DE202014102346U1

DE202014102346U1 - Electrically actuated valve arrangement

Info

Publication number: DE202014102346U1
Application number: DE201420102346
Authority: DE
Original assignee: Johnson Electric SA
Current assignee: Johnson Electric International AG
Priority date: 2014-05-20
Filing date: 2014-05-20
Publication date: 2014-06-06
Anticipated expiration: 2024-05-21

Abstract

Elektrisch betätigte Ventilanordnung, umfassend:
einen Ventilkörper (62) mit einem Fluiddurchlass zum Durchfließen von Fluids;
ein Ventilelement (64), das sich bezüglich des Ventilkörpers bewegen lässt, um den Durchfluss des Fluids durch den Durchlass zu variieren;
einen Aktuator (10), der angeordnet ist, um das Ventilelement (64) zu bewegen, wobei der Aktuator umfasst:
einen Motor (20) mit einer Motorwelle (22);
einen Abtrieb (18), der eine Abtriebswelle (50) und eine Verbindung (52) für den Anschluss an ein Ventilelement umfasst; und
einen Getriebezug (30), der die Motorwelle (22) mit der Abtriebswelle (50) verbindet,
dadurch gekennzeichnet, dass der Getriebezug (30) ein in Abhängigkeit von dem Betätigungswinkel der Abtriebswelle (50) veränderliches Übersetzungsverhältnis hat und mindestens ein progressives Getriebe (36 38) umfasst.Electrically actuated valve assembly comprising:
a valve body (62) having a fluid passage for flowing fluids;
a valve member (64) movable with respect to the valve body to vary the flow of fluid through the passage;
an actuator (10) arranged to move the valve element (64), the actuator comprising:
a motor (20) having a motor shaft (22);
an output (18) comprising an output shaft (50) and a connection (52) for connection to a valve element; and
a gear train (30) connecting the motor shaft (22) to the output shaft (50),
characterized in that the gear train (30) has a depending on the operating angle of the output shaft (50) variable transmission ratio and at least one progressive transmission (36 38) comprises.

Description

GEBIET DER ERFINDUNGFIELD OF THE INVENTION

Die Erfindung betrifft ein Ventil, das durch einen Aktuator mit progressivem Getriebe betätigt wird.The invention relates to a valve which is actuated by a progressive gear actuator.

HINTERGRUNDBACKGROUND

Ventile werden verwendet, um den Durchfluss eines Fluids durch eine Leitung, einen Durchlass oder eine Öffnung zu regulieren. Das Fluid kann ein Gas sein, wie zum Beispiel Luft, oder eine Flüssigkeit, wie zum Beispiel Wasser. Viele Anwendungen erfordern eine Fernbetätigung oder eine automatische Betätigung von Ventilen abhängig von Soll-Parametern. Während bei manchen Anwendungen das Ventil entweder geöffnet oder geschlossen werden muss, erfordern andere Anwendungen eine Regulierung des Durchflusses des Fluids durch das Ventil. Die Steuerung und Regulierung erfolgt in zweckmäßiger Weise mit Hilfe elektromechanischer Aktuatoren. Die Aktuatoren drehen das Ventilelement, um die Größe der Öffnung für den Durchfluss des Fluids zu variieren.Valves are used to regulate the flow of fluid through a conduit, passage or orifice. The fluid may be a gas, such as air, or a liquid, such as water. Many applications require remote operation or automatic actuation of valves depending on desired parameters. While in some applications the valve must either be opened or closed, other applications require regulation of the flow of the fluid through the valve. The control and regulation is carried out in an appropriate manner by means of electromechanical actuators. The actuators rotate the valve member to vary the size of the opening for the flow of the fluid.

Die Steuerung von Schrittmotor-Aktuatoren ist eine zuverlässige Vorgehensweise im Stand der Technik. Bei manchen Anwendungen muss die Position des Ventils sorgfältig gesteuert werden, und für den Fall eines Stromausfalls oder einer anderen Situation einer Fehlpositionierung des Ventils beim Beenden des Betriebs muss ein Ausfallsicherungsmechanismus zum Öffnen oder zum Schließen des Ventils in den Aktuator integriert sein. Eine Rückstellfeder zum Beispiel kann das Ventilelement in eine Ausgangsposition (die je nach Notwendigkeit die Öffnungs- oder die Schließposition sein kann) zurückstellen. In diesem Fall muss der Aktuator, wenn er in Betrieb ist, permanent gegen die Federkraft plus mögliche zusätzliche Kräfte arbeiten, die durch das Fluid bedingt sind, das durch das Ventil hindurchströmt und auf das Ventilelement auftrifft. Um unter nicht normalen Betriebsbedingungen, die auf nichtkonstante Drehmomentanforderungen des Ventils zurückzuführen sind, das erforderliche maximale Drehmoment in der geeigneten Ventilposition aufzubringen, wäre normalerweise ein elektromagnetischer Motor nötig, der überdimensioniert oder zu leistungsstark ist, was gleichzeitig einen hohen Stromverbrauch bedeutet, der nicht in Einklang steht mit einem effizienten, umweltfreundlichen oder ”grünen” System.The control of stepper motor actuators is a reliable approach in the art. In some applications, the position of the valve must be carefully controlled, and in the event of a power failure or other situation of mispositioning of the valve upon termination of operation, a fail-safe mechanism for opening or closing the valve must be incorporated into the actuator. For example, a return spring may return the valve member to an initial position (which may be the open or closed position, as appropriate). In this case, when in operation, the actuator must permanently operate against the spring force plus any additional forces due to the fluid passing through the valve and impinging on the valve member. To apply the required maximum torque in the appropriate valve position under abnormal operating conditions due to non-constant torque requirements of the valve would normally require an electromagnetic motor that is oversized or too powerful, which at the same time implies high power consumption that is not consistent stands for an efficient, environmentally friendly or "green" system.

