CN203442082U - 凸轮齿轮和包括该凸轮齿轮的直线驱动装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种凸轮齿轮，该凸轮齿轮用在将第一部件的旋转运动转换成第二部件的直线运动的直线驱动装置中，在该凸轮齿轮的一个端面上具有凸轮沟槽，其中，所述凸轮齿轮构造成扇形齿轮，并且所述凸轮沟槽在齿轮周向上的两个端部中的至少一个是开放的。本实用新型还涉及一种包括该凸轮齿轮的直线驱动装置。

Description

凸轮齿轮和包括该凸轮齿轮的直线驱动装置

技术领域

本实用新型涉及用于将旋转运动转换成直线运动的直线驱动装置，特别涉及用在该直线驱动装置中的凸轮齿轮（即带有凸轮沟槽的齿轮）。

背景技术

在工业、例如汽车工业中，往往需要能精确控制的阀装置，例如用在发动机废气再循环（Exhaust-Gas Recirculation）系统中的控制阀（下文中简称为EGR控制阀）。由于在这样的阀装置中多数利用电机作为驱动源，所以需要将电机的旋转输出转化为阀杆的直线运动的直线驱动装置。

为了实现用一级传动代替两级或多级传动以便减小装置的整体尺寸和制造成本，已知可以在这种直线驱动装置中采用凸轮齿轮，在该凸轮齿轮的一个端面上形成有凸轮沟槽。电机的旋转运动传递到凸轮齿轮的轮齿，并引起凸轮齿轮的转动。在凸轮齿轮的转动过程中，与阀杆固定连接的随动件在凸轮沟槽内且沿着阀杆的轴向线性往复运动，带动阀杆上下移动。

在现有的凸轮齿轮中，凸轮沟槽的两端都是封闭的，因而只能够将随动件沿垂直于齿轮平面的方向装配在凸轮沟槽中，装配工作不易进行。而且，现有的凸轮沟槽的凸轮曲线不能有效地降低刚性冲击。此外，凸轮齿轮上与复位系统中的轮轴相配合的轴孔为圆孔，因而该轴孔与轮轴之间的配合易于打滑。另外，在为了实现轻量化而采用塑料齿轮的情况下，轮齿强度不够，易于发生断齿。

实用新型内容

本实用新型旨在解决现有技术中的上述一个或多个问题。

本实用新型的第一方面涉及一种凸轮齿轮，该凸轮齿轮用在将第一部件的旋转运动转换成第二部件的直线运动的直线驱动装置中，在该凸轮齿轮的一个端面上具有凸轮沟槽，其中，所述凸轮齿轮构造成扇形齿轮，并且所述凸轮沟槽在齿轮周向上的两个端部中的至少一个是开放的。

根据一优选实施方式，所述凸轮沟槽的凸轮曲线是在起点和终点处平缓的五次多项式曲线。

根据一优选实施方式，所述凸轮沟槽在齿轮周向上延伸的角度在180度到320度的范围内。

根据一优选实施方式，所述凸轮沟槽包括导入段、运动段和啮合段，其中所述导入段用于导入与所述第二部件固定连接的随动件，所述运动段用于引起所述随动件的线性行程，所述啮合段用于防止当所述随动件达到行程终点时所述凸轮齿轮与所述第一部件脱离啮合。优选地，所述导入段的开口处是向外扩开的喇叭口。所述导入段的至少一部分的曲线轮廓可增高一预定高度。另外优选地，所述运动段在齿轮周向上延伸的角度在150度到300度的范围内。

根据一优选实施方式，在所述凸轮齿轮的中央设有具有非圆形横截面的轴孔。优选地，所述轴孔的横截面为“D”字形。

根据一优选实施方式，所述凸轮齿轮的扇面在齿轮周向上的延伸长度与所述凸轮沟槽在齿轮周向上的延伸长度相同。优选地，所述凸轮沟槽在齿轮周向上的两个端部都是开放的。

本实用新型的第二方面涉及一种直线驱动装置，该直线驱动装置包括：电机；减速传动级，该减速传动级包括与电机的输出轴固定连接的小齿轮和与该小齿轮相啮合的传动齿轮；直线传动级，该直线传动级将所述传动齿轮的旋转运动转换成输出连杆的直线运动，所述输出连杆被接纳在一套件中从而只能进行直线运动；其中，所述传动齿轮为如上所述根据本实用新型的第一方面的凸轮齿轮。

