程进程优选地被配置为根据联接元件的旋转角度可自由地选择。这可以很容易通过根据旋转角度自由地选择与阀体的所需冲程对应的凹槽的梯度来实现。
特别地，冲程进程可以具有在端部位置没有倾斜或者在端部位置之前不久倾斜方向反转的区域。因此，在联接元件的槽的轮廓中实现了锁定功能，并且没有附加的部件。锁定功能使得即使不向致动器供电并且尽管外部影响(例如加速度)作用在阀上，也能够安全地保持期望的位置。
为了简化组装，其对成本具有影响，联接元件具有被配置为通向凹槽的入口凹槽。入口凹槽优选地被配置在联接元件的背向步进电机的端部，并且有利地在联接元件的轴向方向上延伸。以这样的方式，致动元件可以容易地插入到联接元件中，并且可以定位被配置为引导在联接元件中的致动元件的引导元件，反之亦然。
附图说明
进一步的优点可以从下面对附图的描述中得到。附图示出了本发明的实施例的示例。附图、说明书和权利要求书包含许多组合的特征。本领域技术人员还将方便地单独考虑特征并将其组合以形成有用的进一步组合。
典型显示：
图1在根据本发明的用于空气弹簧的开关阀的纵截面中，
图2在根据图1的没有壳体的开关阀的透视图中，
图3在根据图2的开关阀的侧视图中，
图4在根据本发明的开关阀的联接元件的透视图中，以及
图5在根据本发明的开关阀的冲程进程的旋转角度的冲程图中。
具体实施方式
在附图中，相同或相似的部件用相同的附图标记表示。附图仅示出了示例，不应理解为是限制性的。
图1示出了根据本发明的具有步进电机12的开关阀10的纵截面，其中，本实施例中的开关阀10被配置为用于控制空气弹簧的腔室容积空气弹簧，该空气弹簧未更详细地示出。
开关阀10包括壳体14，壳体14被配置为接收步进电机12。为了接收步进电机12，壳体14在其第一端部16处配置有第一接收开口18。该步进电机12，例如，其具有5V的额定电压、0.45A的额定电流需求和7.5°的步进角，包括电机轴20，该电机轴20背向第一端部16并且与开关阀10的致动元件22可操作地连接。致动元件22被配置为改变开关阀10的冲程H，冲程H的改变伴随着空气弹簧的有效室容积的改变。在本实施例中，空气弹簧包括两个腔室容积V1、V2。打开的开关阀10连接两个腔室容积V1和V2以形成有效的腔室容积V1+V2。如果开关阀10关闭，则两个容积V1和V2分开，从而仅第一腔容积V1有效。
致动元件22也可操作地连接到开关阀10的阀体24，在本实施例中，由于其与致动元件22的固定连接，开关阀10也由于其与本实施例中的致动元件22的固定连接而被调节。致动元件22被配置为可能的沿在开关阀10的纵向轴线26的方向轴向运动。如果致动元件22在步进电机12的帮助下运动，则阀体24也沿纵向轴线26的方向轴向移动，即平移，其中阀体24也可移动地容纳在壳体14中的壳体14的第二接收开口28中，该第二接收开口28背向第一接收开口18。因此，开关阀10的冲程H是由于阀体24的轴向运动，阀体24固定地连接到致动元件22。由于没有配置致动元件22和/或阀体24的轴向运动的传递，开关阀10的冲程H对应于致动元件22的轴向运动和阀体24的轴向运动。
如果需要补偿致动元件22和阀体24之间的各个部件的长度公差，则在未示出的开关阀10的实施例中可以集成预加载弹簧。这确保了安全地到达端部位置(由多个电机步进或到达滑动引导的端部的目标冲程定义)，而不会有在阀座中的过大的力或在不利的长度公差的情况下电机的过大的扭矩(步进损失)的风险。
开关阀10的纵向轴线26对应于电动机轴20的旋转轴线，并且它对应于致动元件22、联接元件34和阀体24的纵向轴线，因为它们彼此同轴地构造。
致动元件22被配置为挺杆的形式，并且在其第一元件端部30处固定连接到阀体24，该第一元件端部30面对阀体24。在其背向第一元件端部30的第二元件端部32处，其通过联接元件34可操作地连接到电机轴20。
联接元件34形成为中空圆柱体，并包括在其第一元件端部36处面向电机轴20的第一元件开口38，其被配置为实现与电机轴20的过盈配合。或者，电机轴20和联接元件34之间的扭矩传递可被配置为形状配合和/或材料接头。在其背向第一元件端部36的第二元件端部40处，其包括第二元件开口42，该第二元件开口42被配置为容纳接收致动元件22，因此实现致动元件22与电机轴20的操作连接。两个元件开口38,42彼此相邻地构造，因此形成空腔44，其在轴向方向上完全穿透联接元件34。已经证明，这在制造方面是简单和廉价的。然而，完全渗透不是强制性的。