Es wird daher ein Aktuator für ein Ventilbetätigungssystem benötigt, bei dem die Leistung des Aktuators besser auf das Drehmoment abgestimmt ist, das für die Betätigung des Ventils benötigt wird. Vorliegende Erfindung löst dieses Problem durch ein progressives Getriebe, das die veränderlichen Drehmomentanforderungen kompensiert.Therefore, what is needed is an actuator for a valve actuation system in which the performance of the actuator is better tuned to the torque needed to actuate the valve. The present invention solves this problem by providing a progressive transmission that compensates for the variable torque requirements.

Progressive oder veränderliche Getriebe sind seit langem bekannt. Eine umfassende Beschreibung eines progressiven Getriebes findet sich in dem Dokument US 2,06,322 oder US 8,196,487 . Bei Fahrzeuganwendungen sind progressive Getriebe häufig in Lenksystemen vorgesehen.Progressive or variable transmissions have long been known. A comprehensive description of a progressive transmission can be found in the document US 2,06,322 or US 8,196,487 , In vehicle applications, progressive transmissions are often provided in steering systems.

KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNGBRIEF DESCRIPTION OF THE INVENTION

Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine elektrisch betätigte Ventilanordnung angegeben, umfassend: einen Ventilkörper mit einem Fluiddurchlass für das Durchfließen von Fluids; ein Ventilelement, das bezüglich des Ventilkörpers beweglich ist, um den Durchfluss des Fluids durch den Durchlass zu variieren; und einen Aktuator, der zum Bewegen des Ventilelements angeordnet ist und der umfasst: einen Motor mit einer Motorwelle; einen Abtrieb mit einer Abtriebswelle und einer Verbindung für den Anschluss an das Ventilelement; und einen Getriebezug, der die Motorwelle mit der Abtriebswelle verbindet, wobei das Übersetzungsverhältnis des Getriebezugs abhängig von dem Betätigungswinkel der Abtriebswelle veränderlich ist.According to one aspect of the present invention, there is provided an electrically operated valve assembly comprising: a valve body having a fluid passage for flowing fluids; a valve member movable with respect to the valve body to vary the flow of the fluid through the passage; and an actuator arranged to move the valve element and comprising: a motor having a motor shaft; an output with an output shaft and a connection for connection to the valve element; and a gear train connecting the motor shaft to the output shaft, wherein the gear ratio of the gear train is variable depending on the operating angle of the output shaft.

Vorzugsweise umfasst der Getriebezug mindestens ein progressives Getriebe.Preferably, the gear train comprises at least one progressive transmission.

Vorzugsweise umfasst das progressive Getriebe ein erstes spiralverzahntes Zahnrad und ein mit dem ersten spiralverzahnten Zahnrad kämmendes zweites spiralverzahntes Zahnrad.Preferably, the progressive gear comprises a first helical gear and a second helical gear meshing with the first helical gear.

Vorzugsweise ist des zweite spiralverzahnte Zahnrad an der Abtriebswelle befestigt.Preferably, the second helical gear is fixed to the output shaft.

Vorzugsweise ist des erste spiralverzahnte Zahnrad durch mindestens ein Stirnrad mit der Motorwelle verbunden.Preferably, the first helical gear is connected by at least one spur gear to the motor shaft.

Vorzugsweise haben das erste und des zweite spiralverzahnte Zahnrad jeweils einen logarithmischen Teilungsverlauf.Preferably, the first and second helical gears each have a logarithmic pitch curve.

Vorzugswelse ist eine Rückstellfeder angeordnet, um die Abtriebswelle auf einen Anfangsbetätigungswinkel zurückzustellen, wenn der Motor nicht aktiv ist.Vorzugswelse a return spring is arranged to return the output shaft to an initial operating angle when the engine is not active.

Vorzugsweise ist die Rückstellfeder einen Schraubenfeder, die um die Abtriebswelle angeordnet ist, wobei ein Ende an dem zweiten spiralverzahnten Zahnrad und das andere Ende an einem die Abtriebswelle stützenden Bereich festgelegt ist.Preferably, the return spring is a coil spring disposed about the output shaft with one end fixed to the second spiral gear and the other end fixed to an output shaft supporting portion.

Vorzugsweise ist der Motor ein Schrittmotor und mit einem PCB verbunden, das eine Steuerschaltung zum Steuern des Motors in Reaktion auf Steuersignale trägt.Preferably, the motor is a stepper motor and connected to a PCB having a Control circuit for controlling the motor in response to control signals carries.

Vorzugsweise ist das Ventilelement verschiebbar zwischen einer ersten Position, in der das Ventil im Wesentlichen geschlossen ist, und einer zweiten Position, in der das Ventil im Wesentlichen voll geöffnet ist.Preferably, the valve element is slidable between a first position, in which the valve is substantially closed, and a second position, in which the valve is substantially fully opened.

Vorzugsweise ist das Ventilelement in Positionen zwischen der ersten und der zweiten Position positionierbar.Preferably, the valve member is positionable in positions between the first and second positions.

Vorzugsweise ist das Ventilelement ein Butterfly-Ventilelement.Preferably, the valve element is a butterfly valve element.

Vorzugsweise ist das Ventil ein Drosselventil eines Kraftstoffzuführsystems für eine Brennkraftmaschine.Preferably, the valve is a throttle valve of a fuel supply system for an internal combustion engine.

Alternativ ist das Ventilelement ein Kugelventilelement, das um eine feststehende Achse drehbar ist.Alternatively, the valve element is a ball valve element which is rotatable about a fixed axis.

Optional ist das Ventil ein Wasserzuleitungsventil.Optionally, the valve is a water supply valve.

