KR20180044217A

KR20180044217A - 액추에이터

Info

Publication number: KR20180044217A
Application number: KR1020170137093A
Authority: KR
Inventors: 로만 레너트; 매뉴얼 쉬이커; 크리스토프 티에리
Original assignee: 한온시스템 주식회사
Priority date: 2016-10-21
Filing date: 2017-10-23
Publication date: 2018-05-02
Also published as: DE102016220780A1; DE102016220780B4; US20180112593A1

Abstract

본 발명은 밸브를 작동시키기 위한 액추에이터를 제공하며, 이 경우 액추에이터는 구동 장치, 그리고 제1 및 제2 나사산 섹션 및 이들 사이에 놓여 있는 제3 나사산 섹션을 갖춘 회전 가능한 하나 이상의 나사산 요소를 구비한다. 또한, 액추에이터는 나사산 요소에 의해서 병진 방식으로 구동되는 출력 요소를 구비한다. 본 발명에 따른 액추에이터는, 제3 나사산 섹션 내에서의 리드 각(lead angle)이 제1 및 제2 나사산 섹션 내에서의 리드 각보다 큰 것을 특징으로 한다.

Description

액추에이터{ACTUATOR}

본 발명은, 액추에이터 및 밸브 요소와 액추에이터의 조합, 그리고 배기가스 터보차저의 배기가스 재순환 밸브, 웨이스트 게이트(waste gate) 및 터빈의 가변적인 기하학적 형상에 관한 것이다.

서문에 언급된 유형의 장치들은, 연료 소비 및 유해 물질 방출을 줄이기 위해, 작동 상태에 따라 배기가스가 신선 공기 측으로 공급되어야만 하는 내연 기관에서 자주 사용된다. 상응하는 밸브를 통해, 병진 방식으로 이동할 수 있는 밸브 태핏(valve tappet)이 액추에이터에 의해서 작동될 수 있다.

EP 2 418 373 A1호에는, 밸브를 병진 방식으로 운동시키는 회전 가능한 나사산 요소가 상이한 나사산 피치(pitch)를 갖는 2개 이상의 섹션을 구비하는 것이 공지되어 있다.

이와 같은 액추에이터는 유용한 것으로 입증되었다. 하지만, 점점 더 높은 수준의 요구 조건이 제기된다.

본 발명의 과제는, 액추에이터를 간단한 구조로 개선하는 것이다.

상기 과제는, 청구항 1의 액추에이터에 의해서 해결된다. 이 액추에이터는, 제1 및 제2 나사산 섹션 그리고 이들 사이에 놓여 있는 제3 나사산 섹션을 구비하며, 제3 나사산 섹션 내에서의 리드 각(lead angle) 혹은 피치가 제1 및 제2 나사산 섹션 내에서의 리드 각 혹은 피치보다 큰 것을 특징으로 한다. 다른 말로 더 상세하게 표현하자면, 제3 나사산 섹션 내에서의 나사산 피치가 제1 및 제2 나사산 섹션 내에서의 나사산 피치보다 가파르다.

본 발명은, 제1 또는 제2 나사산 섹션 내부에 출력 요소가 결합할 때보다 제3 나사산 섹션 내부에 결합할 때의 출력 요소의 병진 운동이 더 크다는 사상을 토대로 한다.

이와 같은 사상에 의해서는, 개별 나사산 섹션에 따라 전달력을 특별하게 매칭시키는 것, 그리고 제1 및 제2 나사산 섹션 내에서의 전달력은 상대적으로 더 크지만, 이들 사이에 놓여 있는 제3 나사산 섹션 내에서의 전달력은 상대적으로 더 작도록 매칭시키는 것이 가능하다. 이렇게 함으로써, 힘 및 거리와 관련한 유연성이 충분히 이용될 수 있다. 이와 같은 방식으로, 밸브용 출력 요소의 병진 운동이 바람직하게 실행될 수 있다.