在联接元件34和阀体34之间，该联接元件34被安置在壳体14中的第三接收开口46中，轴承元件48设置在壳体14的第四接收开口50中，该第四接收开口50被配置为用于轴承和致动元件22的固定轴向引导。轴承元件48为用于形成滑动轴承的套筒形式。包括致动元件22的开关阀10的第一密封元件54可以布置在轴承元件48和阀体24之间的壳体14的第五接收开口52中。
第一密封元件54被布置成安全地密封形成在开关阀10的壳体14中的腔室56，使得没有用于致动元件22的滑动轴承的润滑剂能够进入腔室56。
此外，容积V1和V2可以通过密封元件54安全地密封到外部。或者，可以提供从阀壳体14中密封引出的电机电缆，在这种情况下，在接收开口46和步进电机12中存在与V1中相同的压力。
壳体14被配置为两个部分，以节省成本和简化开关阀10的组装。壳体14的第一壳体部分58用于接收步进电机12，联接元件34，轴承元件48和第一密封元件54，当然也接收致动元件22。阀体24由第一壳体部分58和壳体14的第二壳体部分60两者关闭，壳体14的第二壳体部分60主要邻近第一壳体部分58形成，其中在第二接收开口28的区域中，第二壳体部分60被配置为关闭第一壳体部分58。换句话说，第二壳体部分60在第二接收开口28的区域中装配到第一壳体部分58上。
第二壳体部分60被配置为用于连接到空气弹簧，并包括用于第一容积V1的第一腔室入口62和用于第二容积V2的第二腔室入口64。
在图1所示的阀体24的位置中，两个腔室入口62,64彼此分离。为了牢固地分离两个腔室通道62、腔室通道64，阀体24在其面对第一腔室通道62的端部包括第二密封元件66，其确保两个腔室通道62,64彼此紧密分离，并防止工作介质(在本实施例中是空气)的溢流。
第三密封元件68设置在第二接收开口28和第二密封元件66之间的开关阀10中，第三密封元件68以基本密封的方式将工作腔56与第二接收开口28分开。第三密封元件68呈隔膜的形式，因此，该隔膜可以根据空气弹簧的腔室中的压力的压力比而变化。在本实施例的例子中，环形的隔膜68在其外圆周70处被固定接收在第一壳体部分58和第二壳体部分50之间。在其内周72处，其牢固地连接到阀体24，从而当阀体24的位置改变时实现内周72的位置改变。
在图2中，为了进一步说明，根据本发明示出了没有壳体14的开关阀10。
例如，当致动元件22通过致动器12的旋转而沿致动器12的方向移动时，阀体24由于其与致动元件22的固定连接而沿相同方向移动，并且阀体24和第二密封元件66允许从第一腔室入口62流入第二腔室入口64，反之亦然。
为了在第二接收开口28中实现压力平衡，阀体24被配置为包括体腔74，该体腔74从夹套开口76开始连接到第一腔室入口62，使得流体可以穿过该体腔。
联接元件34被配置为将步进电机12的旋转运动转换为致动元件22的平移运动。换句话说，这意味着在本实施例中的电机轴20的旋转运动被转换成致动元件22的轴向运动，分别是致动元件22沿纵向轴线26的平移运动。为此目的，联接元件34包括滑动引导形式的螺旋凹槽78，致动元件22被配置为在其中接合。
在所示的实施例中，在套筒形状的联接元件34中的凹槽78在径向方向上完全延伸穿过致动元件22，并因此在径向方向上完全穿透联接元件34的壁，这使得能够在凹槽78中可靠地引导致动元件22。或者，凹槽78也可仅部分地穿透联接元件34。为了确保引导，致动元件22包括横向于其纵向延伸部延伸的引导元件80，有利地为接合在凹槽78中的销的形式。因此，当电动机轴20旋转时，固定连接到电动机轴20的联接元件34执行旋转运动，因此，安置在联接元件34中以便可轴向移动的致动元件22借助于销80在轴向方向上执行强制运动。
致动元件22包括防旋转设备85，具体如图3所示。销80被配置为横向地延伸穿过致动元件22，其中，在其背向位于滑动引导78中的第一销端部82的第二销端部84处，其被布置为接合在防旋转装置85的固定槽86中，该固定槽86被配置成将联接元件34包围在防旋转装置85的固定套筒88中。固定槽86被配置为沿纵向轴线26的方向延伸。
