本发明涉及电磁阀领域。更具体地，本发明涉及一种三位锁定电磁阀，其可用于致动具有中心零位置的滑阀。
相关技术的说明
电磁阀用于许多不同的应用，例如用于致动滑阀或其他类型的阀。
三通滑阀具有带有流体计量凸台和凹槽的阀芯，其可在套筒内的第一位置和第二位置之间移动。在第一位置，套筒中的中心端口连接到套筒中的第一端口，而在第二位置，中心端口连接到套筒中的第二端口。一些三通滑阀还在第一位置和第二位置之间具有中心位置，其中中心端口被其他两个端口中的任一个阻挡。该中心位置称为“零”位置。
图4示出了三位阀的示意图，该三位阀具有与凸轮扭矩致动的(cta)可变凸轮正时(vct)相位器一起使用的零位置。在这种布置中，壳体30具有多个容积39，每个容积通过叶片31分成提前腔室a和延迟腔室r，而叶片31是连接到发动机的凸轮轴的转子的一部分。腔室a和r通过油道(未示出)保持充满液压流体、通常是发动机油。
延迟通道33将流体从阀41的第一端口51引导至延迟腔室r或从延迟腔室r引出，并且提前通道32将流体从阀41的第二端口52引导至提前腔室a或从提前腔室a引出。阀41的中心端口50通过止回阀管线35连接到延迟通道，并通过止回阀管线34连接到提前通道32。管线34和35中的止回阀允许流体从中心端口50流到通道32和33，并阻止另一个方向上的流动。
壳体通过链条或皮带(未示出)联接到发动机的曲轴，使得在容积39内的移动的叶片31改变曲轴和凸轮轴的相对的旋转位置(相位)。在如图4所示的cta相位器中，转子通过凸轮轴中的由于阀从动件作用在凸轮轴的凸轮上的动作引起的扭矩的力相对于壳体顺时针或逆时针旋转。当转子沿图中的顺时针方向旋转以延迟凸轮轴相对于曲轴的相位时，叶片31向右移动，使得延迟腔室r变大并且提前腔室a变小。相反，当转子沿图中的逆时针方向旋转以使凸轮轴相对于曲轴的相位提前时，叶片31向左移动，使得延迟腔室r变小并且提前腔室a变大。因为腔室a和r充满流体，从而允许叶片31旋转需要允许流体从a流到r或反之亦然。如果流体流动被阻塞，则叶片31克服凸轮扭矩的力保持就位，并且不能旋转。
通过使用三通阀41在图4的布置中实现流体的这种选择性的布线，该三通阀41示意性地表示为三个部分41a、41b和41c。
当阀41处于中心(零)位置时，如图4所示，来自延迟腔室r的流体被止回阀阻止流过止回阀管线35，并且被管41的部分41b阻塞在管线37中。类似地，来自提前腔室a的流体被止回阀阻止流过止回阀管线34，并且被管41的部分41b阻塞在管线36中。
如果阀41处于第一(提前)位置，则阀41的部分41a允许第一端口51和中心端口50之间的流动，并阻止流过第二端口52。因此，来自延迟腔室r的流体可以通过通道33和管线37流到第一端口51，通过阀41到达中心端口50，然后通过止回阀管线34到达提前通道32进入到提前腔室a中。这排出腔室r并填充腔室a，从而允许凸轮扭矩使叶片31逆时针移动，这使正时提前。
如果阀41处于第二(延迟)位置，则阀41的部分41c允许在第二端口52和中心端口50之间流动，并阻止流过第一端口51。因此，来自提前腔室a的流体可以通过通道32和管线36流到第二端口52，通过阀41流到中心端口50，然后通过止回阀管线35到达延迟通道33进入到延迟腔室r中。这排出腔室a并填充腔室r，从而允许凸轮扭矩顺时针移动叶片31，这延迟正时。
应当理解，该cta相位器应用需要发动机控制单元(ecu)快速且准确地操作阀41，使得相位器可以精确地移动到由发动机负载和速度以及其他状况所需的凸轮/曲柄相位，并在那个相位止挡。
在使用具有中心零位的三通滑阀的现有技术的cta相位器中，滑阀已经使用诸如液压缸的可变力致动器移动并保持就位，其中液压压力由脉冲宽度调制(pwm)电磁阀(如美国专利5184578中所述)或可变力电磁阀(vfs)抵抗偏置弹簧(如美国专利5497728中所述)控制。
这些现有技术中的致动器需要连续的电信号、例如pwm脉冲信号或可变电压或电流，以将阀芯保持在所需位置。这导致控制器上的电负载和电磁阀线圈中的热负荷，无论阀是否在改变位置。电磁阀线圈的尺寸必须能承受连续的电流和热负荷而不会过热。