그럼으로써, 다음과 같은 장점들 중 하나 이상의 장점에 도달하게 된다:

제1 및 제2 나사산 섹션 내에서의 더 평평한 피치에 의해서, 더 큰 개방력이 전달될 수 있으며, 이와 같은 가능성은 더 큰 회전 거리와 결부되어 있다. 그럼으로써, 예를 들어 밸브의 개방 동작 또는 폐쇄 동작이 시작될 때 비교적 더 큰 힘이 이와 같은 동작을 실행하기 위해서 이용될 수 있다. 제1 및 제2 나사산 섹션 내에서의 리드 각이 제3 나사산 섹션 내에서의 피치보다 더 작게 형성되어 있음으로써, 덜 강한 전기 모터가 구동 장치로서 사용될 수 있는데, 그 이유는 더 평평한 피치를 통해서 더 높은 힘 엔트리(force entry)에 도달할 수 있기 때문이다. 이것은, 예를 들어 더 작은 전기 구동 장치가 설치될 수 있는 상황을 유도한다.

또 다른 포인트는, 더 적은 구동 출력으로 충분한 경우에는, 구동 장치도 더 적은 에너지를 소비하게 되고, 이와 같은 사실은 전체적으로 더 적은 전류가 소비되는 상황을 유도한다는 것이다. 이와 같은 상황은, 특히 밸브의 개방 위치에서뿐만 아니라 폐쇄 위치에서도 힘이 지속적으로, 다시 말해 일정하게 실행되어야만 하기 때문에 명확하게 알 수 있다. 다시 말해, 높은 작동력은, 일 밸브의 2개 최종 위치에서 전류 공급이 적은 경우에 달성될 수 있다.

부가할 사실은, 제3 나사산 섹션 내에서의 더 높은 피치에 의해서, 중간 영역에서의 밸브의 조정이 더욱 신속하게 진행될 수 있다는 것이다. 이와 같은 사실은, 밸브가 전환될 수 있는 반응 시간 또는 전환 시간을 증가시킨다.

밸브를 실제로 사용하는 경우에는, 밸브가 의도치 않은 다른 힘에 의해서는 조정되지 않는다는 사실이 중요하다는 것이 또 다른 포인트로서 부가된다. 특히, 스쳐서 흐르는 가스는 가스 파워를 행사한다. 제1 및 제2 나사산 섹션 내에 더 높은 피치가 존재함으로써, 이들 영역에서도 상응하게 높은 저항력이 발생할 수 있으며, 그 결과 가스 파워가 밸브의 위치를 변경시키는 것은 덜 쉬울 수 있다.

본 발명은 또한, 밸브 요소와 본 발명에 따른 액추에이터의 조합과도 관련이 있다. 더 나아가, 본 발명은, 본 발명에 따른 액추에이터를 갖춘 배기가스 터보차저의 배기가스 재순환 밸브, 웨이스트 게이트, 또는 터빈의 가변적인 기하학적 형상과 관련이 있다.

본 발명의 또 다른 바람직한 실시예들은 종속 청구항들에 명시되어 있다.

본 발명의 또 다른 특징들 및 장점들은 이하의 상세한 설명을 참조해서 더욱 명백해진다.

도 1은 본 발명에 따른 액추에이터를 도시하고;
도 2는 본 발명에 따른 액추에이터의 나사산 요소의 리드 각을 도시하며; 그리고
도 3은 본 발명에 따른 액추에이터를 도시한다.

본 발명의 바람직한 일 실시예는 이하에서 도면들을 참조하여 상세하게 기술된다.

도 1은, 2개의 기어를 구비하는 구동 장치(2)를 갖춘 액추에이터(1)를 보여준다. 액추에이터의 구동 장치는 바람직한 방식의 회전 구동 장치로서 구현되었다. 회전 가능한 나사산 요소(3)로서는, 나사산 또는 이 나사산의 일 부분을 갖는 웜이 다루어질 수 있다. 웜은 소위 "worm"에 상응한다. 병진 방식으로 구동되는 출력 요소(4)는, 나사산 요소(3)의 회전이 출력 요소(4)의 병진 운동을 야기하도록 나사산 요소(3)와 결합되어 있다. 출력 요소(4)는 예를 들어 밸브 태핏(5a)으로부터 돌출하는 섹션, 휠, 롤러 또는 다른 요소일 수 있다. 다시 말해, 회전 구동 장치의 회전 운동은 밸브 태핏(5a)의 왕복 운동으로 변환된다. 밸브 태핏(5a)을 통해서 밸브 요소(5)가 액추에이터(1) 또는 출력 요소(4)와 연결되어 있다.