Optional ist das Ventil ein Spindelventilelement.Optionally, the valve is a spindle valve element.

Alternativ ist das Ventil ein Flüssigkeitssteuerventil eines Wärmeaustauschers.Alternatively, the valve is a liquid control valve of a heat exchanger.

Optional ist das Ventil ein Steuerventil eines Wärmeaustauschsystems für eine Brennkraftmaschine.Optionally, the valve is a control valve of a heat exchange system for an internal combustion engine.

Vorliegende Erfindung ermöglicht die Konstruktion eines elektrisch betätigten Ventils für Gas oder Flüssigkeiten, das einen Aktuator hat, dessen Leistung die Betriebsbedingungen des Ventils stärker berücksichtigt, so dass für diese Anwendung ein kleinerer, effizienterer Aktuator möglich ist. Bestimmte Ausführungsformen der Erfindung ermöglichen die Konstruktion eines ausfallsicheren Aktuators, der in einem Steuerungsbetrieb verwendet werden kann. Dadurch entfällt die Notwendigkeit eines Sensorsystems zum Detektieren der Ist-Position des Ventilelements, wie das bei Aktuatoren des Stands der Technik erforderlich ist, so dass Umfang und Kosten reduziert werden können.The present invention allows for the construction of an electrically actuated gas or liquid valve having an actuator whose performance takes greater account of the operating conditions of the valve so that a smaller, more efficient actuator is possible for this application. Certain embodiments of the invention enable the design of a fail-safe actuator that can be used in a control operation. This eliminates the need for a sensor system for detecting the actual position of the valve member, as required in prior art actuators, so that scale and cost can be reduced.

Bestimmte Ausführungsformen der Erfindung sind bei einem Butterfly-Ventil anwendbar, das in einem Vergaser oder in einem Kraftstoffzuführsystem einer Brennkraftmaschine verwendet wird, während andere Ausführungsformen bei Wasserventilen Anwendung finden, insbesondere bei Ventilen zur Durchflusssteuerung von Kühlwasser in einem Wärmeaustauschersystem wie beispielsweise das Kühlsystem einer Antriebsmaschine eines Fahrzeugs.Certain embodiments of the invention are applicable to a butterfly valve used in a carburetor or fuel delivery system of an internal combustion engine while other embodiments are applied to water valves, particularly valves for flow control of cooling water in a heat exchange system such as the engine cooling system of one vehicle.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGENBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nunmehr anhand eines Beispiels beschrieben, wobei auf die anliegenden Zeichnungen Bezug genommen wird. Identische Strukturen, Elemente oder Teile, die in mehr als einer Zeichnungsfigur erscheinen, sind in sämtlichen Figuren, in denen sie erscheinen, grundsätzlich identisch gekennzeichnet. Die Dimensionen von Komponenten und Merkmalen sind im Hinblick auf eine übersichtliche Darstellung gewählt und sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu dargestellt. Die Figuren sind nachstehend aufgelistet.A preferred embodiment of the invention will now be described by way of example, with reference to the accompanying drawings. Identical structures, elements or parts that appear in more than one drawing figure are basically identified identically in all the figures in which they appear. The dimensions of components and features are chosen for clarity of presentation and are not necessarily drawn to scale. The figures are listed below.

1 zeigt eine Drehmomentkurve für einen typischen Aktuator des Stands der Technik, mit einer bezüglich der Aktuator-Ausgangsposition konstanten Drehmomentabgabe; 1 shows a torque curve for a typical actuator of the prior art, with a respect to the actuator output position constant torque output;

2 zeigt eine typische nichtlineare Drehmomentkurve zum Öffnen eines Butterfly-Ventils; 2 shows a typical non-linear torque curve for opening a butterfly valve;

3 zeigt einen zusammengesetzten Aktuator gemäß der bevorzugten Ausführungsform, wobei die Abdeckung entfernt wurde; 3 shows a composite actuator according to the preferred embodiment, wherein the cover has been removed;

4 zeigt die Anordnung eines Getriebezugs des Aktuators der bevorzugten Ausführungsform; 4 shows the arrangement of a gear train of the actuator of the preferred embodiment;

5 zeigt ein Butterfly-Ventil; 5 shows a butterfly valve;

6 ist eine schematische Darstellung der Funktionsweise eines Butterfly-Ventils; 6 is a schematic representation of the operation of a butterfly valve;

7 zeigt ein Beispiel eines Zweiwegeventils mit einem Aktuator; 7 shows an example of a two-way valve with an actuator;

8 ist eine schematische Darstellung der Funktionsweise eines Linearventils; 8th is a schematic representation of the operation of a linear valve;

9 ist eine schematische Darstellung der Funktionsweise eines Kolbenventils; 9 is a schematic representation of the operation of a piston valve;

10 ist eine schematische Darstellung der Funktionsweise eines Absperrschiebers; 10 is a schematic representation of the operation of a gate valve;

11 ist eine schematische Darstellung der Funktionsweise eines Keilschiebers; 11 is a schematic representation of the operation of a wedge slide;

12 ist eine schematische Darstellung der Funktionsweise eines Membranventils; 12 is a schematic representation of the operation of a diaphragm valve;

13 ist eine schematische Darstellung der Funktionsweise eines Quetschventils; 13 is a schematic representation of the operation of a pinch valve;

14 ist eine schematische Darstellung der Funktionsweise eines drehbaren Kugel- oder Stopfenventils; 14 is a schematic representation of the operation of a rotary ball or plug valve;

15 ist eine schematische Darstellung der Funktionsweise eines Drehventils; 15 is a schematic representation of the operation of a rotary valve;

16 ist eine schematische Darstellung eines drehbaren Scheibenventils; und 16 is a schematic representation of a rotatable disc valve; and

17 ist eine teilweise geschnittene schematische Darstellung einer drehbaren Ventilanordnung. 17 is a partially sectioned schematic representation of a rotatable valve assembly.

DETAILBESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMENDETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS

1 zeigt eine Kurve eines Drehmoments vs. Position für ein System, das ein lineares Verhältnis zwischen der Position des Abtriebs des Aktuators (Betätigungswinkel) und des benötigten Drehmoments aufweist. Dieses ist das angenommene Verhältnis, das bei der Konstruktion von Ventil-Aktuatoren des Stands der Technik verwendet wird. 2 zeigt einen ähnlichen Graph für ein System mit einem nichtlinearen Verhältnis. Diese Kurve ist eine typische Drehmomentkurve, die das Drehmoment zeigt, das benötigt wird, um ein den Durchfluss einer Flüssigkeit steuerndes Butterfly-Ventil zu öffnen. Dies ist charakteristisch für Fluidventile, bei denen die Kraft zum Öffnen des Ventils zunächst hoch ist, aber abnimmt, während sich das Ventil öffnet. Zusätzlich zu einer meist konstanten Verschiebung durch mechanische Reibung muss der Aktuator das Drehmoment überwinden, das durch das Fluid auf das Ventilelement ausgeübt wird und das in der Nähe der voll geschlossenen Position am höchsten ist. Diese Kurve ist ähnlich wie die Drehmomentkurven vieler drehbarer oder linearer Fluidventile und sie ist angegeben, um die nichtkonstanten Drehmomentanforderungen von Fluidventilen zu veranschaulichen. Selbstverständlich variiert die tatsächliche Kraft, die auf die Ventilelemente der verschiedenen Ventile ausgeübt wird, entsprechend der Bauform des Ventils sowie entsprechend dem beteiligten Fluid, dem Fluiddruck und der Durchflussrate. Einige Ventile benötigen ein höheres Drehmoment zum Schließen, anderen hingegen zum Öffnen. Die Drehmomentkurve ist jedoch nicht konstant. 1 shows a curve of torque vs. Position for a system that has a linear relationship between the position of the output of the actuator (operating angle) and the required torque. This is the assumed ratio used in the construction of valve actuators of the prior art. 2 shows a similar graph for a system with a nonlinear relationship. This curve is a typical torque curve that shows the torque needed to open a butterfly valve that controls the flow of a fluid. This is characteristic of fluid valves in which the force to open the valve is initially high but decreases as the valve opens. In addition to a mostly constant shift by mechanical friction, the actuator must overcome the torque exerted by the fluid on the valve member, which is highest near the full closed position. This curve is similar to the torque curves of many rotary or linear fluid valves and is given to illustrate the non-constant torque requirements of fluid valves. Of course, the actual force exerted on the valve elements of the various valves will vary according to the design of the valve as well as the fluid involved, the fluid pressure, and the flow rate. Some valves require a higher torque to close, others to open. However, the torque curve is not constant.

3 zeigt den bevorzugten Aktuator in seiner zusammengesetzten Form, wobei die Abdeckung zur Darstellung des Inneren abgenommen wurde. Der Aktuator 10 hat ein Gehäuse 12 mit einem Deckel (nicht gezeigt), das einen Schrittmotor 20, einen Abtrieb 18 und einen den Motor mit dem Abtrieb verbindenden Getriebezug 30 aufnimmt. Eine Strombuchse 14 sorgt für den Anschluss von Strom- und Signalleitungen für den Betrieb des Motors. Es ist auch ein PCB 16 (Leiterplatte) für Elektronik vorgesehen, zum Steuern des Motors auf der Basis von Befehlen über die Signalleitung. Das PCB kann eine LIN-Bus-Elektronik für die Kommunikation mit einem System Management Computer enthalten. 3 shows the preferred actuator in its assembled form, with the cover removed to show the interior. The actuator 10 has a housing 12 with a lid (not shown) that has a stepper motor 20 , an output 18 and a gear train connecting the engine to the output 30 receives. A power socket 14 provides the connection of power and signal cables for the operation of the motor. It is also a PCB 16 (Printed circuit board) for electronics, for controlling the motor on the basis of commands via the signal line. The PCB may include LIN bus electronics for communication with a system management computer.

Der Getriebezug 30 ist deutlicher in 4 gezeigt. Er verbindet die Welle 22 des Motors mit dem Abtrieb 18 des Aktuators. Der Motor der bevorzugten Ausführungsform ist ein Schrittmotor 20 und ist in 4 in seinem mit dem PCB 16 verbunden Zustand dargestellt. Der Abtrieb 18 des Aktuators ist in der bevorzugten Ausführungsform eine Welle 50 mit einer sternförmigen Muffe 52 zur Aufnahme eines Endes eines Zapfens oder einer Antriebswelle des Ventilmechanismus zum Ändern des Winkels oder der Position des Ventilelements.The gear train 30 is clearer in 4 shown. He connects the wave 22 of the engine with the output 18 of the actuator. The motor of the preferred embodiment is a stepper motor 20 and is in 4 in his with the PCB 16 connected state shown. The downforce 18 the actuator is a shaft in the preferred embodiment 50 with a star-shaped sleeve 52 for receiving an end of a pin or a drive shaft of the valve mechanism for changing the angle or the position of the valve element.

