CN111479999A - 用于内燃机的阀装置 - Google Patents

Abstract

已知用于内燃机的阀装置，所述阀装置具有促动器(12)和阀单元(20)，所述促动器具有电机(14)、带有冠状齿轮段(40)的传动机构(18)、弹簧元件(64)，所述阀单元带有阀杆(22)和布置在阀杆(22)上的阀关闭部件(24)，该阀关闭部件与阀座(26)共同作用，该阀座限制入口(28)和出口(30)之间的流动横截面。为使阀装置实现特别紧凑的结构，本发明提出，当促动器(12)旋转时，用于产生阀单元(20)的平动运动的凸轮(54)作用在阀杆(22)上，该凸轮相对于冠状齿轮段(40)抗扭地布置。

Description

用于内燃机的阀装置

本发明涉及一种用于内燃机的阀装置，其具有促动器以及阀单元，促动器具有电机、带有冠状齿轮段的传动机构和弹簧元件，阀单元带有阀杆和布置在阀杆上的阀关闭部件，阀关闭部件与阀座协同作用，阀座限定入口和出口之间的流动横截面。

用于内燃机的这类阀装置可以以不同的实施方案用于例如排气区域中。特别地，已知设计为提升阀的废气再循环阀，其用于减少废气排放。其中，为减少对环境有害的成分，与内燃机的各个运行状态相适应的排气量被返回到内燃机的气缸中，并被供应于再次燃烧。近年来，这类阀主要通过带有下游减速传动机构的电动促动器来驱动，其中，电机的旋转运动在传动机构中被转换为阀杆的平动运动。在这种情况下，所使用的促动器必须能够承受高的热负荷，因为在排气区域中高温会影响到电机。

从现有技术中已知不同的促动器。例如，在US 2014 260 726 A1中描述了一种促动器，该促动器应当能够用于不同的应用。其中描述的促动器使用冠状齿轮传动机构以使驱动轴能够垂直于输出轴布置，其中，使用了多级传动机构。该传动机构具有与正齿轮协同作用的冠状齿轮。因此，在紧凑的设计中，驱动轴和输出轴的旋转轴线相互垂直是可能的，在此情况下无法将旋转运动转换为平动运动，然而这对于阀冲程致动来说是必需的。

在WO 2013 167 704 A1中描述了一种装置，该装置将驱动轴的旋转运动在很大程度上转换为阀杆的平动运动，这通过如下方式来实现，垂直于阀杆的轴被固定在阀杆上，该轴由形成在传动机构的从动齿轮中的曲线轨道轮廓引导。通过这种布置，当从动齿轮旋转时，阀杆在很大程度上可以平动地运动。

在EP 0 856 657 B1中描述了一种阀装置，该阀装置以阀构件将驱动器的旋转运动转换成致动构件的平动运动，其中，该转换是通过可旋转驱动的、具有偏心凸轮轨道的凸轮来进行的。在此，致动构件通过弹簧元件在凸轮的方向上加载，并通过凸轮的旋转反向于弹簧力而偏转。此处，致动构件的复位仅通过弹簧元件来进行，因此在弹簧被卡住或破裂的情况下不能保证复位。

在已知的阀装置中，不利的是，用于将驱动轴的旋转运动转换为阀杆的平动运动的结构有大的安装空间的需求，因为曲线轨道轮廓必须设计得很大，这是因为由于大的复位力而必须使用大的轴承。在具有凸轮的替代装置中，不能确保在弹簧元件发生故障的情况下的复位。

因此，本发明的任务是提供一种紧凑的阀装置，用于将旋转运动转换为平动运动，该阀装置在不减少阀杆的冲程的情况下减少了安装空间需求。此外，应当确保阀单元在弹簧元件失效的情况下或者由于阀关闭部件或阀杆上的沉积物使得弹簧力不足以进行复位的情况下能够复位。

