用于阀致动器的齿轮系的制作方法

1.本发明涉及一种用于致动器的齿轮系。特别地，本发明涉及一种用于阀致动器的齿轮系，该阀致动器包括马达和阀杆，其中，齿轮系将马达旋转地联接到阀杆。本发明进一步涉及一种阀致动器。


背景技术：

2.阀致动器包括马达，该马达被布置为经由齿轮系使阀旋转。当阀的旋转轴线与马达的旋转轴线垂直时，已知的是使用蜗杆传动装置将来自马达的旋转传递到阀。


技术实现要素：

3.根据本发明，提供了一种用于阀致动器的齿轮系，该阀致动器包括马达和阀杆。齿轮系被配置为将马达旋转地联接到阀杆。齿轮系包括：
4.马达齿轮，可附接到马达的轴；
5.面齿轮，可安装成使得面齿轮的旋转轴线与马达的旋转轴线垂直，面齿轮包括用于与马达齿轮接合的轴向面齿轮部分；
6.输出齿轮，可附接到阀杆，输出齿轮和阀杆可安装成使得输出轴的旋转轴线与面齿轮旋转轴线平行；以及
7.小齿轮装置，被配置为将面齿轮旋转地联接到输出齿轮。
8.在示例中，小齿轮装置包括中间齿轮，该中间齿轮具有被布置为与面齿轮的小齿轮接合的第一齿轮部分和被布置为与输出齿轮接合的第二齿轮部分。
9.在其他示例中，小齿轮装置包括面齿轮和输出齿轮之间的直接接合。面齿轮和输出齿轮各自包括被布置为彼此接合的小齿轮部分。在示例中，小齿轮、第一齿轮部分和第二齿轮部分各自包括正齿轮。在其他示例中，小齿轮、第一齿轮部分和第二齿轮部分各自包括斜齿轮。
10.在示例中，输出齿轮包括围绕输出齿轮的圆周仅部分地延伸的齿轮扇段。例如，齿轮扇段围绕输出齿轮的约50％的圆周延伸。在另一个示例中，齿轮扇段围绕输出齿轮的约25％的圆周延伸。
11.在示例中，齿轮系被配置为在马达齿轮与输出齿轮之间提供在大约1:3和大约1:1000之间(例如大约1:40)的齿数比。
12.在示例中，输出齿轮包括用于接合复位弹簧的凹部，该复位弹簧被布置为在凹部和阀致动器的壳体之间作用，以在旋转方向上推动输出齿轮和阀杆。在示例中，复位弹簧可以是扭转弹簧。
13.在示例中，输出齿轮包括一个或多个端部止动部，该一个或多个端部止动部被布置为与阀致动器的壳体接合，以限制输出齿轮和阀杆的旋转。根据本发明的另一方面，还提供一种包括马达、阀杆和如上所述的齿轮系的阀致动器。
14.在示例中，阀杆可以包括磁体，并且阀致动器可以进一步包括传感器，该传感器被
布置为通过检测磁体来检测阀杆的旋转位置。
15.本发明提供了有利的扭矩传递和齿轮齿磨损，从而允许在阀致动器中使用尺寸较小、功率较低的马达，并延长了阀致动器的寿命。
附图说明
16.在附图中展示了本发明的示例实施例，在附图中：
17.图1展示了阀致动器的立体图，阀致动器包括具有面齿轮的齿轮系；
18.图2展示了图1的阀致动器的俯视图；
19.图3示意性地展示了图1和图2的齿轮系的马达齿轮和面齿轮；
20.图4示意性地展示了图1和图2的齿轮系的面齿轮和中间齿轮；
21.图5示意性地展示了图1和图2的齿轮系的中间齿轮和输出齿轮；
22.图6展示了图1和图2的齿轮系的输出齿轮，包括阀杆；
23.图7展示了图1和图2的齿轮系的替代性输出齿轮，包括阀杆；以及
24.图8展示了图1和图2的阀致动器的阀杆。
具体实施方式
