CN102046941A - 气动致动器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气动致动器，该致动器包括容纳护套(2)和致动棒(14)，该致动棒穿过容纳护套(2)安装，并且能够在第一操作位置和第二操作位置之间运动。该致动器(1)还包括固定部分(23)和活动部分(26)，该固定部分与护套(2)一体形成并具有延伸主轴线(X)，活动部分可滑动连接至固定部分(23)并可操作地连接至致动棒(14)，以使得该活动部分与棒一起运动。固定部分(23)还包括至少一个芯体(25)，该至少一个芯体由铁磁性材料制成并沿着轴线(X)延伸。两个磁体(29)在相对于延伸主轴线(X)的沿直径相反侧上附接至活动部分(26)。活动部分(26)还可相对于固定部分(23)在磁体(29)与铁磁性芯体(25)之间的最大磁性解耦的第一位置以及在磁体(29)与铁磁性芯体(25)之间最大磁性耦合的第二位置之间运动。最后，用于检测磁场的传感器(30)安装在铁磁性芯体(25)的一个端部处。

Description

气动致动器

技术领域

本发明涉及一种气动致动器，该气动致动器特别地用于在车辆内燃发动机中使用，更特别地用于控制涡轮压缩机。

背景技术

气动致动器是具有容纳护套的装置，在该容纳护套内部形成有腔室，该腔室被气密性隔膜分成两个另外的腔室。附接至隔膜的有延伸通过护套的致动棒的第一端部，并且该致动棒具有第二端部，该第二端部实际上连接至要控制的装置(比如涡轮压缩机)。

致动器的两个内部腔室中的一个还包括喷嘴，致动器的内部压力可通过喷嘴而改变(产生过压或真空)。由此，不仅使隔膜而且使与隔膜一体形成的棒的端部运动。

为了控制棒的位置，现有技术致动器还包括适当的检测器装置，该检测器装置根据需求可具有不同形式。在意大利专利1354723中给出这种检测器装置的一个实例。

在这种情况下，检测器装置包括变阻器，该变阻器的固定部分与容纳护套一体形成，并且该变阻器的滑动器附接至与隔膜一体形成的活动部分。因此，为了确定棒的位置，测量变阻器的瞬间阻力就足够了，因为隔膜的每一运动对应于变阻器的滑动器的运动。

然而，现有技术的技术方案具有若干缺陷。第一，它需要产生电路，该电路必须既覆盖(cover)固定部分又覆盖活动部分，结构必然复杂而且相应的生产成本较高，这是由于在加工和装配步骤期间都需要高水平的精确性。第二，滑动触点的使用带来了以下缺点：这种触点总是随着时间的消逝而磨损(尤其是在恶劣的工作环境中)。

还要注意的是，还有用于基于对磁场的检测来测量线性运动的现有技术检测器。因而所述检测器不需要电滑动触点，该检测器通常包括：与活动元件一体形成的磁体，以及与固定部分一体形成的传感器(例如，霍尔效应传感器)。磁体相对于传感器的运动改变了存在于传感器处的磁场强度，因而允许基于传感器所检测的结果来确定活动元件的位置。

在专利US 6,639,398中描述了该种类型检测器的一个实例。

在这种情况下，检测器包括与活动元件相关联的磁体(具有环形形状)，该位置活动元件要被确定，该磁体可滑动地安装到由铁磁性材料制成的导杆上。在导杆的端部处存在霍尔效应传感器，同时在磁体被插入也由铁磁性材料制成的管中。检测器还包括由铁磁性材料制成的通量集中元件，该通量集中元件连接至管的与磁体所插入的端部相对的端部，并且设计用于将磁通量传输到在铁磁性芯体的相反侧上的传感器。

但是，这种类型的检测器也具有若干缺陷。

第一，这些检测器不能在磁体运动之后在传感器处供给磁场的足够的线性变化。因此，为了进行使用，这些检测器需要进行初步校准，该初步校准使得传感器所测量的值与要确定的磁体位置之间存在对应性。结果，为了进行使用，这些检测器必须连接至电子控制单元，该电子控制单元能够基于传感器的读数以及之前保存的映象来计算位置。