Der Getriebezug 30 umfasst ein erstes Stirnrad 32, das mit einem Zahnrad 24 kämmt, das an der Motorwelle 22 befestigt ist, ein zweites Stirnrad 34, das mit dem ersten Stirnrad kämmt, ein erstes progressives Getriebe 36 und ein zweites progressives Getriebe 38. Das erste progressive Getriebe ist eine Kombination eines regelmäßigen Stirnrads 40 mit einem ersten spiralverzahnten Zahnrad 42. Das Stirnrad 40 kämmt mit dem zweiten Stirnrad 34, und das erste spiralverzahnte Zahnrad 42 kämmt mit dem zweiten progressiven Getriebe 38. Das zweite progressive Getriebe umfasst ein zweites spiralverzahntes Zahnrad 44, das an der Abtriebswelle des Aktuators befestigt ist. Das zweite spiralverzahnte Zahnrad 44 kämmt mit dem ersten spiralverzahnten Zahnrad 42.The gear train 30 includes a first spur gear 32 that with a gear 24 meshes, that on the motor shaft 22 is attached, a second spur gear 34 , which meshes with the first spur gear, a first progressive transmission 36 and a second progressive transmission 38 , The first progressive transmission is a combination of a regular spur gear 40 with a first spiral toothed gear 42 , The spur gear 40 meshes with the second spur gear 34 , and the first spiral gear 42 meshes with the second progressive transmission 38 , The second progressive gear includes a second spiral gear 44 , which is attached to the output shaft of the actuator. The second spiral gear 44 meshes with the first spiral gear 42 ,

Eine Rückstellfeder 54 ist vorzugsweise über das zweite spiralverzahnte Zahnrad 44 an der Abtriebswelle 50 befestigt, um die Abtriebswelle in eine Ausgangsposition oder auf einen Anfangsbetätigungswinkel zurückzustellen, wenn der Motor abgeschaltet wird, wobei über den Getriebezug eine Rückdrehung des Motors erfolgt. Die Rückstellfeder 54 ist als Spiral- oder Schraubenfeder dargestellt, die um die Abtriebswelle 50 angeordnet ist, wobei ein Ende mittels des zweiten spiralverzahnten Zahnrads 44 an der Welle und das andere Ende an dem Gehäuse 12 festgelegt ist. Dadurch wird die Feder im Betriebszustand aufgewickelt (oder abgewickelt), wenn die Abtriebswelle aus ihrer Ausgangsposition bewegt wird, wodurch eine elastische Rückstellkraft entsteht, die die Abtriebswelle zur Rückkehr in die Ausgangsposition zwingt. Der Motor 20 muss die Abtriebswelle gegen diese Rückstellkraft antreiben. Ebenso muss der Motor die Abtriebswelle gegen externe Kräfte wie beispielsweise die Kraft, die insbesondere bei einer hohen Durchflussrate durch den Fluiddruck auf das Ventilelement ausgeübt wird, unter einem gewünschten Betätigungswinkel antreiben oder halten.A return spring 54 is preferably over the second helical gear 44 on the output shaft 50 mounted to return the output shaft to an initial position or to an initial operating angle when the engine is switched off, wherein via the gear train, a reverse rotation of the motor takes place. The return spring 54 is shown as a spiral or coil spring around the output shaft 50 is arranged, wherein one end by means of the second spiral toothed gear 44 on the shaft and the other end on the housing 12 is fixed. Thereby, the spring is wound (or unwound) in the operating state when the output shaft is moved from its initial position, whereby an elastic restoring force is created, which forces the output shaft to return to the starting position. The motor 20 must drive the output shaft against this restoring force. Likewise, the engine must drive or hold the output shaft against external forces, such as the force exerted on the valve member by the fluid pressure, particularly at a high flow rate, below a desired actuation angle.

Die progressive Getriebeübersetzung wird durch die Interaktion der beiden spiralverzahnten Zahnräder hergestellt. Vorzugsweise sind die spiralverzahnten Zahnräder 42, 44 logarithmische Zahnräder, was bedeutet, dass ihre Teilungslinie dem Weg einer logarithmischen Spirale folgt. Die progressive Getriebeübersetzung ändert das maximale Ausgangsdrehmoment des Aktuators bei unterschiedlichen Betätigungswinkeln. Dadurch kann der Motor physisch kleiner sein, kann aber durch die größere Übersetzung in dem Bereich, in dem ein hohes Drehmoment benötigt wird, dennoch das benötigte maximale Drehmoment aufbringen, während der Motor durch die kleinere Übersetzung in dem Bereich, in dem ein niedrigeres Drehmoment benötigt wird, über eine schnelle Antwortzeit verfügt. Dadurch wird das Ausgangsdrehmoment des Aktuators besser auf die Lastanforderungen abgestimmt, und der Motor ist nicht zu leistungsstark, um bei den meisten Betätigungswinkeln lediglich die Drehmomentanforderungen unter einem bestimmten Betätigungswinkel zu erfüllen.The progressive gear ratio is through the interaction of the two spiral gears Gears made. Preferably, the helical gears are 42 . 44 logarithmic gears, meaning that their dividing line follows the path of a logarithmic spiral. The progressive gear ratio changes the maximum output torque of the actuator at different operating angles. This allows the motor to be physically smaller, but can still provide the maximum torque needed because of the larger gear ratio in the area where high torque is needed, while the smaller ratio translates to the area where lower torque is needed will have a fast response time. As a result, the output torque of the actuator is better tuned to the load requirements, and the motor is not powerful enough to meet only the torque requirements below a certain operating angle at most operating angles.