25.所展示的示例实施例涉及用于对阀进行致动的阀致动器的齿轮系。阀致动器包括马达和与阀接合的阀杆。齿轮系接合在马达和阀杆之间，使得马达的旋转经由齿轮系驱动阀杆的旋转。
26.阀致动器可以用于冷却剂系统、空气管理系统(比如空气进气管理系统、排气再循环(egr)系统和/或空气风门系统)。阀致动器可以可替代地用作排气系统或涡轮增压器系统(优选地是具有可变涡轮几何形状的涡轮增压器)、格栅风口的声学致动器，或更广泛地，用作具有“l形”架构(即输出轴线与马达旋转轴线垂直)的所有其他致动器。
27.然而，将认识到，本文所述的齿轮系和阀致动器可以适合于其他应用，尤其是阀杆的旋转轴线与马达的旋转轴线垂直的情况。
28.如图1和图2所示，阀致动器1包括马达2、阀杆3和齿轮系4，齿轮系将马达2旋转地联接到阀杆3。马达2、阀杆3和齿轮系4容纳在壳体(未示出)中。特别地，马达2固定到壳体，并且齿轮系4的至少一些齿轮旋转地安装到壳体，如后文中进一步描述的。齿轮系4的齿轮可以通过轴承或衬套旋转地安装到壳体，以允许齿轮相对于壳体旋转。可替代地，齿轮的引导元件(轴或孔)可以与壳体一体形成，并且因此由与壳体相同的材料制成。
29.马达2是电动马达，例如dc马达，比如dc有刷或无刷马达。可替代地，电动马达可以是ac马达，比如ac有刷或无刷马达。在示例中，电动马达可以是伺服马达或步进马达。马达2可以在低电压(例如约6伏或约12伏或约18伏)电力供应器上操作。
30.马达2包括用于提供启动马达2的功率和/或控制信号的控制连接件31。
31.马达2具有围绕马达旋转轴线6旋转的马达轴5。齿轮系4包括马达齿轮7，马达齿轮安装到马达轴5并且通过马达2围绕马达旋转轴线6旋转。齿轮系4进一步包括面齿轮8和输出齿轮20，以将马达2的旋转力传递到阀杆3，如后文中详细描述的。在优选示例中，中间齿轮14设置在面齿轮8和输出齿轮20之间。
32.还如图1、图2和图3所示，面齿轮8被布置为与马达齿轮7接合。面齿轮8安装到壳
体，以围绕面齿轮轴线9旋转。面齿轮轴线9与马达旋转轴线6垂直。
33.面齿轮8包括面齿轮部分10，该面齿轮部分包括位于面齿轮8的轴向面11上的齿。特别地，面齿轮部分10围绕面齿轮8的轴向面11的径向边缘形成。面齿轮部分10与马达齿轮7接合，使得马达轴5的旋转经由马达齿轮7和面齿轮部分10驱动面齿轮8围绕面齿轮轴线9旋转。以这种方式，马达2的旋转被传递到垂直轴线，即面齿轮旋转轴线9。
34.优选地，马达齿轮7是正齿轮，并且面齿轮部分10包括被配置为与马达齿轮7接合的齿轮齿。在其他实施例中，马达齿轮7可以是斜齿轮，并且面齿轮部分10可以包括被配置为与马达齿轮7接合的斜齿轮齿。
35.面齿轮部分10具有比马达齿轮7更大的有效直径，从而限定大约0.4(即，约1:2.58)的齿数比(马达齿轮7:面齿轮8)。然而，将认识到，马达齿轮7和面齿轮8之间的齿数比可以在大约0.1(即，约1:10)至大约0.7(即，约1:1.5)的范围内。
36.如图1至图4所展示的，面齿轮8进一步包括轴向突起12，该轴向突起包括小齿轮13。小齿轮13包括围绕轴向突起12的径向表面16形成的齿轮齿15。
37.在优选实施例中，面齿轮8的小齿轮13被布置为与齿轮系4的中间齿轮14的第一齿轮部分17接合。中间齿轮14安装到壳体(未示出)以围绕中间齿轮轴线18旋转。将认识到，中间齿轮轴线18与面齿轮轴线9平行并且与马达旋转轴线6垂直。