该任务通过具有独立权利要求1的特征的阀装置来解决。当促动器旋转时，凸轮作用在阀杆上，以产生阀单元的平动运动，该凸轮相对于冠状齿轮段抗扭地布置并且因此可与冠状齿轮段一起旋转，因此能够相应于由旋转运动到平动运动的转换在小安装空间的装置中以高的、直接的力传递来实现更大的冲程，其中，由于直接的力传递而无须用于接收横向力的部件。此外，用于冲程致动的凸轮具有非常小的尺寸，并且可以直接布置在阀杆上方，因此需要更小的安装空间。

在有利的实施方案中，凸轮形成在轴部上，其中，冠状齿轮段被固定在该轴部上，因此在凸轮和传动机构的从动构件之间存在直接连接，从而节省了部件。

有利地是，轴部在其两端被支承，并且冠状齿轮和凸轮布置在两个轴承之间，由此通过轴承引导出横向力，并在所需的轴部直径较小的情况下实现了高稳定性。

优选地，凸轮作用在轴承上，该轴承布置在与阀杆连接并垂直于阀杆的轴上，由于凸轮与阀杆之间没有直接的摩擦接触，因此实现了更小的磨损，并因此延长了装置的使用寿命。

在有利的实施方案中，U形连接元件被固定在阀杆的、与阀关闭部件相对的端部上，其中，轴穿过U形连接元件的两个支脚突伸出，并且轴承布置在支脚之间，因此凸轮的力在两侧被拦截到轴承上并使轴承相对于阀杆居中地定向。

有利地，壳体包围促动器、阀杆和弹簧元件，其中，弹簧元件径向地包围阀杆，轴向地张紧在壳体和阀杆的径向突出部分之间，并且沿凸轮的方向加载阀杆，一旦凸轮不再将力传递到轴承并且进而传递到阀杆，便会导致阀杆在凸轮方向上的快速复位运动。此外，弹簧元件用作故障保护元件，以便确保阀杆沿凸轮方向的复位，从而在电机发生故障时，能够将阀移动到期望的位置。

优选地，轴部抗扭地连接到凸轮盘上，以便无需对于凸轮盘和轴部的同类旋转使用额外的联接元件。凸轮盘可有利地用于阀的强制复位。

优选地，冠状齿轮段抗扭地固定在凸轮盘上，因此不必将凸轮盘制造和组装为额外的元件。由于凸轮盘不需要额外的安装空间，因此节省了部件并且使传动机构更加紧凑。制造成本也因此降低。

有利地，在凸轮盘中布置有凹缺，其边界壁形成曲线轨道轮廓，因此能够主动地施加与支撑弹簧力的凸轮力相反的复位力。这使得阀的受调节的复位成为可能。此外，作用在阀单元上的夹紧力也能够被克服。

在有利的实施方案中，与阀杆相连接的轴接合在凸轮盘的凹缺中，由此实现曲线轨道轮廓经由该轴到阀杆的直接力传递，因此可以根据电机的旋转位置来建立阀杆的强制引导，这显著改善了阀的可调整性并且使得在弹簧断裂的情况下能够进行复位。

有利地，当轴部在冲程减小的方向上旋转时，如果滚动轴承不再与凸轮接触，则来自曲线轨道轮廓的力会沿凸轮方向通过轴作用在阀杆上，以此实现阀杆的强制引导并确保其复位，从而在阀关闭部件被卡住时并且在当阀杆沿凸轮方向移动时没有足够的弹簧力来复位的情况下保持可靠的可调整性。

优选地，在曲线轨道轮廓内，在与阀杆连接的轴上布置有滚轮或者滚动轴承，以此可以减少相对运动的部件彼此之间的磨损和摩擦，从而延长装置的使用寿命。

有利地，磁体布置在与阀杆连接并且随阀杆一起运动的构件上，该磁体与布置在壳体中的传感器协同作用。这使得直接在从动构件上通过可靠的位置反馈来调节阀成为可能。

在优选的实施方案中，传动机构具有正齿轮齿形和冠状齿轮齿形，因此在紧凑的设计中，驱动旋转轴线和从动旋转轴线相互垂直地布置，并且可以具有高的减速比，从而提高了控制精度。

在一种有利的实施方案中，驱动齿轮具有正齿轮齿形并且与双齿轮的第一齿轮啮合，双齿轮的第二齿轮与冠状齿轮段啮合，因此在紧凑的设计中实现了高的减速比，并且电机可以被布置成尽可能靠近从动构件，进而靠近阀杆。与已知的实施方案相比，这减少了所需的安装空间。