根据本实用新型，凸轮齿轮构造成扇形齿轮，并且凸轮沟槽在齿轮周向上的两个端部中的至少一个是开放的，因此在不降低强度的情况下实现了轻量化，并且能够容易地将随动件装配在该凸轮沟槽中。

此外，通过将凸轮沟槽的凸轮曲线设计成在起点和终点处平缓的五次多项式曲线，能够有效地降低刚性冲击。另外，通过将凸轮齿轮的轴孔设计成具有非圆形的横截面，能够有效地在轴孔与配合的轴之间传递扭矩。

附图说明

图1示出根据本实用新型的直线驱动装置的优选实施方式的立体图。

图2示出根据本实用新型的直线驱动装置的优选实施方式的另一立体图，其中没有示出外部的壳体。

图3示出根据本实用新型的直线驱动装置的优选实施方式的剖视图。

图4示出根据本实用新型的传动齿轮连同接纳在其沟槽中的随动件的正视图。

图5示出包括输出连杆与随动件的输出组件的剖视图。

图6示出传动齿轮的正视图。

图7示出凸轮曲线的示意图。

图8示出涡卷弹簧连同轮轴的立体图。

图9示出涡卷弹簧连同轮轴的正视图。

具体实施方式

下面参照附图描述根据本实用新型一实施例的直线驱动装置及用在该直线驱动装置中的凸轮齿轮。在下面的描述中，阐述了许多具体细节以便使所属技术领域的技术人员更全面地了解本实用新型。但是，对于所属技术领域内的技术人员明显的是，本实用新型的实现可不具有这些具体细节中的一些。此外，应当理解的是，本实用新型并不限于所介绍的特定实施例。相反，可以考虑用下面的特征和要素的任意组合来实施本实用新型，而无论它们是否涉及不同的实施例。因此，下面的方面、特征、实施例和优点仅作说明之用而不应被看作是权利要求的要素或限定，除非在权利要求中明确提出。

下面以用于发动机废气再循环的EGR控制阀的直线驱动装置为例对根据本实用新型的直线驱动装置进行说明，但本实用新型并不限于此。根据本实用新型的直线驱动装置可以用于任何需要小的精确的直线控制的设备、例如各种阀和致动器。

图1～3中示出根据本实用新型的直线驱动装置的一个优选的实施例。在该实施例中，直线驱动装置1包括电机2、第一传动级（减速传动级）和第二传动级（直线传动级）。该直线驱动装置通过电机2的驱动而实现输出连杆7的直线运动。为避免灰尘或其它杂物进入而损害该传动装置，设有壳体11及相应的密封系统。

第一传动级、即减速传动级包括与电机输出轴固连的小齿轮5和与该小齿轮5啮合的传动齿轮6。当电机2运行时驱动小齿轮5转动，从而使与小齿轮5啮合的传动齿轮6转动。

第二传动级是将传动齿轮6的旋转运动转换成输出连杆7的直线运动的直线传动级。第二传动级包括形成在传动齿轮6上的螺旋状的沟槽8、接纳在该沟槽8中的随动件9以及与该随动件9固定连接的输出连杆7。

随动件9可以包括滚子或滚动轴承或滑动轴承。优选地，随动件9包括如图4中所示的球轴承。通过使用球轴承降低了摩擦损失，提高了效率。在图5所示的实施例中，随动件9包括一球轴承和一销轴，该球轴承支承在传动齿轮6的沟槽8中并且能沿该沟槽滚动，而该销轴一端与球轴承的内圈连接并且另一端支撑在连接器17中。

图5示出了包括随动件9和输出连杆7的输出组件，其中输出连杆7通过连接器17与球轴承的内圈连接。输出连杆7设置在一套件10中因而只能进行上、下直线运动（见图3）。当传动齿轮6转动时，随动件9沿着沟槽8移位，由于该沟槽8的螺旋形形状而使该随动件9上、下移动，从而带动输出连杆7上、下移动。