38.优选地，面齿轮8的小齿轮13是正齿轮，并且中间齿轮14的第一齿轮部分17包括被布置为与小齿轮13接合的正齿轮。然而，在替代性示例中，面齿轮8的小齿轮13是斜齿轮，中间齿轮14的第一齿轮部分17包括被布置为与小齿轮13接合的斜齿轮。
39.面齿轮8的小齿轮13具有比中间齿轮14的第一齿轮部分17更小的有效直径，从而限定大约0.25(即，约1:4)的齿数比(小齿轮13:第一齿轮部分14)。然而，将认识到，面齿轮8的小齿轮13与中间齿轮14的第一齿轮部分17之间的齿数比可以在大约0.1(即，约1:10)至大约0.7(即，约1:1.5)的范围内。
40.以这种方式，马达轴5的旋转经由马达输出齿轮7和面齿轮8驱动中间齿轮14的旋转。
41.如图1和图5所展示的，中间齿轮14进一步包括第二齿轮部分19。第二齿轮部分19是从中间齿轮14的轴向面延伸的小齿轮。
42.第二齿轮部分19被布置为与齿轮系4的输出齿轮20接合。输出齿轮20包括齿轮扇段22，该齿轮扇段围绕输出齿轮20的径向表面部分地延伸并且与中间齿轮14的第二齿轮部分19接合。输出齿轮20附接到阀杆3以对阀进行致动。附加地，输出齿轮20可以安装到壳体以进行旋转。输出齿轮20围绕输出齿轮轴线21旋转。将认识到，输出齿轮轴线21与面齿轮轴线9和中间齿轮轴线18平行，并且与马达旋转轴线6垂直。
43.优选地，中间齿轮14的第二齿轮部分19是正齿轮，输出齿轮20的齿轮扇段22包括被布置为与第二齿轮部分19接合的部分正齿轮。然而，在替代性示例中，中间齿轮14的第二齿轮部分19是斜齿轮，并且输出齿轮20的齿轮扇段22包括被布置为与第二齿轮部分19接合的部分斜齿轮。在替代性示例中，输出齿轮20可以包括全周长齿轮(而不是展示的扇段齿轮)以及可选的斜齿轮。
44.中间齿轮14的第二齿轮部分19具有比输出齿轮20的齿轮扇段22更小的有效直径，从而限定大约0.25(即，约1:4)的齿数比(第二齿轮部分19:齿轮扇段22)。然而，将认识到，
中间齿轮14的第二齿轮部分19与输出齿轮20的齿轮扇段22之间的齿数比可以在大约0.1(即，约1:10)至大约0.7(即，约1:1.5)的范围内。
45.以这种方式，马达轴5的旋转经由马达齿轮7、面齿轮8和中间齿轮14驱动输出齿轮20的旋转。
46.在未展示的替代性示例中，面齿轮8的小齿轮13与输出齿轮20直接接合，并且不存在中间齿轮14。中间齿轮14有利地在马达2和阀杆3之间提供附加齿轮传动，但这在某些情况下可以不是必需的。
47.如图1、图2和图5所展示的，输出齿轮20联接到阀杆3，使得输出齿轮20的旋转引起阀杆3的旋转。阀杆3具有阀接合部分23，该阀接合部分适应于移动阀构件(未展示)以改变阀的操作状态(例如，打开、关闭或部分打开)。在替代性示例中，阀杆3包括阀构件，即，进行移动以打开/关闭阀的部件。在示例中，阀可以是球阀、蝶阀、闸阀或其他类型的阀。