도 2는, 나사산 요소(3)의 나사산 섹션들의 리드 각을 보여주며, 이 경우 리드 각(°로 나타냄)은 회전 범위(°로 나타냄)의 함수로서 도시되어 있다. 다시 말해, 도 2는 나사산의 피치를 반영한다.

나사산 요소(3)는, 도 2에 영역(1 및 2)으로 표기되어 있는 제1 및 제2 나사산 섹션을 구비한다. 이 경우, 나사산 섹션의 영역(1)은 밸브가 상부 시트(5b)에 접하는 밸브의 상태에 상응하고, 영역(2)은 밸브가 하부 밸브 시트(5c) 내에 있는 상태에 상응한다. 영역(3) 내에는, 밸브 내에서의 중간 위치가 존재한다.

제1 및 제2 나사산 섹션은 각각 나사산 요소(3)의 일 단부에 접할 수 있는데, 더 상세하게 말하자면 제1 나사산 섹션은 나사산 요소의 상단부에 접할 수 있고, 제2 나사산 섹션은 나사산 요소(3)의 하단부에 접할 수 있다.

바람직하게, 제1 및 제2 나사산 섹션은 나사산의 가장 적은 피치 혹은 가장 적은 리드 각을 갖는다. 더 상세하게 말하자면, 상기 영역들에서 나사산 요소의 회전은 아래/아래로 출력 요소의 상대적으로 적은 병진 운동, 즉 밸브 태핏(5a)의 상대적으로 느린 운동을 발생한다.

도 2의 영역(3)을 특징짓는 제3 나사산 섹션은 최대 피치를 갖는다. 이것은, 나사산 요소의 회전시 중간 위치에서 출력 요소(4)의 신속한 병진 운동이 이루어지는 상황을 야기한다. 다른 말로 표현하자면, 중간 영역은 상대적으로 신속하게 통과될 수 있다.

도 2의 바람직한 실시예에서, 제3 나사산 섹션은 최대 피치로써 제1 및 제2 나사산 섹션에 대해 동일한 간격을 두고 배치되어 있다.

제1 및 제2 나사산 섹션들이 각각 나사산 요소(3)의 일 단부에 배치되어 있으면, 제3 나사산 섹션은 나사산 내에서 중앙에 배치되어 있다.

도 2로부터 드러나는 바와 같이, 피치 혹은 리드 각은 바람직하게 제1 나사산 섹션으로부터 제3 나사산 섹션까지는 단조적으로 증가하고, 제3 나사산 섹션으로부터 제2 나사산 섹션까지는 단조적으로 감소한다. 더 상세하게 말하자면, 도 2의 파형에 전환점이 존재하는 상황이 피해져야 하는데, 다시 말해 제1 나사산 섹션으로부터 제3 나사산 섹션으로의 천이 및 제3 나사산 섹션으로부터 제2 나사산 섹션으로의 천이가 서서히 이루어져야만 한다.

바람직하게, 제1 나사산 섹션과 제3 나사산 섹션 간의 피치 혹은 리드 각 및/또는 제2 나사산 섹션과 제3 나사산 섹션 간의 피치 혹은 리드 각은 적어도 30°, 바람직하게는 적어도 50°의 회전 범위에 걸쳐서 연속으로 변경된다.

나사산 요소의 전체 회전 범위는 바람직하게 400° 내지 700°, 더욱 바람직하게는 500° 내지 600°이다. 도 2에 도시된 실시예에서, 전체 회전 범위는 570°이다(바람직하게는 약 65 mm의 길이에서).

제1 및/또는 제2 나사산 섹션 내에서의 리드 각은 2° 내지 8°의 범위 안에, 바람직하게는 3° 내지 6°의 범위 안에, 더욱 바람직하게는 4° 내지 5°의 범위 안에 놓여 있어야만 한다. 제3 나사산 섹션의 리드 각은 19° 내지 25°의 범위 안에, 바람직하게는 20° 내지 24°의 범위 안에, 더욱 바람직하게는 21° 내지 22°의 범위 안에 놓여 있어야만 한다.