Ein progressives Getriebe kann mindestens ein Rad mit einem in Abhängigkeit von dem Winkel variierenden Radius umfassen, das ein variables Drehmoment und eine variable Tangentialgeschwindigkeit liefert. Um einen Getriebezug zu konstruieren, bei dem die Räder feststehende Achsen haben, umfasst eine vorteilhafte Konfiguration zwei Räder mit einer logarithmischen Spirale, die die folgenden Bedingungen erfüllen:
Einen konstanten Abstand zwischen zwei Radachsen;
einen kontinuierlichen Kontakt der Zahnräder während eines vollständigen Zyklus;
der Radius vergrößert sich exponentiell mit dem Radwinkel r(φ) = a·exp(k·φ); und
das Verhältnis des Ausgangs- und Eingangsradwinkels ist logarithmisch (wie das auch für das Drehmoment gilt).A progressive transmission may include at least one wheel having a radius varying with angle that provides variable torque and variable tangential velocity. In order to construct a gear train in which the wheels have fixed axes, an advantageous configuration includes two wheels with a logarithmic spiral that meet the following conditions:
A constant distance between two wheel axles;
a continuous contact of the gears during a complete cycle;
the radius increases exponentially with the wheel angle r (φ) = a · exp (k · φ); and
the ratio of the output and input wheel angle is logarithmic (as well as the torque).

Eine geeignete Dimensionierung der Parameter des spiralverzahnten Zahnrads ermöglicht eine Kompensation des veränderlichen Drehmoments. Durch die Verwendung des progressiven Getriebes lässt sich die Größe des Motors erheblich reduzieren (geringerer Preis und geringeres Gewicht), und der durchschnittliche Energieverbrauch kann gesenkt werden.Proper sizing of the helical gear parameters allows for variable torque compensation. By using the progressive gearbox, the size of the motor can be significantly reduced (lower price and lower weight), and the average energy consumption can be reduced.

5 zeigt eine Butterfly-Ventil 60, an dem ein erfindungsgemäßer Aktuator befestigt werden kann. Das Ventil 60 hat einen Ventilkörper 62 mit einem Durchlass 68 und einem Ventilelement 64, das beweglich ist, um den Durchlass zu öffnen oder zu schließen. Das Ventilelement ist an einer Spindel 66 befestigt, die durch den Aktuator gedreht wird. in dieser Ausführungsform ist das Ventilelement ein Butterfly-Element, das an der Spindel befestigt und in dem Durchlass angeordnet ist. Wie in den schematischen Darstellungen von 6 gezeigt ist, wird das Ventilelement 64 um 90° gedreht, von einer ersten Position, in der sich das Ventilelement über den Durchlass erstreckt und den Durchlass vollständig verschließt oder blockiert, in eine zweite Position, bekannt als geöffnete Position, in der sich das Ventil in der Richtung des Durchlasses erstreckt und den Durchfluss des Fluids durch den Durchlass minimal behindert. Wie in 6 zu erkennen ist, ist der Druck des Fluids auf das Ventilelement bei beginnender Öffnung des Ventils relativ hoch und relativ niedrig, wenn das Ventil annähernd vollständig geöffnet ist. 5 shows a butterfly valve 60 to which an actuator according to the invention can be attached. The valve 60 has a valve body 62 with a passage 68 and a valve element 64 which is movable to open or close the passage. The valve element is on a spindle 66 attached, which is rotated by the actuator. In this embodiment, the valve member is a butterfly member which is fixed to the spindle and disposed in the passage. As in the schematic representations of 6 is shown, the valve element 64 rotated 90 °, from a first position in which the valve member extends over the passage and the passage completely closes or blocks, in a second position known as the open position in which the valve extends in the direction of the passage and the Flow of fluid through the passage minimally obstructed. As in 6 As can be seen, the pressure of the fluid on the valve element at the beginning of the opening of the valve is relatively high and relatively low when the valve is almost fully opened.

7 zeigt ein Zweiwegeventil 60, bei dem das Ventilelement in dem Ventilkörper linear bewegt wird, um das Ventil zu öffnen oder zu schließen. In dieser Ausführungsform hat das Ventil einen Einlass und zwei Auslässe. Das Ventil gleitet in dem Durchlass durch den Ventilkörper. In einer ersten Position blockiert oder verschließt das Ventilelement den Einlass. In einer zweiten Position öffnet das Ventilelement den ersten Auslass und blockiert den zweiten Auslass. In einer dritten Position, in der sich das Ventilelement zwischen dem Einlass und dem ersten Auslass befindet, wird der zweite Auslass geöffnet und der erste Auslass blockiert. Es versteht sich, dass das Schließen des Ventils ein höheres Drehmoment erfordert, da der Druck des Fluids, das durch das Ventil strömt, dem Schließen des Ventils entgegenwirkt. Ist das Ventil erst einmal geschlossen, lässt es sich jedoch relativ leicht öffnen. 7 shows a two-way valve 60 in which the valve member in the valve body is linearly moved to open or close the valve. In this embodiment, the valve has an inlet and two outlets. The valve slides in the passage through the valve body. In a first position, the valve element blocks or closes the inlet. In a second position, the valve member opens the first outlet and blocks the second outlet. In a third position, where the valve element is between the inlet and the first outlet, the second outlet is opened and the first outlet is blocked. It is understood that closing the valve requires a higher torque because the pressure of the fluid flowing through the valve opposes the closing of the valve. Once the valve is closed, it can be opened relatively easily.

Die 8 bis 13 zeigen andere Ventilarten, bei denen das Ventilelement linear bewegt wird, um ein Öffnen und Schließen des Ventils zu bewirken. Die Darstellungen sind schematisch und zeigen das jeweilige Funktionsprinzip der Ventilarten. 8 zeigt ein lineares Ventil, bei dem das Ventilelement linear auf und ab bewegt wird, um den Durchlass durch den Ventilkörper zu öffnen oder zu schließen. Die Linearbewegung wird normalerweise durch eine Schraubverbindung zwischen der Spindel und dem Ventilelement erreicht. Das Ventilelement ist derart gestützt, dass es gleiten kann, aber an einer Drehung gehindert wird. Dadurch bewegt sich das Ventilelement entlang der Spindel auf und ab, wenn die Spindel durch den Aktuator gedreht wird. Bei dieser Ventilart legt sich das Ventilelement dicht schließend an einen in dem Durchlass gebildeten Sitz, um das Ventil zu schließen.The 8th to 13 show other types of valves in which the valve element is moved linearly to cause opening and closing of the valve. The illustrations are schematic and show the respective functional principle of the valve types. 8th shows a linear valve in which the valve element is linearly moved up and down to open or close the passage through the valve body. The linear movement is normally achieved by a screw connection between the spindle and the valve element. The valve element is supported so that it can slide but is prevented from rotating. As a result, the valve element moves up and down along the spindle as the spindle is rotated by the actuator. In this type of valve, the valve member tightly engages a seat formed in the passage to close the valve.