美国专利6105616示出了一种三位阀，其使用两个线圈，在阀芯的每个端部上安装有一个所述线圈。壳体和阀芯保持足够的磁性，以便即使在通向线圈的电力终止的情况下仍将阀芯的位置保持在行程的一端或另一端的位置，使得阀芯可以通过向其中一个线圈提供数字脉冲而锁定到位。通过相同强度的相对弹簧将阀芯偏置到中心位置，使得当阀芯通过脉冲解锁到相对端的线圈时，弹簧将阀芯推向中心位置。在中心位置没有正向机械止挡，因此中心位置纯粹是弹簧之间力平衡的函数。这对于实现期望的零位置提出了挑战，因为相同设计的弹簧的力和变形之间的关系可能由于公差而变化很大。
技术实现要素：
本发明提出一种具有中心位置的三位快速动作电磁阀。电磁阀通过两个线圈中的任一个的瞬时信号移动到三位中的一个位置。这些信号在锁定电磁阀设计的情况下可以是瞬时的，或者在传统的电磁阀设计的情况下是连续的。在这种应用中，电磁阀的电枢通过磁性保持在每个端部位置，并且通过机械止挡保持在中心位置，使得阀不需要电输入来维持其零位置。这种新设计的优点是无论弹簧公差如何，使用机械止挡都可实现精确的零位置。电磁阀致动器可用于移动滑阀中的阀芯，例如双通或三通滑阀，或用作其他应用的致动器。
附图说明
图1示出了处于中心或零位置的阀的剖视图。
图2示出了处于第一位置的阀的剖视图。
图3示出了处于第二位置的阀的剖视图。
图4示出了使用该阀的凸轮扭矩致动的可变凸轮正时相位器的示意图。
具体实施方式
图4示出了本发明的三位快速动作电磁阀的示意图，因为它可用于在cta相位器应用中致动滑阀。应用中的滑阀和相位器的液压操作在上面的背景技术部分中描述，并且对于这种系统是常规的。应当理解，虽然在本文中描述了本发明的电磁阀，因为它将用于三通滑阀应用中，但是电磁阀也可以用在双通阀中，或者用作其他应用的致动器。
阀41可以移动到由第一位置41a、中心位置41b和第二位置41c示意性地指示的三个位置。阀41的阀芯通过第一弹簧40在一个方向上朝向第一位置41a偏置，并且通过第二弹簧49在相反方向上朝向第二位置41c偏置。阀芯具有电枢43，其可被线圈吸引。替代性地，可以采用阀芯上的延伸部53连接到电枢43，电枢43可以被线圈42和44吸引。
第一弹簧40直接作用在滑阀41上，而相对侧的第二弹簧49将止挡板48预加载在阀本体上的止挡47上。止挡板48压在阀芯延伸部53的端部上。第二弹簧49的弹簧预载荷必须大于来自第一弹簧40的力，使得止挡板48用作止挡。在图4的示意图中所示的中心默认位置41b中，阀芯延伸部53抵靠止挡板48止挡，止挡板48又通过弹簧49搁置在止挡47上。阀41保持在位置41b，该位置由止挡47设定，并且除非受到外力作用，否则不能进一步移动阀41。
出于该描述的目的，假设了一种锁定电磁阀设计；然而，除了传统的电磁阀需要连续的电输入以将阀41保持在端部位置41a或41c之外，本发明与传统的电磁阀设计相同地发挥作用。为了将阀41移动到第二位置41c，第一线圈42由电功率脉冲激励。这吸引电枢43直到电枢43接触止挡45。电枢43通过磁性，或者通过电枢中的残留磁性或通过在止挡45上提供永磁体而保持抵靠止挡45。电枢43可以硬化和/或采用永磁体或适当的材料或电枢的适当的几何形状以增加其残留磁性能。
因为止挡板48已被止挡47止挡，所以当阀41处于第二位置41c时，阀芯延伸部53的端部不再与止挡板48接触，并且第二弹簧49不施加任何力在阀41上。
如果现在希望将阀41从第二位置41c移回中心零位置41b，则可以再次通过电功率脉冲激励第二线圈44。这使电枢43朝向第二线圈44吸引。如果脉冲持续时间足够短，则阀芯延伸部53在第一弹簧40的偏置力下移动，直到它接触止挡板48，然后停止。因此，阀41可靠地保持在零位置41b，因为第一弹簧40不能克服第二弹簧49压在止挡板48上的力，并且在脉冲结束后没有通过第二线圈44施加的力。替代性地，可以在不使用第二线圈44的情况下启动阀41从第二位置41c返回到中心零位置41b，而是通过消除第一线圈42中的磁场。
为了将阀41从零位置41b移动到第一位置41a，第二线圈44再次被电脉冲激励以吸引电枢43。在电枢43上的第二线圈44的吸引下，阀芯延伸部53克服第二弹簧49的力提升止挡板48。电枢43移动直到其接触止挡46，并且然后电枢43通过磁性，或者通过电枢中的残留磁性或通过在止挡46上提供永磁体而保持抵靠止挡46。