下面参照图6和7详细描述根据本实用新型一实施例的传动齿轮6。传动齿轮6实现了凸轮与齿轮的统一，因此也被称为凸轮齿轮。

传动齿轮6构造成扇形齿轮。由于省去了不使用的一部分，所以节省了材料并且实现了轻量化。与通过采用塑料齿轮来实现轻量化相比，根据本实用新型的传动齿轮6的强度提高，从而降低了发生断齿的风险。

优选地，在传动齿轮6的周向上，传动齿轮的扇面的延伸长度（即延伸的角度范围）与螺旋状的沟槽8的延伸长度相适应。在这种情况下，沟槽8在齿轮周向上的两个端部都是开放的。通过这种结构，能够容易地将随动件9从开放端部滑入到沟槽8中。与沟槽两端封闭从而必须将随动件沿垂直于齿轮平面的方向装配在凸轮沟槽中的结构相比，装配简单易行。

在另一个未示出的实施例中，沟槽8在齿轮周向上的延伸长度可以小于传动齿轮6的扇面在齿轮周向上的延伸长度，并且沟槽8在齿轮周向上的两个端部中仅一个是开放的，而另一个则可以是封闭的。在这种情况下，同样能够容易地将随动件9从开放的端部滑入到沟槽8中。

在传动齿轮6的端面上形成的螺旋状的沟槽8用作凸轮沟槽。螺旋状的沟槽8例如是渐开线形的。该螺旋状的沟槽8的中心与传动齿轮6的中心重合。由于螺旋状的沟槽8在直线传动级运动的一个行程内转动的弧长可以很大，使得沟槽8与直线传动级之间的压力角减小。在线性运动方向上所需的传递力的分量一定的情况下，该压力角减小带来其余弦值的变大，进而使得沟槽8与直线传动级之间的传动力减小。螺旋状的沟槽8在传动齿轮6的周向上延伸的角度在90度到320度的范围内，更优选在180度到300度的范围内。

图6详细示出了传动齿轮6以及在其端面上形成的凸轮沟槽的一个示例。在该示例中，齿轮的模数m为0.6，与电机齿轮的传动比为11。然而，这些参数仅是示例性的，本实用新型并不限于此。

如图6所示，沟槽8包括导入段、运动段和啮合段。在图示的示例中，凸轮沟槽的导入段、运动段和啮合段在齿轮周向上延伸的角度范围分别为28.3度、160度和62.4度。然而，这些数值仅是示例性的，本实用新型并不限于此。例如，运动段在齿轮周向上延伸的角度可设定在150度到300度的范围内。导入段和啮合段的角度范围也可以适当调整。

导入段用于导入随动件9。导入段开口处是向外扩开的喇叭口，使得随动件9更容易导入。运动段的起始位置为M1位置，终点位置为M2位置，在该运动段内引起随动件9的线性行程。啮合段用于防止当随动件9达到最大行程时传动齿轮6的轮齿与小齿轮5脱齿。

在图6所示的示例中，在导入段中距离M1点位置17.5度的位置处，曲线轮廓增高大于0.3mm的高度（即，曲线所带来的线性行程升高0.3mm），以防止随动件9从沟槽8内脱出。该位置和高度值也仅是示例性的。

图7示出了与图6中所示的凸轮沟槽的运动段相对应的凸轮曲线，其中横轴表示传动齿轮6转过的角度，纵轴表示随动件9在传动齿轮6的转动过程中移动（即升高）的距离。如上所述，凸轮沟槽的运动段是160度的齿轮角度。在此范围内，随动件9以及相应阀的行程为6mm。该行程值同样仅是示例性的。