图4示出了联接元件34的透视图。入口凹槽90在其背向步进电机12的套筒端部处形成，入口凹槽90沿轴向延伸，即沿纵向轴线26的方向延伸，并通向滑动引导78。在开关阀10的组装过程中，该入口凹槽90用于接收销(pin)80。致动元件22被插入到联接元件34中直到销80，并且最后销80通过入口凹槽90定位在滑动引导78中。
在根据本发明的开关阀10的实施例中，其未更详细地示出，开关阀10在其端部位置包括所谓的闭锁功能。
图5中所示的旋转角度冲程图示出了根据本发明的开关阀10的致动元件22的冲程H的冲程进程HV，其中致动元件22的冲程H被绘制在电机轴20的旋转角度α上，从而绘制在联接元件34的旋转角度α上。冲程进程HV由凹槽78的轮廓产生。换句话说，冲程进程HV被设定为凹槽78的梯度的函数，该梯度取决于旋转角度。
根据本发明，联接元件34中的凹槽78可以包括根据角度而变化的梯度，从而通过提供具有不同凹槽梯度的区域，可以在操作期间适应不同的要求。因此，在驱动的恒定速度下，可以产生具有高速度和低进给力的致动元件22的冲程范围(范围2)和具有低速度和高进给力的范围(范围1和3)。因此，致动元件22可以在短时间内覆盖大冲程H，并且还在端部位置获得高闭合力以实现可靠的密封。
冲程进程HV被配置为可连续微分的功能，但是理论上也可以包括扭结。
例如，如图3所示，冲程进程可以包括在端部位置没有梯度的区域。倾斜方向在端部位置之前不久的反转也是可能的。以这样的方式，可以在联接元件34的凹槽78的轮廓中实现锁定功能，而不需要附加的部件。锁定功能使得即使不向致动器供电并且尽管外部影响(例如加速度)作用在开关阀10上，也能够安全地保持期望的位置。

Claims (12)

1.一种具有步进电机的开关阀，其特征在于，
所述开关阀具有壳体(14)，所述壳体(14)被配置为接收步进电机(12)，其中，所述步进电机(12)可操作地连接到致动元件(22)，以及其中，所述致动元件(22)被配置为定位阀体(24)，其中，所述阀体(24)被布置在所述壳体(14)中以执行平移运动(10)，以及其中，联接元件(34)被布置在所述步进电机(12)和所述致动元件(22)之间，
所述联接元件(34)被配置为将所述步进电机(12)的旋转运动转换为所述致动元件(22)的平移运动，其中，所述步进电机(12)的电机轴(20)与所述致动元件(22)和所述联接元件(34)同轴地布置，以及其中，冲程进程(HV)被配置为取决于所述联接元件(34)的旋转角度(α)。
2.根据权利要求1所述的开关阀，其特征在于，所述联接元件(34)被配置为强制引导所述致动元件(22)。
3.根据权利要求2所述的开关阀，其特征在于，所述联接元件(34)包括被配置为用于引导所述致动元件(22)的凹槽(78)。
4.根据权利要求1或2所述的开关阀，其特征在于，所述阀体(24)被配置为改变空气弹簧的腔室容积(V1,V2)。
5.根据前述权利要求中任一项所述的开关阀，其特征在于，所述致动元件(22)包括防旋转设备(85)。
6.根据前述权利要求中任一项所述的开关阀，其特征在于，所述致动元件(22)承载在所述壳体(14)中，以通过轴承元件(48)轴向地位移。
7.根据前述权利要求中任一项所述的开关阀，其特征在于，所述冲程进程(HV)被配置为取决于所述联接元件(24)的旋转角度(α)可自由地选择。
8.根据前述权利要求中任一项所述的开关阀，其特征在于，所述冲程进程(HV)在所述冲程(H)的端部位置包括倾斜方向的反转。
9.根据前述权利要求中任一项所述的开关阀，其特征在于，所述联接元件(34)包括被配置为通向所述凹槽(78)的入口凹槽(90)。
10.根据前述权利要求中任一项所述的开关阀，其特征在于，所述电机轴(20)和所述致动元件(22)被配置为在所述联接元件(34)中接合。
11.根据前述权利要求中任一项所述的开关阀，其特征在于，所述阀体(24)与所述致动元件(22)同轴地形成。
12.一种空气弹簧，其特征在于，所述空气弹簧具有根据前述权利要求中任一项所述的开关阀。
CN202180077428.4A 2020-10-05 2021-09-28 具有步进电机的开关阀 Pending CN116472421A (zh)

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