最后，为了将阀41从第一位置41a移回到零位置41b，第一线圈42由电功率脉冲激励。这吸引了电枢43，电枢43从止挡46上抬起，从而破坏了磁吸力。因此，通过作用在止挡板48上的第二弹簧49的力，阀芯延伸部53朝向零位置移动，直到止挡板48接触止挡47。因为止挡板48已经被止挡47止挡，所以第二弹簧49不能在阀41上施加任何力，并且阀41现在停止并保持在零位置41b，其中阀芯延伸部53在第一弹簧40的作用下偏置抵靠止挡板48。替代性地，可以在不使用第一线圈42的情况下启动阀41从第一位置41a返回到中心零位置41b，而是通过消除第二线圈44中的磁场。
因为在线圈42或44不再通电之后通过残留磁性将电枢43保持在适当位置，所以在线圈42或44上仅需要短的功率脉冲来移动阀41。结果，线圈42和44上的热负荷很小或没有，并且线圈可以制造得比在具有通过线圈的连续电流的应用中所需的线圈明显更小和更轻。
图1至图3示出了本发明的三位快速动作电磁阀的剖视图，其将三通滑阀致动到对应于图4中的示意图的位置41b、41a和41c的中心(零)、第一和第二位置。
三通阀由阀芯2构成，阀芯2在套筒3的开放中心内滑动。套筒3可以插入阀本体1中，如图所示，阀本体1可以在相位器转子或发动机曲轴的孔中或者用于安装在表面上的单独的本体中。阀芯2上的凸台10、12和14以及槽11和13可以阻塞或打开套筒3和本体1上的端口8a(第一端口)8b(中心端口)和8c(第二端口)。
密封件22、优选o形环设置在套筒3的外侧，以隔离通道8a-8c并限制套筒3和本体1之间的流体泄漏。替代地，密封也可以通过机械过盈配合、环氧树脂、粘合剂或其他弹性体密封件来实现。
套筒3中的第一弹簧4提供抵靠阀芯2的内侧端部的偏置力，使得阀芯2向外朝向图2中所示的第一位置偏置。
与第一弹簧4相对的阀芯2的外侧端部延伸以形成阀芯延伸部26。电枢16形成在阀芯延伸部26上。如在图4的示意图的讨论中所指出的那样，电枢16可以是硬化的或采用永磁体或适当的材料或适当的几何形状以增加其残留磁性能。
第一线圈20和第二线圈21位于壳体60内，壳体60由非磁性材料构成。线圈20和21分别插入磁通引导件61和62中。线圈20和磁通引导件61与线圈21和磁通引导件62之间的区域形成空间15。电枢16在空间15内在由第一线圈20的表面25和第二线圈21的内表面23形成的止挡之间滑动。如图4的讨论中所述，电枢16中的残留磁性使其保持抵靠表面25和23。可选地，可以在这些表面25和23上或在电枢16上设置永磁体以增加额外的锁定力。
第二弹簧6压在止挡板5上，使止挡板5偏压抵靠由磁通引导件62的外表面29形成的止挡。第二弹簧6通过位于磁通引导件60的端部中的插塞7保持就位。阀芯延伸部26的朝外端部24优选地设置有销27，以用于通过安放在止挡板5中的中心孔28中来使止挡板5对中。
如图1中可见，当阀芯2处于中心零位置时，电枢16在空间15内居中。阀芯延伸部26的端部24放置在止挡板5上，止挡板5通过弹簧6保持抵靠第二线圈21的表面29。端口8b在该位置被凸台12阻挡，使得端口8b和8a或8c之间没有流体连通。因为保持止挡板5抵靠止挡29的第二弹簧6的弹簧力高于第一弹簧4的弹簧力，所以在该位置，阀芯2可靠地保持抵靠止挡板5。
在图2中，阀芯2处于第一位置。电枢16磁性地保持抵靠表面23。阀芯延伸部26的端部24使止挡板5从止挡29向外移动，其中销27安置在孔28中。移动凸台12以允许流体在端口8a和端口8b之间通过凹槽11流动，同时阻止端口8b和端口8c之间的流动。
在图3中，阀芯2处于第二位置。电枢16磁性地保持抵靠表面25。弹簧6将止挡板5保持抵靠止挡29，并且阀芯延伸部26的端部24不再与止挡板5接触。移动凸台12以允许流体通过凹槽13在端口8b和端口8c之间流动，同时阻止端口8a和端口8b之间的流动。
因此，应该理解，这里描述的本发明的实施例仅仅是对本发明原理的应用的说明。在本文中对所示实施例的细节的参考并不旨在限制权利要求的范围，权利要求本身叙述了被认为对本发明必不可少的那些特征。