제1, 제2 및 제3 나사산 섹션에서, 피치 혹은 리드 각은 바람직한 방식으로 각각 일정하다. 바람직한 일 실시예에서는, 제1 및 제2 나사산 섹션 내에서의 피치 혹은 리드 각의 크기가 같다.

제1 및/또는 제2 나사산 섹션 내에서의 리드 각은 바람직하게 2 내지 8°의 범위 안에, 더욱 바람직하게는 3 내지 6°의 범위 안에, 더욱 바람직하게는 4 내지 5°의 범위 안에 놓여 있다. 도 2의 실시예에서, 리드 각은 4.5°이다.

제3 나사산 섹션 내에서의 리드 각은 19 내지 25°의 범위 안에, 바람직하게는 20 내지 24°의 범위 안에, 더욱 바람직하게는 21 내지 22°의 범위 안에 놓여 있다. 도 2에 도시된 실시예에서 리드 각은 21.9°이다.

제3 나사산 섹션은 바람직하게 적어도 45°, 바람직하게는 적어도 90°의 회전 범위에 걸쳐서 연장된다. 제1 및/또는 제2 나사산 섹션의 회전 범위는 바람직하게 적어도 70° 및/또는 120° 미만의 회전 범위에 걸쳐서, 바람직하게는 80 내지 100°의 회전 범위에 걸쳐서 연장된다. 도 2에 도시된 실시예에서, 제1 및 제2 나사산 섹션의 회전 범위는 각각 90° 초과이다.

도 2에 도시된 실시예에서, 나사산 길이 혹은 나사산 피치는 전체적으로 약 12.5 mm이다.

본 발명에 따른 액추에이터는, 도 1에 도시된 실시예에서 화살표 6에 의해 지시된 바와 같이 기어 아래에 배치되어 있는 스프링 요소(6)를 구비할 수 있다. 스프링 요소(6)는 도 3에서 명확하게 볼 수 있다. 이 스프링 요소(6)는, 구동 장치가 고장인 경우, 예를 들어 전류 공급부가 전혀 존재하지 않는 경우에, 제1 나사산 섹션 내에 있는 나사산 요소가 출력 요소와 결합할 수 있도록, 나사산 요소에 압축 응력이 가해지는 방식으로 설계되어 있다.

예를 들어 스파이럴 스프링일 수 있는 스프링 요소는, 전기 시스템의 장애 또는 중단시에도 "고장 안전(fail safe)"으로서 동작한다. 그럼으로써, 밸브는 전력 공급부 없이도 냉각 모드에 고정될 수 있다.

본 발명에 따른 액추에이터는 바람직하게 밸브 요소와 조합되어 있으며, 이 경우 출력 요소는 밸브 요소와 직접적으로 또는 간접적으로 연결되어 있다. 도 1에 도시된 실시예에서, 출력 요소(4)는 밸브 태핏(5a)과 연결되어 있다.

액추에이터(3)와 밸브 요소(5)의 조합은 특히, 밸브 요소(5)가 일 최종 위치에 있는 경우, 다시 말해 도 2의 상태 1 또는 상태 2에 있는 경우에는, 나사산 요소(3)의 제1 또는 제2 나사산 섹션 내에서 출력 요소(4)의 결합이 이루어지고, 밸브 요소(5)가 도 2의 영역(3)에 도시되어 있는 바와 같이 중간 위치에 있는 경우에는, 나사산 요소의 제3 나사산 섹션 내에서 출력 요소(4)의 결합이 이루어지도록 설계되어 있다.

액추에이터, 및 액추에이터와 밸브 요소로 이루어진 조합은 바람직한 방식으로 배기가스 터보차저의 배기가스 재순환 밸브, 웨이스트 게이트 또는 터빈의 가변적인 기하학적 형상 내에 배치되어 있다.

제1 나사산 섹션을 통해서 결합이 이루어지는 도 2의 상태 1은 냉각 모드에 상응하고; 제2 나사산 섹션을 통해서 결합이 이루어지는 도 2의 상태 2는 바이패스 모드에 상응하며; 제3 나사산 섹션을 통해서 결합이 이루어지는 도 2의 상태 3은 중간 위치에 상응한다.