9 zeigt ein Kolbenventil 60, bei dem das Ventilelement 64 ein Kolben ist, der sich auf und ab bewegt, um den Durchlass 68 zu öffnen oder zu schließen. 10 zeigt einen Absperrschieber mit einem parallelen Schieberventilelement 64, das nach oben oder nach unten bewegt wird, um den Durchlass 68 zu öffnen oder zu schließen. 11 zeigt einen Absperrschieber mit einem keilförmigen Schieber. Dieser wirkt ähnlich wie das Ventil von 10. 12 zeigt ein Membranventil. Das Ventilelement hat eine Gummimembran 72, die auf und ab bewegt wird und die den Durchlass verschließt. Die Gummimembran sorgt für eine zuverlässige Abdichtung, die bei manchen Anwendungen erwünscht ist, zum Beispiel bei Gasleitungen. 13 zeigt ein Quetschventil, bei dem das Ventilelement einen flexiblen Bereich des Durchlasses zusammendrückt, um den Durchfluss des Fluids durch das Ventil abzuklemmen. 9 shows a piston valve 60 in which the valve element 64 a piston that moves up and down to the passage 68 to open or close. 10 shows a gate valve with a parallel slide valve element 64 which is moved up or down to the passage 68 to open or close. 11 shows a gate valve with a wedge-shaped slide. This works similar to the valve of 10 , 12 shows a diaphragm valve. The valve element has a rubber membrane 72 , which is moved up and down and closes the passage. The rubber membrane provides a reliable seal that is desirable in some applications, such as gas lines. 13 shows a pinch valve in which the valve member compresses a flexible portion of the passage to clamp the flow of fluid through the valve.

Die 14 bis 17 zeigen andere Ventilarten, bei denen das Ventilelement drehend bewegt, d. h. gedreht wird, um ein Öffnen und Schließen des Ventils zu bewirken. Die Darstellungen sind schematisch und zeigen das Funktionsprinzip der jeweiligen Ventilart. 14 zeigt das Funktionsprinzip eines Kugel- oder Stopfenventils 60, bei dem das Ventilelement eine Durchgangsöffnung 70 hat, die in der offenen Position auf den Durchlass 68 des Ventilkörpers 62 ausgerichtet ist. Um den Durchfluss durch das Ventil zu begrenzen und um das Ventil zu schließen, wird das Ventilelement derart gedreht, dass die Öffnung 70 nicht auf den Durchlass 68 ausgerichtet ist, und in der geschlossenen Position wird der Durchlass durch das Ventilelement dicht verschlossen, so dass kein Fluid hindurchströmen kann. Bei einem Kugelventil ist das Ventilelement kugelförmig. Bei einem Stopfenventil ist das Ventilelement zylindrisch oder kegelstumpfförmig.The 14 to 17 show other types of valves in which the valve element rotatably moves, that is rotated to effect opening and closing of the valve. The illustrations are schematic and show the functional principle of the respective valve type. 14 shows the principle of operation of a ball or stopper valve 60 in which the valve element has a passage opening 70 has, in the open position on the passage 68 of the valve body 62 is aligned. To limit the flow through the valve and to close the valve, the valve element is rotated so that the opening 70 not on the passage 68 is aligned, and in the closed position, the passage is sealed by the valve member, so that no fluid can flow through. In a ball valve, the valve element is spherical. In a plug valve, the valve element is cylindrical or frusto-conical.

15 zeigt das Funktionsprinzip eines drehbaren Ventils 60, bei dem das Ventilelement gedreht wird zwischen einer offenen Position und einer geschlossenen Position, in der das Ventilelement den Durchlass 68 des Ventilkörpers 62 abdichtet oder verschließt. Das Ventilelement 64 ist an der Spindel 66 befestigt, so dass dieses sich mit der Spindel dreht, wenn die Spindel durch den Aktuator gedreht wird. 16 zeigt ein Tellerventil 60, bei welchem ein Teller mit einer Durchgangsöffnung 70 von einer offenen Position, in der die Durchgangsöffnung auf den Durchlass 68 ausgerichtet ist, in eine geschlossene Position gedreht wird, in der sich die Durchgangsöffnung 70 nicht mit dem Durchlass 68 deckt und der Durchlass durch den Teller verschlossen wird. 17 zeigt ein Drehventil 60, wobei das Ventil zum Teil aufgeschnitten dargestellt ist. Der Ventilkörper 62 hat eine zylindrische Form und das Ventilelement 64 hat eine Ringform oder hohlzylindrische Form und ist in dem Ventilkörper angeordnet, der in dem Durchlass 68 angeordnet und Teil desselben ist. In diesem Beispiel hat das Ventil einen einzigen Einlass (der sich am Boden befindet) und eine Anzahl von Auslässen (drei), die in der zylindrischen Wand des Ventilkörpers gebildet sind. Eine Öffnung 70 in der Wand des Ventilelements 64 wird gedreht, so dass diese auf einen gewählten Auslass ausgerichtet wird, wobei der Körper des Ventilelements 64 die anderen Auslässe gleichzeitig verschließt. 15 shows the functional principle of a rotatable valve 60 in that the valve element is rotated between an open position and a closed position in which the valve element passes the passage 68 of the valve body 62 seals or closes. The valve element 64 is at the spindle 66 attached so that it rotates with the spindle when the spindle is rotated by the actuator. 16 shows a poppet valve 60 in which a plate with a through hole 70 from an open position, in which the passage opening on the passage 68 is aligned, is rotated in a closed position, in which the passage opening 70 not with the passage 68 covers and the passage is closed by the plate. 17 shows a rotary valve 60 wherein the valve is shown partially cut away. The valve body 62 has a cylindrical shape and the valve element 64 has a ring shape or hollow cylindrical shape and is disposed in the valve body which is in the passage 68 arranged and part of it is. In this example, the valve has a single inlet (located at the bottom) and a number of outlets (three) formed in the cylindrical wall of the valve body. An opening 70 in the wall of the valve element 64 is rotated so that it is aligned with a selected outlet, wherein the body of the valve element 64 the other outlets closes at the same time.