第二，需要使用环形磁体意味着生产成本高以及以均匀方式在径向方向上磁化它们非常困难。

发明内容

在该情况下，形成本发明基础的技术目的在于提供一种克服了上述缺陷的气动致动器。

特别地，本发明的目的在于提供一种气动致动器，该气动致动器制造相对简单，并且基于致动棒的运动提供了足够的线性读数。

特定的技术目的和所指出的目标主要通过所附权利要求中所述的气动致动器来实现。

附图说明

根据参照附图所描述的气动致动器的优选但非限制性实施例的详细描述，本发明的进一步特征和优点更加显而易见，附图中：

图1是根据本发明制成的致动器的俯视图；

图2示出了根据线II-II的图1的致动器；

图3示出了根据线III-III的图2的致动器；

图4示出了根据线IV-IV的图1的致动器；

图5是图2的致动器的细节的放大图；

图6是根据本发明的致动器的细节的局部分解的轴测投影图；以及

图7是图6的细节的轴向剖视图。

具体实施方式

参见附图，附图标记1整体地表示根据本发明制成的气动致动器。致动器1包括容纳护套2，该容纳护套在所示的实施例中包括三个主要主体，参照图2的取向，三个主要主体可包括下部主体3、上部主体4和中间主体5。

下部主体3和中间主体5主要分别包括第一钟形元件和第二钟形元件，均具有穿过基部7的贯通孔6。第一钟形元件和第二钟形元件在各自的自由边缘8处以密封方式联接，并且起伏(rolling)的隔膜9(在下面进行详细描述)也以液密方式安装在它们之间。

而上部主体4包括具有封闭基部10的第三钟形元件，第三钟形元件的自由边缘11以密封方式附接至第二钟形元件的贯通孔6。

容纳护套2还包括：喷嘴12，该喷嘴与中间主体5的内部流体连通；和电连接元件13，该电连接元件附接在上部主体4的外面。

致动棒14滑动地插入通过第一钟形元件的贯通孔6，该棒具有第一端部15和第二端部16，第一端部位于容纳护套2内部并与起伏的隔膜9一体形成，第二端部实际上可连接至要控制的装置(比如涡轮压缩机)。

此外，棒14可在容纳护套2外面最大延伸的第一工作位置和在容纳护套2内部最大缩回的第二工作位置之间运动。

在下部主体3的内部有适当的导向与对中装置17和密封装置18。

刚性杯状元件19也附接至棒14的第一端部15并且附接至起伏的隔膜9，该刚性杯状元件实际上用作起伏的隔膜9变形的导向件。此外，起伏隔膜将容纳护套2内部的空间分成两个独立的腔室，下部腔室20和上部腔室21(再次参考图2中的取向)。上部腔室21与喷嘴12流体连通，这允许上部腔室的内部压力变化(在所示的实施例中使内部压力减少)，从而导致起伏的隔膜9运动(在图2中向上运动)。

起伏的隔膜9和棒14的运动由弹性装置22(附图中的弹簧)抵制，该弹性装置安装在上部腔室21中，并且作用在起伏的隔膜9和棒14上以将棒14推向其第一工作位置。

根据本发明，致动器1还包括固定部分23，该固定部分与护套的内侧一体形成并具有沿着延伸主轴线X延伸的形状。如图2所示，在优选实施例中，固定部分23是具有圆形截面的杆24，该杆与上部主体4一体形成并朝着致动棒14延伸。

此外，固定部分23包括至少一个由铁磁性材料制成的芯体25，该芯体在附图中从上部主体4的外部插入到杆24中，并且几乎在杆24的整个长度上延伸。

活动部分26可操作地连接至固定部分23，该活动部分26也安装在容纳护套2的内部。特别地，活动部分26可滑动地安装在固定部分23上，特别是安装在杆24上。活动部分26可操作地连接至致动棒14，以使得活动部分与致动棒一起运动。在所示的实施例中，这是通过使致动棒14与活动部分26相接触来实现，特别的是通过接触元件27使致动棒14与活动部分26相接触来实现，该接触元件弹性地连接至活动部分26，从而吸收由棒14传递的任何横向应变。有利的是，接触元件27因此包括由可弹性变形材料制成的插入件。

为了保证活动部分26与致动棒14的第一端部15之间的接触，安装在容纳护套2中的弹性装置22也作用在活动部分26上。在所示的实施例中，这是通过使弹性装置22作用在成形的刚性环形元件28上来实现的，该环形元件与活动部分26一体形成，相对于活动部分26沿径向突出并上以接触方式搁置在杯状元件19的内部部分上。

再者，根据本发明，至少两个磁体29附接在活动部分26上，该至少两个磁体有利地基本具有平行六面体形状，相对于固定部分23的延伸主轴线X安装在沿直径相反侧上。应注意的是，每个磁体29可以以单件方式制成，或者通过组装两个或更多个分离件来制成。