图7中所示的凸轮曲线是五次多项式曲线，该曲线在起点和终点处比较平缓。因此，在起始位置和终止位置可以减小冲击力，避免随动件9在凸轮沟槽内的刚性碰撞。

在一实施例中，在传动齿轮6与用于封闭该直线驱动装置的壳体11之间存在形状配合的结构。在图示的实施例中，在传动齿轮6上固定有销12（见图4），该销与壳体11上的特征相配可以作为机械停止位，以防止随动件9从传动齿轮6的沟槽8中掉出来。例如，当传动齿轮6运动到M2位置时，销12与壳体11上的限位凸台接触以使传动齿轮停止，从而防止随动件9从沟槽8内脱出。

在传动齿轮6的中央还设有具有非圆形横截面的轴孔，例如如图4和6中所示的横截面为“D”字形的轴孔。轴孔的横截面也可以采用方形等其它形状。该轴孔用于接纳下文所述的复位系统中的轮轴。

为了在电机2出现故障或者在失电的情况下使输出连杆7仍能复位到初始位置，该直线传动装置优选还包括如图8和9所示的用于无电回位的复位系统。众所周知的是，当电机通电时通过其在两个相反方向上的驱动可以实现驱动和回位。但是当电机断电（例如由于故障或其它原因）时，希望传动装置仍能返回到初始位置中便需要这种复位系统。

该复位系统包括一用于支承传动齿轮6的轮轴13和弹簧。该弹簧可以是扭转弹簧（如螺旋扭转弹簧或扭杆弹簧）。另外，该弹簧也可以如图所示地是固定在该轮轴13上的涡卷弹簧14。该轮轴13在两端部处通过轴承安装在壳体11上。该轮轴13与传动齿轮6以不能相对转动的方式连接。涡卷弹簧14的一端固定在装置的壳体11上，另一端直接或间接地固定在轮轴13上。在装配完成后，在该传动装置的初始位置下涡卷弹簧14处于预紧状态并对轮轴13施加扭矩，从而使直线传动级有向上运动的趋势。由于在初始位置下弹簧便已处于预紧状态下，所以当阀开到最大位置时，弹簧的预紧力更大。通过使用涡卷弹簧14，在节约空间的情况下提升了复位力并且方便固定。

涡卷弹簧14在轮轴13上的固定可以利用弹簧衬套15来进行。弹簧衬套15围绕轮轴13地固定在该轮轴13上并且具有凹槽16，涡卷弹簧14的端部被接纳在该凹槽16中。通过这种方案，使弹簧的固定更加方便并且使力更好地被传到轮轴13上。

也可以把轮轴13和该弹簧衬套15制成一体，这样弹簧便直接与轮轴13相连接。当然也可以设想通过直接在轮轴13中设置用于接纳涡卷弹簧14端部的凹槽16来实现连接。

当然，也可以设想弹簧的其它固定方案，例如弹簧的一端固定在壳体上，另一端固定在传动齿轮上。另外，对于涡卷弹簧，其可以是内圈转动也可以是外圈转动。

轮轴13至少在局部具有与传动齿轮6的轴孔相对应的非圆形的横截面，例如如图8和9所示的D字形截面，或者也可以是方形等其它形状。通过采用诸如“D”字形的非圆形横截面，能够更好地在传动齿轮6与轮轴13之间传递扭矩，防止轮轴与齿轮之间出现打滑。由此，可以使扭矩可靠地传递到涡卷弹簧14，从而确保实现无电回位。

直线驱动装置1可以包含用于检测连杆的位置的传感器（未示出），所述传感器可以是感应式传感器、霍尔式传感器、磁阻式传感器或者接触式传感器。这些传感器可以设置在不同的位置上，根据传感器类型的不同可检测不同类型的运动。当传动齿轮6运动到M1位置时，传感器感应到该位置，并发送信号给电机，使电机断电而停止。

直线驱动装置1可以用在阀装置中，特别是发动机废气再循环系统中的EGR控制阀。发动机废气再循环系统是公知的。在这样的废气再循环系统中，在废气再循环管道中使用EGR控制阀来控制再循环废气量。