根据本发明的用于内燃机的具有冠状齿轮传动机构_、凸轮盘以及凸轮的阀装置，使得总体上紧凑的结构成为可能，因此可以将传动机构和电机布置得尽可能靠近阀轴。通过使用凸轮盘，能够实现阀杆复位的强制引导，由此例如在阀关闭部件被卡住的情况下，阀杆仍可以复位而无需额外的安装空间。通过分离借助于凸轮进行的阀冲程致动和通过曲线轨道轮廓进行的强制引导能够显著地减小构件的尺寸。

在附图中示出了根据本发明的阀装置的实施例并且在下文中进行说明。

图1示出根据本发明的没有壳体盖的阀装置的俯视图；

图2以剖视图示出图1中的根据本发明的阀装置的侧视图。

该阀装置由壳体10组成，在壳体10中布置有促动器12和阀单元20，该促动器12由带有驱动轴16的电机14和传动机构18组成，该阀单元20具有阀杆22和固定在该阀杆22上的阀关闭部件24。为调节在壳体10中形成的入口28和出口30之间的流动横截面，可以通过促动器12将阀关闭部件24下降到阀座26上以及将其从阀座26升高。

传动机构18包括驱动齿轮32，该驱动齿轮32被固定在电机14的驱动轴16上，并且双齿轮36的第一大齿轮34接合在该驱动齿轮中。双齿轮36的第二小齿轮38与冠状齿轮段40啮合，该冠状齿轮段抗扭地固定在凸轮盘42上，该凸轮盘42的旋转轴线垂直于双齿轮36的旋转轴线。双齿轮36安装在轴销44上，其中，轴销44固定在第一轴承座46上，该第一轴承座46平行于电机14的旋转轴线，并被布置成与电机14直接相邻。

在轴部48上形成有与轴部48抗扭地连接的或者与其形成为一件的凸轮54，轴部48在其两端由第一轴承50和第二轴承52支承，并且在轴部48上抗扭地布置有凸轮盘42。在本实施例中，两个轴承50、52被制造为滑动轴承并被固定在第一轴承座46和第二轴承座56中，轴销44也被固定在该第一轴承座46中，第二轴承座56平行于第一轴承座46并被布置在轴部48的背离电机14的一侧上，从而使横向力通过轴承座46、56导出到壳体10上。因此，轴48和轴承座46、56径向地与电机14对准，由此实现了非常紧凑的结构。

凸轮54用于阀冲程致动并且作用在构造为滚动轴承的轴承58上，该轴承58连接到垂直于传动机构18的旋转轴线布置的阀杆22上。凸轮54将力传递到滚动轴承58，该轴承58被固定在轴60上。通过使轴60穿过U形连接元件62的支脚65内的两个通孔突伸出并在该处例如通过焊接或过盈配合而被固定，使得轴60被布置成垂直于阀杆22并平行于轴部48并且被固定在U形连接元件62上。U形连接元件62与阀杆22形成为一件或者固定地与其连接并且位于阀杆22的、与阀关闭部件24相对的端部上。滚动轴承58固定在U形连接元件62的两个支脚65之间，由此使滚动轴承58位于阀杆22和凸轮54的中间。因此，通过凸轮54的致动实现了阀单元20的冲程运动，该冲程运动从滚动轴承58传递到轴60，并经由U形连接元件62传递到阀杆22，并且因此传递到阀关闭部件24。为了复位，阀装置具有弹簧元件64，该弹簧元件64径向地包围阀杆22，并且轴向地张紧在壳体10和U形连接元件62的背向凸轮54的一侧之间，该U形连接元件62作为径向突出部分69而用于阀杆22，因此将阀杆22沿凸轮54的方向加载并相对于凸轮54进行预紧。