액추에이터: 1
구동 장치: 2
나사산 요소: 3
출력 요소: 4
밸브 요소: 5
밸브 태핏: 5a
상부 밸브 시트: 5b
하부 밸브 시트: 5c
스프링 요소: 6

Claims

구동 장치,
제1 및 제2 나사산 섹션 및 이들 사이에 놓여 있는 제3 나사산 섹션을 갖춘 회전 가능한 하나 이상의 나사산 요소, 및
상기 나사산 요소에 의해서 병진 방식으로 구동되는 하나 이상의 출력 요소를 구비하는 밸브를 작동시키기 위한 액추에이터에 있어서,
제3 나사산 섹션 내에서의 리드 각이 제1 및 제2 나사산 섹션 내에서의 리드 각보다 큰 것을 특징으로 하는, 액추에이터.
제1항에 있어서,
상기 제1 및 제2 나사산 섹션이 각각 상기 나사산 요소의 일 단부에 놓여 있는 것을 특징으로 하는, 액추에이터.
제1항에 있어서,
상기 제1 및/또는 상기 제2 나사산 섹션이 나사산의 가장 적은 리드 각을 갖는 것을 특징으로 하는, 액추에이터.
제1항에 있어서,
상기 제3 나사산 섹션이 나사산의 최대 리드 각을 갖는 것을 특징으로 하는, 액추에이터.
제1항에 있어서,
상기 리드 각이 제1 나사산 섹션으로부터 제3 나사산 섹션까지는 단조적으로 증가하고/증가하거나, 제3 나사산 섹션으로부터 제2 나사산 섹션까지는 단조적으로 감소하는 것을 특징으로 하는, 액추에이터.
제1항에 있어서,
제1 및/또는 제2 나사산 섹션 내에서의 리드 각이 2 내지 8°의 범위 안에, 바람직하게는 3 내지 6°의 범위 안에, 더욱 바람직하게는 4 내지 5°의 범위 안에 놓여 있는 것을 특징으로 하는, 액추에이터.
제1항에 있어서,
제3 나사산 섹션 내에서의 리드 각이 19 내지 25°의 범위 안에, 바람직하게는 20 내지 24°의 범위 안에, 더욱 바람직하게는 21 내지 22°의 범위 안에 놓여 있는 것을 특징으로 하는, 액추에이터.
제1항에 있어서,
제1 및/또는 제2 나사산 섹션이 적어도 70 ° 및/또는 120° 미만의 회전 범위에 걸쳐서, 바람직하게는 80 내지 100°의 회전 범위에 걸쳐서 연장되는 것을 특징으로 하는, 액추에이터.
제1항에 있어서,
상기 제3 나사산 섹션이 적어도 45°, 바람직하게는 적어도 90°의 회전 범위에 걸쳐서 연장되는 것을 특징으로 하는, 액추에이터.
제1항에 있어서,
제1 나사산 섹션과 제3 나사산 섹션 간의 리드 각 및/또는 제2 나사산 섹션과 제3 나사산 섹션 간의 리드 각이 적어도 30°, 바람직하게는 적어도 50°의 회전 범위에 걸쳐서 연속으로 변경되는 것을 특징으로 하는, 액추에이터.
제1항에 있어서,
나사산 요소의 전체 회전 범위가 400 내지 700°, 바람직하게는 500 내지 600°인 것을 특징으로 하는, 액추에이터.
제1항에 있어서,
스프링 요소를 구비하고, 제1 나사산 섹션 내에 있는 나사산 요소가 출력 요소와 결합하도록, 스프링 요소가 나사산 요소에 압축 응력을 가할 수 있는 방식으로 설계되어 있는 것을 특징으로 하는, 액추에이터.
출력 요소와 직접적으로 또는 간접적으로 연결되어 있는 밸브 요소와 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 액추에이터의 조합.
제13항에 있어서,
밸브 요소가 폐쇄되어 있거나 개방되어 있는 경우에는, 나사산 요소의 제1 또는 제2 나사산 섹션 내에서 출력 요소의 결합이 이루어지고, 밸브 요소가 중간 위치에 있는 경우에는, 나사산 요소의 제3 나사산 섹션 내에서 출력 요소의 결합이 이루어지는 것을 특징으로 하는, 조합.
제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 액추에이터를 구비하는, 배기가스 터보차저의 배기가스 재순환 밸브, 웨이스트 게이트 또는 터빈의 가변적인 기하학적 형상.