48.如所展示的，输出齿轮20的齿轮扇段22围绕输出齿轮20的大约25％的圆周延伸，即，围绕输出齿轮20的约90度的圆周延伸。相应地，阀致动器1、并且特别是齿轮系4被配置为使阀杆3旋转最大约90度来对阀进行致动，例如，来使阀在打开位置和关闭位置之间移动。将认识到，根据阀被致动的要求，输出齿轮20的齿轮扇段22可以围绕输出齿轮20的约15％至50％的圆周之间延伸，以进行对应的旋转。然而，在一些示例中，输出齿轮20的齿轮扇段22可以围绕输出齿轮20的整个圆周延伸。
49.在本文所述的优选示例中，齿轮系4在马达轴5和阀杆3之间提供约1:40的齿数比(马达轴5:阀杆3)。相应地，如果对阀进行致动需要阀杆3旋转90度，则马达轴5旋转大约10次。然而，将认识到，齿轮系4的齿数比可以变化，从而在马达轴5与阀杆3之间给出大约1:3至大约1:1000之间的总齿数比(马达轴5:阀杆3)范围。
50.如图6所展示的，输出齿轮20包括用于复位弹簧、特别是扭转弹簧(25，参见图1和图2)的凹部24。复位弹簧25是围绕输出齿轮轴线21设置的扭转弹簧，扭转弹簧的一端与阀致动器1的壳体接合，并且另一端与输出齿轮20的凹部24接合。扭转弹簧25用于在一个旋转方向上、例如朝向阀打开或阀关闭位置推动输出齿轮20和阀杆3。
51.可替代地，复位弹簧可以是非扭转弹簧(例如拉伸弹簧)，非扭转弹簧被布置为在壳体和输出齿轮20之间作用以在一个旋转方向上、例如朝向阀打开或阀关闭位置推动输出齿轮20和阀杆3。
52.阀致动器1的操作可以包括启动马达2，以使阀杆3从关闭位置旋转到打开位置，反之亦然，然后停用马达2，使得复位弹簧25对应地将阀返回到关闭或打开位置。在其他示例中，马达2可以被启动以在两个方向上(即，打开到关闭，以及关闭到打开)使阀杆3旋转，并且复位弹簧25被提供作为用于在马达2或齿轮系4失去动力或故障的情况下将阀移动到关闭位置的故障保护器。在其他示例中，马达2可以仅在单个方向上启动，使阀在一个方向上旋转通过打开和关闭位置。
53.如图7所展示的，输出齿轮20可以包括一个或多个端部止动部26，在此示例中，包括两个端部止动部26。端部止动部26可以在阀杆3的最大旋转位置处或附近接合壳体的一部分，以防止阀杆3过度旋转。附加地，或可替代地，端部止动部26可以被布置为防止齿轮系4经受在到达壳体的对应端部止动部时出现的冲击扭矩。如果施加到齿轮系4的冲击扭矩太高，则它可能损坏齿轮7、8、14、20中的一个或多个，特别是损坏齿轮齿。端部止动部26被提
供用于限制阀的角行程，并且被配置为防止齿轮系4故障。端部止动部26优选地被配置为通过在与壳体接触时变形而吸收齿轮系4的旋转力。端部止动部26优选地是可弹性变形的(即，弹性地作用)，使得它们在正常操作条件下不会永久变形或断裂。因此，端部止动部26可以被配置为对齿轮系4和阀杆3的旋转提供柔和的限位，并且还吸收来自马达转子的动能。
54.图8展示了示例阀杆3。阀杆3包括阀接合部分23。阀杆3还包括用于将阀杆3附接到输出齿轮20的齿轮安装部分27。在此示例中，齿轮安装部分包括用于卡住输出齿轮20的孔的滚花区段27。可以附加地或可替代地使用一个或多个紧固件(例如弹性挡圈或螺母)将阀杆3附接到输出齿轮20。
55.同样在图6至图8中展示出，阀杆3可以可选地包括磁体28，磁体安装到阀杆3的被附接到输出齿轮20的端部。磁体优选地包覆成型在阀杆3上，或者阀杆3包覆成型到磁体28上，但是在替代性示例中可以使用紧固件。输出齿轮20可以包括用于将磁体28支撑在阀杆3的端部上的模制支撑件30。磁体28可以固位在阀杆3和输出齿轮20之间。