而通过旋转电机14的驱动轴16，旋转运动不仅经由双齿轮36和冠状齿轮段40传递至轴部48和凸轮54，并且还传递至凸轮盘42。

其上布置有冠状齿轮段40的凸轮盘42具有凹缺66，其中，凹缺66的边界壁68形成曲线轨道轮廓70。轴60以面向凸轮盘42的一端在U形连接元件62的外部接合在该曲线轨道轮廓70中，由此可以在轴60和曲线轨道轮廓70之间产生力传递。边界壁68彼此相距一定距离，该距离大于轴60的径向尺寸或者大于在曲线轨道轮廓70内布置在轴60上的滚轮72的径向尺寸。因此，特别是在被凸轮54致动的情况下，轴60可在边界壁68之间移动。该距离是必需的，以使得不会由于凸轮54与曲线轨道轮廓70的错位而造成损伤，例如轴60被凸轮54压靠在边界壁68上，这会导致阀装置被卡住。

固定地连接到轴60的板74被固定在轴60的与凸轮盘42相对的端部处，板70相应地与轴60并且因而与阀杆22一起运动。相应地，该板以垂直于轴60的方式形成在U形连接元件62的与凸轮盘42相对的侧。磁体76被固定在板74上，该磁体与未示出的非接触式的、例如磁阻式的传感器通信以进行位置检测，该传感器被固定在壳体10中或壳体10中的电路板上或者被固定在用于封闭壳体10的壳体盖中。

为了将壳体10中的阀杆22相对于入口28或出口30进行密封，两个密封环78被固定在壳体10的孔80中，在孔80中还布置有导向衬套82，阀杆22通过该导向衬套82被支承。密封环78以如下方式被固定：密封环78径向地包围阀杆22，以防止气体沿着阀杆22流向促动器12。

在阀装置的操作期间，当电机14通电时，凸轮盘42与凸轮54会旋转。凸轮54将力传递到滚动轴承58并且因此经由轴60和U形连接元件62沿与弹簧元件64的力相反的方向传递到阀杆22，由此产生阀冲程。此处，轴60位于凸轮盘42的凹缺66中，而不接触其边界壁68。

当轴部48沿减小冲程的旋转方向旋转时，通过弹簧元件64相对于凸轮54对滚动轴承58进行加载，使得阀杆22跟随凸轮54运动。如果弹簧元件64由于例如阀座26和阀关闭部件24之间的沉积物阻碍打开而没有施加足够的复位力，则当凸轮24转回时，如果滚动轴承58不再与凸轮54接触，阀单元20会受到强制引导。在这种情况下，通过使轴部48沿减小冲程的旋转方向进一步旋转，使力通过轴60在曲线轮廓70中的接合以及其与径向外侧的边界壁68的接触传递至阀杆22。因此，在弹簧力不足的情况下，可以通过促动器12实现额外的开启力和主动的复位。也可以通过以磁体76进行位置检测来检测这种卡阻。

通过分离用于在弹簧元件没有施加足够力的情况下进行强制引导的曲线轨道轮廓和用于阀冲程致动的凸轮，实现了极为紧凑凸轮结构，因为曲线轨道轮廓集成在凸轮盘内，并且与通过曲线轨道轮廓在两个方向上对阀进行致动相比，凸轮盘由于待传递的力相对较小而能够被设计的明显更小，因为该凸轮盘为进行强制复位只需施加一个弹簧力之外的力。曲线轨道轮廓不用于阀冲程致动，因为这需要大的调整力，因此必须使用较大的轴承，这也将导致凸轮盘的扩大。此外，凸轮具有径向尺寸小于曲线轨道轮廓的凹缺，因此不需要额外的径向安装空间。冠状齿轮齿形使电机能够相对于传动机构和阀杆紧凑地布置，因此这些部件可靠近阀的重心轴布置。由于例如将冠状齿轮段固定在凸轮盘上而节省了部件，因此可以节省整体安装空间和材料，从而节省成本，实现更简单的组装。

应该清楚的是，在不脱离主权利要求的保护范围的情况下，可以对所描述的实施方案进行不同的结构修改。例如，可以使用曲柄或轮廓提升盘代替轴上的凸轮。也可以设想，将凸轮直接附接在凸轮盘上或以另一种方式布置磁体。

Claims (15)