对于在EGR阀或其它阀装置中的应用，该直线驱动装置的输出连杆7与一阀头3相连接，当输出连杆7运动时带动该阀头3运动从而改变该阀头与阀座（未示出）的距离，由此实现了对阀的调节。EGR控制阀的直线驱动装置1的电机2被控制，通过直线驱动装置的输出连杆7带动阀头3上、下运动，从而使阀关闭或打开。在阀门打开运动时，随动件9与沟槽8的内壁接触，而在阀门闭合运动时，随动件9与沟槽8的外壁接触。当EGR控制阀断电时，由于弹簧的预紧，弹簧力作用于轮轴13并使轮轴13转动、进而带动传动齿轮6转动，传动齿轮6上的沟槽8带动随动件9进而带动输出连杆7向上运动直到阀门闭合。

另外，通过传感器来检测输出连杆7的当前位置并且将该当前位置传送给控制装置从而对EGR控制阀进行控制。

虽然本实用新型已以较佳实施例披露如上，但本实用新型并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本实用新型的精神和范围内所作的各种更动与修改，均应纳入本实用新型的保护范围内，因此本实用新型的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

附图标记表

1 直线驱动装置

2 电机

3 阀头

5 小齿轮

6 传动齿轮

7  输出连杆

8  沟槽

9  随动件

10 套件

11 壳体

12 销

13 轮轴

14 涡卷弹簧

15 弹簧衬套

16 凹槽

17 连接器

Claims (13)

1.一种凸轮齿轮，该凸轮齿轮用在将第一部件的旋转运动转换成第二部件的直线运动的直线驱动装置中，在该凸轮齿轮的一个端面上具有凸轮沟槽，其特征在于，所述凸轮齿轮构造成扇形齿轮，并且所述凸轮沟槽在齿轮周向上的两个端部中的至少一个是开放的。

2.根据权利要求1所述的凸轮齿轮，其特征在于，所述凸轮沟槽的凸轮曲线是在起点和终点处平缓的五次多项式曲线。

3.根据权利要求1所述的凸轮齿轮，其特征在于，所述凸轮沟槽在齿轮周向上延伸的角度在180度到320度的范围内。

4.根据权利要求1所述的凸轮齿轮，其特征在于，所述凸轮沟槽包括导入段、运动段和啮合段，其中所述导入段用于导入与所述第二部件固定连接的随动件，所述运动段用于引起所述随动件的线性行程，所述啮合段用于防止当所述随动件达到行程终点时所述凸轮齿轮与所述第一部件脱离啮合。

5.根据权利要求4所述的凸轮齿轮，其特征在于，所述导入段的开口处是向外扩开的喇叭口。

6.根据权利要求4所述的凸轮齿轮，其特征在于，所述导入段的至少一部分的曲线轮廓增高一预定高度。

7.根据权利要求4所述的凸轮齿轮，其特征在于，所述运动段在齿轮周向上延伸的角度在150度到300度的范围内。

8.根据权利要求1所述的凸轮齿轮，其特征在于，在所述凸轮齿轮的中央设有具有非圆形横截面的轴孔。

9.根据权利要求8所述的凸轮齿轮，其特征在于，所述轴孔的横截面为“D”字形。

10.根据权利要求1所述的凸轮齿轮，其特征在于，所述凸轮齿轮上还设置有限位销，该销与所述直线驱动装置的壳体上的结构相配合以作为机械停止位起作用。

11.根据权利要求1所述的凸轮齿轮，其特征在于，所述凸轮齿轮的扇面在齿轮周向上的延伸长度与所述凸轮沟槽在齿轮周向上的延伸长度相适应。

12.根据权利要求11所述的凸轮齿轮，其特征在于，所述凸轮沟槽在齿轮周向上的两个端部都是开放的。

13.一种直线驱动装置（1），包括：

电机（2）；

减速传动级，该减速传动级包括与电机的输出轴固定连接的小齿轮（5）和与该小齿轮（5）相啮合的传动齿轮（6）；

直线传动级，该直线传动级将所述传动齿轮（6）的旋转运动转换成输出连杆（7）的直线运动，所述输出连杆被接纳在一套件（10）中从而只能进行直线运动；

其特征在于，所述传动齿轮（6）为根据权利要求1至12中任一项所述的凸轮齿轮。

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