此外，磁体29具有相同的磁极取向(在相对于延伸主轴线X的径向方向上)，也就是说，它们布置成使得各自的相对面具有相同的极性，以产生相对于延伸主轴线X的径向磁场。

如已经指出的，活动部分26可滑动地安装在固定部分23上，并且可相对于固定部分在磁体29与铁磁性芯体25之间最大磁性解耦的第一位置(图2)以及磁体29与铁磁性芯体25之间最大磁性耦合的第二位置(未示出)之间运动。

如图2所示，当活动部分26处于最大解耦位置时，其几乎完全从活动部分23中移出。相反地，当活动部分26处于最大耦合位置时，固定部分23完全插入活动部分中。

在优选实施例中，在磁体29与铁磁性芯体25之间总是存在间隙(在相对于延伸主轴线X的径向方向上)，也就是说，存在某一间距。应注意的是，为了本发明的目的，术语“间隙”既用在磁体29与芯体25之间的间距充满空气时又用在该间隙充满任何非铁磁性材料时(如所示的情况)。

优选地，对于用于控制涡轮压缩机的应用，间隙小于5mm，以及优选等于约3mm。

有利地，铁磁性芯体25和磁体29的大小使得平行于延伸主轴线X测量的铁磁性芯体25的长度与每个磁体29的长度之间的比率在1至2之间，以及优选在1.4至1.6之间。

如附图所示，每个磁体29的平行于延伸主轴线X的尺寸优选大于相对于延伸主轴线X沿径向方向的相应尺寸。相对于延伸主轴线X沿径向方向的尺寸优选大于在延伸主轴线X的切线处的尺寸。

致动器1包括用于检测磁场的传感器30，该传感器安装在铁磁性芯体25的一个端部处，特别是安装在面向致动棒14的相对端部处。

有利地，传感器30为霍尔效应传感器，其安装在容纳护套2的电连接元件13上。适当的电接线31从传感器30延伸穿过电连接元件13，以使得传感器30连接至外部处理单元。

传感器30优选地与固定部分23的延伸主轴线X基本对准，并且与横向于该延伸主轴线X且在实体上并不远离铁磁性芯体23。

此外，根据本发明的优选实施例，致动器1以如下方式制成，即由磁体29产生的磁场的空间分布实际上仅仅通过磁体29和铁磁性芯体25的相互位置来确定。

为此，上部主体4在固定部分23周围形成用于活动部分26的滑动腔室32，有利地，该上部主体4基本上完全由非铁磁性材料制成。

类似地，形成铁磁性芯体25的外容纳套的杆24以及活动部分26都是由非铁磁性材料制成。

然而，整个致动器1优选地由非铁磁性材料制成(除了磁体29和芯体25)。

此外，有利地，所使用的非铁磁性材料主要是塑料材料。

如图6和7所示，在优选实施例中，活动部分26有利地包括两个同心套管33、34，该两个同心套管一个安装在另一个顶部上并且在它们之间形成两个壳体35，磁体29插入所述壳体中。

特别地，活动部分26包括内部套管33以及外部套管34，该内部套管具有被接触元件27封闭的第一端部36和可滑动地安装在固定部分23上的第二开口端部37。

内部套管33的第一端部36还包括加宽的头部38，外部套管34在该头部上进行接触。而内部套管33的第二端部37包括第一联接装置39，该第一联接装置被设计成与第二联接装置40联接，该第二联接装置与外部套管34一体形成。特别地，第一联接装置39包括两个半圆柱形壁41，每个半圆柱形壁在外侧具有圆周槽42，而第二联接装置40为多个具有圆形部分的弧、在其内部表面上具有径向联接齿44的突出部(tab)。第一联接装置和/或第二联接装置40的弹性变形使得齿44以卡扣方式插入槽43中，并将外部套管34锁定在内部套管33上。

用于磁体29的壳体35有利地通过将形成于外部套管34的内侧且形成于内部套管33的外侧上的相对的腔室45带到一起而形成。

致动器1的操作基本上对应于现有技术致动器。

然而，在致动棒14的位置通过用于检测磁场的传感器来检测的这种情况下，传感器发出的信号与活动部分26相对于固定部分23的位置成比例。

由于本发明，所述信号基于活动部分26的运动基本上是线性的，以使得相对位置可利用简单的公式计算出，而并不需要进行初步绘图和校准。

例如，根据本发明，可能设置致动器，在该致动器中，由传感器所检测的磁场测量值的线性误差小于0.2％。因此，在该致动器中，使用具有25×5×3mm的尺寸的平行六面体磁体，以及具有5mm直径和37mm长度以及具有3mm的塑性间隙和20mm行程的铁磁性芯体(致动器的其它部分都由非铁磁性材料(主要是塑料)制成)。