1.用于内燃机的阀装置，所述阀装置具有促动器(12)以及阀单元(20)，所述促动器具有电机(14)、带有冠状齿轮段(40)的传动机构(18)和弹簧元件(64)，所述阀单元(20)带有阀杆(22)和布置在阀杆(22)上的阀关闭部件(24)，所述阀关闭部件与阀座(26)协同作用，所述阀座(26)限定入口(28)和出口(30)之间的流动横截面，其特征在于，

当所述促动器(12)旋转时，用于产生所述阀单元(20)的平动运动的凸轮(54)作用在所述阀杆(22)上，所述凸轮相对于冠状齿轮段(40)抗扭地布置。

2.根据权利要求1所述的用于内燃机的阀装置，其特征在于，所述凸轮(54)形成在轴部(48)上，所述冠状齿轮段(40)被固定在所述轴部(48)上。

3.根据权利要求2所述的用于内燃机的阀装置，其特征在于，所述轴部(48)在其两端被支承，其中，所述冠状齿轮段(40)和所述凸轮(54)布置在两个轴承(50、52)之间。

4.根据前述权利要求中任一项所述的用于内燃机的阀装置，其特征在于，所述凸轮(54)作用在轴承(58)上，所述轴承(58)布置在与所述阀杆(22)连接并且垂直于所述阀杆(22)的轴(60)上。

5.根据权利要求4所述的用于内燃机的阀装置，其特征在于，U形连接元件(62)被固定在所述阀杆(22)的、与所述阀关闭部件(24)相对的端部上，其中，所述轴(60)穿过所述连接元件(62)的两个支脚(65)突伸出，并且所述轴承(58)布置在所述支脚(65)之间。

6.根据前述权利要求中任一项所述的用于内燃机的阀装置，其特征在于，壳体(10)包围所述促动器(12)、所述阀杆(22)和所述弹簧元件(64)，所述弹簧元件(64)径向地包围所述阀杆(22)，轴向地张紧在所述壳体(10)和所述阀杆(22)的径向突出部分(69)之间，并且沿所述凸轮(54)的方向加载所述阀杆(22)。

7.根据前述权利要求中任一项所述的用于内燃机的阀装置，其特征在于，所述轴部(48)抗扭地连接到凸轮盘(42)上。

8.根据权利要求7所述的用于内燃机的阀装置，其特征在于，所述冠状齿轮段(40)抗扭地固定在所述凸轮盘(42)上。

9.根据权利要求7或8所述的用于内燃机的阀装置，其特征在于，在所述凸轮盘(42)中形成有凹缺(66)，其边界壁(68)形成曲线轨道轮廓(70)。

10.根据权利要求9所述的用于内燃机的阀装置，其特征在于，与所述阀杆(22)相连接的所述轴(60)接合在所述凸轮盘(42)的所述凹缺(66)中。

11.根据权利要求9或10所述的用于内燃机的阀装置，其特征在于，在所述轴部(48)沿冲程减小的方向旋转时，当所述轴承(58)不再与所述凸轮(54)接触时，来自所述曲线轨道轮廓(70)的力会通过所述轴(60)沿所述凸轮(54)的方向作用在所述阀杆(22)上。

12.根据权利要求9至11中任一项所述的用于内燃机的阀装置，其特征在于，在所述曲线轨道轮廓(70)内，在与所述阀杆(22)连接的所述轴(60)上布置有滚轮(72)或者滚动轴承。

13.根据前述权利要求中任一项所述的用于内燃机的阀装置，其特征在于，磁体(76)布置在与所述阀杆(22)连接并且随所述阀杆(22)一起运动的构件(74)上，所述磁体与布置在所述壳体(10)中的传感器协同作用。

14.根据前述权利要求中任一项所述的用于内燃机的阀装置，其特征在于，所述传动机构(18)具有正齿轮齿形和冠状齿轮齿形。

15.根据前述权利要求中任一项所述的用于内燃机的阀装置，其特征在于，驱动齿轮(32)具有正齿轮齿形并且与双齿轮(36)的第一齿轮(34)啮合，所述双齿轮的第二齿轮(38)与所述冠状齿轮段(40)啮合。

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