Im Betrieb ist der Aktuator mit dem Ventil verbunden, um das Ventilelement elektrisch zu betätigen oder zwischen der geschlossenen Position und der voll geöffneten Position zu bewegen. Das progressive Getriebe, das in dem Getriebegehäuse des Aktuators verwendet wird, ist in seiner Auslegung und Konfiguration auf die Drehmomentanforderungen des Ventils abgestimmt, wodurch der Motor des Aktuators für die Anwendung geeignet bemessen werden kann. Der Energieverbrauch des Ventils kann dadurch reduziert werden ebenso wie die physische Größe und das Gewicht des Aktuators, mit dem Ergebnis einer kleineren und leichteren Ventilanordnung.In operation, the actuator is connected to the valve to electrically actuate or move the valve member between the closed position and the fully open position. The progressive gear used in the transmission housing of the actuator is designed and configured to the torque requirements of the valve, whereby the motor of the actuator can be suitably sized for the application. The power consumption of the valve can thereby be reduced as well as the physical size and weight of the actuator, resulting in a smaller and lighter valve assembly.

Verben wie ”umfassen”, ”aufweisen”, ”enthalten” und ”haben” sowie deren Abwandlungen in der Beschreibung und in den Ansprüchen der vorliegenden Anmeldung sind in einem einschließenden Sinne zu verstehen. Sie geben an, dass das genannte Element vorhanden ist, schließen jedoch nicht aus, dass noch weitere Elemente vorhanden sind.Verbs such as "comprising", "comprising", "containing" and "having" and their modifications in the description and in the claims of the present application are to be understood in an inclusive sense. They indicate that the named element exists, but do not exclude that there are other elements.

Wenngleich die Erfindung mit Bezug auf eine oder mehrere bevorzugte Ausführungsformen beschrieben wurde, wird der Fachmann erkennen, dass verschiedene Modifikation möglich sind, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen, der durch die anliegenden Ansprüche definiert wird.While the invention has been described with reference to one or more preferred embodiments, those skilled in the art will recognize that various modifications are possible without departing from the scope of the invention as defined by the appended claims.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

US 206322 [0005]
US 8196487 [0005]

Claims

An electrically actuated valve assembly comprising: a valve body ( 62 ) with a fluid passage for the passage of fluids; a valve element ( 64 ) which is movable with respect to the valve body to vary the flow of the fluid through the passage; an actuator ( 10 ), which is arranged to the valve element ( 64 ), wherein the actuator comprises: a motor ( 20 ) with a motor shaft ( 22 ); an output ( 18 ), which has an output shaft ( 50 ) and a connection ( 52 ) for connection to a valve element; and a gear train ( 30 ), the motor shaft ( 22 ) with the output shaft ( 50 ), characterized in that the gear train ( 30 ) depending on the operating angle of the output shaft ( 50 ) has variable gear ratio and at least one progressive transmission ( 36 38 ).

Valve arrangement according to claim 1, wherein the progressive transmission ( 36 . 38 ) a first spiral toothed gear ( 42 ) and a second helical gear meshing with the first helical gear ( 44 ).

Valve arrangement according to claim 2, wherein the second helical gear ( 44 ) on the output shaft ( 50 ) is attached.

Valve arrangement according to claim 2 or 3, wherein the first helical gear ( 42 ) by at least one spur gear ( 32 . 34 ) with the motor shaft ( 22 ) connected is.

Valve arrangement according to claim 2, 3 or 4, wherein the first and the second spiral toothed gear ( 42 . 44 ) have a logarithmic pitch curve.

Valve arrangement according to one of claims 1 to 5, further comprising a return spring ( 54 ), which is arranged for the elastic return of the output shaft ( 50 ) to an initial operating angle when the engine ( 20 ) is not active.

Valve arrangement according to claim 6, wherein the return spring ( 54 ) is a helical spring, which around the output shaft ( 50 ), one end being attached to the second helical gear ( 44 ) and a second end is fixed to an output shaft supporting area.

Valve arrangement according to one of the preceding claims, wherein the engine ( 20 ) is a stepper motor and with a PCB ( 16 ) carrying a control circuit for controlling the motor in response to control signals.

Valve arrangement according to one of the preceding claims, wherein the valve element ( 64 ) is displaceable between a first position, in which the valve is substantially closed, and a second position, in which the valve is substantially fully opened, and can be positioned in positions between the first and the second position.

Valve arrangement according to one of the preceding claims, wherein the valve element ( 64 ) is a butterfly valve element, a ball valve element rotatable about a fixed axis or a spindle valve element.

Valve arrangement according to one of the preceding claims, wherein the valve ( 60 ) is a throttle valve of a fuel supply system for an internal combustion engine, a water supply valve or a liquid control valve of a heat exchanger, especially a control valve of a heat exchanger for an internal combustion engine.