本发明带来显著的优点。

根据本发明所制成的致动器首先易于制造，因为其没有滑动接触并且使用两个相对的磁体而并不是单个环形磁体。

此外，如已经指出的，根据本发明制成的致动器提供指示致动棒位置的信号，该信号以几乎线性方式随着棒的位置变化而改变。

还应注意的是，本发明相对易于制造；由于使对铁磁性材料的使用最小化，甚至于与实现本发明相关的成本也不很高；不存在滑动接触；以及对磁体的磁化非常简单。

如上所述，本发明可在不偏离本发明构思的范围的情况下以多种方式进行修改和改变。

此外，本发明全部细节可由其它技术上等同的元件替代，以及所使用的几乎全部材料以及各部件的形状和尺寸可根据需要而改变。

Claims (13)

1.一种气动致动器，所述气动致动器包括：

容纳护套(2)；

致动棒(14)，所述致动棒穿过容纳护套(2)安装，并且能够在容纳护套(2)外部最大延伸的第一操作位置与在容纳护套(2)内部最大缩回的第二操作位置之间运动；

固定部分(23)，所述固定部分与容纳护套(2)的内部一体形成，并且具有沿着延伸主轴线(X)延伸的形状；

活动部分(26)，所述活动部分安装在容纳护套(2)内部，能滑动地连接至固定部分(23)且可操作地连接至致动棒(14)，以使得活动部分与致动棒一起运动；

该致动器的特征在于，固定部分(23)还具有至少一个芯体(25)，所述至少一个芯体由铁磁性材料制成并沿着延伸主轴线(X)延伸；其特征还在于，所述致动器还包括至少两个磁体(29)，所述至少两个磁体固定至活动部分(26)并且相对于固定部分(23)的延伸主轴线(X)安装在沿直径相对侧上，磁体(29)的磁极性相对于延伸主轴线(X)具有相同的径向取向；其特征还在于，活动部分(26)能相对于固定部分(23)在磁体(29)与铁磁性芯体(25)之间的最大磁性解耦的第一位置和磁体(29)与铁磁性芯体(25)之间的最大磁性耦合的第二位置之间运动，以及其特征还在于，所述致动器还包括用于检测磁场的传感器(30)，所述传感器安装在铁磁性芯体(25)的一个端部处。

2.如权利要求1所述的致动器，其特征在于，磁体(29)具有平行六面体形状。

3.如权利要求1或2所述的致动器，其特征在于，容纳护套(2)具有在固定部分(23)周围形成用于活动部分(26)的滑动腔室(32)的部分，所述支承部分由非铁磁性材料制成。

4.如权利要求3所述的致动器，其特征在于，固定部分(23)包括用于铁磁性芯体(25)的外容纳套，所述外容纳套由非铁磁性材料制成。

5.如权利要求1、2、3或4所述的致动器，其特征在于，活动部分(26)由非铁磁性材料制成。

6.如前述权利要求中任一项所述的致动器，其特征在于磁体(29)和铁磁性芯体(25)在它们之间相对于延伸主轴线(X)沿径向方向形成间隙。

7.如权利要求6所述的致动器，其特征在于，间隙小于5mm，优选等于约3mm。

8.如前述权利要求中任一项所述的致动器，其特征在于，平行于延伸主轴线(X)测量的铁磁性芯体(25)的长度与每个磁体(29)的长度之间的比值在1至2之间。

9.如权利要求8所述的致动器，其特征在于，所述比值在1.4至1.6之间。

10.如前述权利要求中任一项所述的致动器，其特征在于，平行于延伸主轴线(X)测量的每个磁体(29)的尺寸大于相对于延伸主轴线(X)沿径向方向测量的尺寸，后者又大于相对于延伸主轴线(X)沿切向测量的尺寸。

11.如前述权利要求中任一项所述的致动器，其特征在于，致动棒(14)通过与活动部分(26)相接触而操作，其特征还在于所述致动器包括弹性装置(22)，所述弹性装置安装在容纳护套(2)中，并且作用在活动部分(26)和致动棒(14)上，以推动致动棒(14)朝着其第一操作位置。

12.如权利要求11所述的致动器，其特征在于，所述致动器具有用于与致动棒(14)接触的接触元件，该接触元件弹性地连接至活动部分(26)以吸收由致动棒(14)传递的横向应变。

13.如前述权利要求中任一项所述的致动器，其特征在于，活动部分(26)包括两个同心套管，所述两个同心套管一个安装在另一个的顶部上，并且在它们之间形成两个壳体(35)，磁体(29)插入所述两个壳体中。

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