56.磁体28被布置为由传感器29(参见图1和图2)检测。传感器29优选地通过霍尔效应来检测磁体28的相对位置。传感器29通过检测磁体28来检测阀杆3的旋转位置。传感器29安装到壳体，并且包括邻近于磁体28设置且被布置为利用磁体28来检测阀杆3的旋转的传感器。由于阀杆3经由阀接合部分23直接联接到阀，由此传感器29可以不考虑马达2和齿轮系4而确定阀的位置，并且因此还可以用于检测马达2和/或齿轮系4的故障。
57.本文描述的阀致动器1可特别应用于较小尺寸的低功率阀致动器，比如应用于空气管理系统，比如空气进气管理系统、排气再循环(egr)系统和/或空气风门系统。可替代地，阀致动器1可以用作排气系统或涡轮增压器系统(优选地是具有可变涡轮几何形状的涡轮增压器)、格栅风口的声学致动器，或更广泛地，用作具有“l形”架构(即输出轴线与马达旋转轴线垂直)的所有其他致动器。
58.在一个特定示例中，马达2在正常操作期间在5000rpm下产生大约30n.mm。这种马达2可以具有大约50mm长度和30mm直径的尺寸。考虑到效率损失，所公开的阀致动器1(具有在约20:1至约80:1之间齿数比的齿轮系)将在阀杆3上产生500n.mm至1500n.mm之间的扭矩，这适合于致动小型阀(比如冷却剂阀或egr阀)。
59.与在马达的旋转轴线与阀的旋转轴线垂直的应用中常见地使用的蜗杆传动装置相比，所公开的阀致动器1、特别是齿轮系4实现了更高效的扭矩传递，从而允许使用尺寸较小或功率较低的马达2。另外，所公开的齿轮系4将比蜗杆传动装置经历更低的齿轮齿磨损，蜗杆传动装置由于齿与蜗杆的螺纹之间更高的接触压力而固有地产生更高的滑动接触。因此，特别是在高温下(从120℃高至160℃)在护罩下方操作的应用，为了获得相同的使用寿命，齿轮系4的齿轮7、8、14、20的材料可以比同等蜗杆传动装置更轻。
60.特别地，齿轮系4的齿轮4、8、14、20可以包括根据齿轮必须承受的应力而填充或不填充的聚合物材料，例如聚酰胺材料、聚邻苯二甲酰胺材料或聚苯硫醚材料。
61.此外，阀致动器1、特别是齿轮系4比被布置为将传递90度旋转运动的同等锥齿轮装置更便宜并且更简单，因为不需要将齿轮和马达轴向地精确定位，从而使设计、制造、组装和实施都更加简单。
62.此外，有利地，阀致动器1的齿轮系4中的齿轮的啮合质量不受马达轴5的轴向反冲
的影响，这可能是非常重要的。相反，锥齿轮装置、特别是啮合质量将很容易受到这种反冲的影响。
63.总结起来，提供了一种用于阀致动器1的齿轮系4。阀致动器1包括马达2和阀杆3。齿轮系4被配置为将马达2旋转地联接到阀杆3。齿轮系4包括：
64.马达齿轮7，可附接到马达2的马达轴5；
65.面齿轮8，被安装成使得面齿轮8的旋转轴线9与马达2的旋转轴线6垂直，面齿轮8包括用于与马达齿轮7接合的轴向面齿轮部分10；
66.输出齿轮20，可附接到阀杆3，输出齿轮20和阀杆3可安装成使得输出齿轮20的旋转轴线21与面齿轮8的旋转轴线9平行；以及
67.小齿轮装置，被配置为将面齿轮8旋转地联接到输出齿轮20。