电磁致动装置和凸轮轴相位调节装置的制作方法

1.本发明涉及致动器领域，更具体地涉及一种电磁致动装置和凸轮轴相位调节装置。


背景技术：

2.中国专利公开cn106640255a公开了一种凸轮轴滑块控制系统，其通过电磁力驱动销，使销在槽内滑动，从而推动滑块沿凸轮轴的轴向运动，以实现不同的气门升程。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种方便控制且可靠性高的电磁致动装置和凸轮轴相位调节装置。
4.根据本发明的第一方面，提供一种电磁致动装置，一种电磁致动装置，包括壳体和至少一个执行单元，所述执行单元包括电磁铁和销，所述销部分地伸出所述壳体，且所述销用于在电磁铁的驱动下在轴向上往复运动，其中，
5.所述执行单元还包括用于检测所述销的位置的磁性件和磁场检测装置，所述磁性件和所述磁场检测装置均相对于所述壳体静止地设置，所述销在远离或接近所述磁性件的运动过程中与所述磁性件保持轴向间隔设置并且能影响所述磁性件周围的磁场，
6.所述磁场检测装置用于检测所述磁性件周围的磁场信号变化从而能确定所述销在所述轴向上的位置。
7.在至少一个实施方式中，所述检测信号的强度与所述销在所述轴向上离所述磁性件的距离线性相关。
8.在至少一个实施方式中，连接所述磁性件的南极和北极的连线经过或平行于所述轴向。
9.在至少一个实施方式中，在所述轴向上，所述磁场检测装置设置在所述磁性件与所述销之间。
10.在至少一个实施方式中，所述销与所述磁性件在轴向上同轴设置。
11.在至少一个实施方式中，所述销的制作材料包括软磁材料。
12.在至少一个实施方式中，所述执行单元有两个，两个所述执行单元并列地设置，两个所述执行单元的两个所述销从所述壳体的所述轴向上的同一个端部部分地伸出。
13.在至少一个实施方式中，所述电磁致动装置包括信号处理单元，所述信号处理单元用于将两个所述执行单元的两个所述检测信号分别转换为位于第一数值区间的处理信号和位于第二数值区间的处理信号，
14.所述第一数值区间和所述第二数值区间最多在一个端点处重合。
15.在至少一个实施方式中，所述第一数值区间和所述第二数值区间仅在一个端点处重合，所述端点对应两个所述销均未伸出的状态。
16.根据本发明的第二方面，提供一种凸轮轴相位调节装置，包括根据本发明的电磁
致动装置，所述电磁致动装置用于调节发动机的凸轮轴的位置，所述销的运动方向垂直于所述凸轮轴的轴线。
17.根据本发明的电磁致动装置结构简单、可靠性高。根据本发明的凸轮轴相位调节装置具体同样的优点。
附图说明
18.图1是根据本发明的一个实施方式的电磁致动装置的剖视图(其中，电磁致动装置处于初始位置)。
19.图2是根据本发明的一个实施方式的电磁致动装置处于第一位置的示意图。
20.图3是根据本发明的一个实施方式的电磁致动装置处于第二位置的示意图。
21.图4是根据本发明的一个实施方式的电磁致动装置的第一销运动至完全伸出状态的示意图。
22.图5是根据本发明的一个实施方式的电磁致动装置的第一销处于未伸出状态的示意图。
23.图6是根据本发明的一个实施方式的电磁致动装置中第一磁场检测装置的检测信号以及第一磁场检测装置附近的磁场强度随第一销往复运动而变化的曲线图。
24.图7是根据本发明的一个实施方式的电磁致动装置的两个磁场检测装置与信号处理单元的连接电路的示意图。
25.图8是根据本发明的一个实施方式的电磁致动装置中第一磁场检测装置的检测信号经信号处理单元转换后的处理信号的示意图。
26.图9是根据本发明的一个实施方式的电磁致动装置中第二磁场检测装置的检测信号经信号处理单元转换后的处理信号的示意图。
27.图10是根据本发明的一个实施方式的电磁致动装置的两个销和与之对应的两个磁性件以及两个磁场检测装置的设置方式的示意图。
28.附图标记说明
29.p1第一销；p2第二销；m1第一磁性件；m2第二磁性件；s1第一磁场检测装置；s2第二磁场检测装置；sp弹簧；ps信号处理单元；sgh处理信号；
30.vd1第一分压电路；vd2第二分压电路；oa1第一处理单元；oa2第二处理单元；
31.h壳体；h1主壳体；h2端部壳体；
32.10电磁铁；11线圈；12衔铁；13推杆；14静铁芯；15杠杆；a轴向；r径向。
具体实施方式
33.下面参照附图描述本发明的示例性实施方式。应当理解，这些具体的说明仅用于示教本领域技术人员如何实施本发明，而不用于穷举本发明的所有可行的方式，也不用于限制本发明的范围。
34.在电磁致动器的销的运动过程中，为了检测销的运动位置，一种可能的方式是在销上固定一个磁铁。使用固定的磁场检测装置检测磁场的变化，从而确定销的运动位置。
35.然而，由于在电磁致动器工作过程中，销的运动速度快、且会与槽壁发生机械冲击，这使得固定在销上的磁铁有掉落或失效(例如退磁)的风险。
36.发明人考虑了包括上述情况的一些情况而作出本发明。
37.参照图1至图10，以应用于调节发动机的凸轮轴的致动装置为例，介绍根据本技术的电磁致动装置及其工作原理。除非特别说明，图中，a表示电磁致动装置的轴向，该轴向a与电磁致动装置中第一销p1(或第二销p2)的轴向平行，为表述方便也将第一销p1或第二销p2的轴向称为轴向a；r表示电磁致动装置的径向，该径向r与电磁致动装置中第一销p1(或第二销p2)的径向平行，为表述方便也将第一销p1或第二销p2的径向称为径向r。
38.应当理解，虽然这里使用了轴向和径向的表述，但是电磁致动装置和/或第一销p1和/或第二销p2整体上不必须为圆柱形或圆筒形，该轴向a可以对应于第一销p1和/或第二销p2的长度方向，该径向r可以对应于与上述轴向a垂直的方向。
39.参照图1，根据本技术的电磁致动装置包括壳体h和部分地容纳于壳体h的两个执行单元。
40.第一执行单元包括电磁铁10、第一磁性件m1、第一磁场检测装置s1和第一销p1；第二执行单元包括电磁铁10、第二磁性件m2、第二磁场检测装置s2和第二销p2。
41.壳体h包括主壳体h1和端部壳体h2。主壳体h1主要用于容纳两个电磁铁10，端部壳体h2主要用于容纳两个销。端部壳体h2上设有两个在轴向a上贯通的通孔，每个销穿过一个通孔，且销借助通孔获得在轴向a上的运动导引。
42.第一执行单元和第二执行单元并列地、对称地设置，使得第一销p1和第二销p2的轴向平行。且第一销p1和第二销p2从壳体h的轴向a上的同一个端部部分地伸出。以下将第一销p1和第二销p2的伸出壳体h的一端称为外端，将第一销p1和第二销p2的位于壳体h内的一端称为内端。
43.销(第一销p1或第二销p2)和端部壳体h2之间设有弹簧sp，弹簧sp向销施加朝向壳体内部的预紧力。销能受电磁铁10的驱动，挤压弹簧sp而增加伸出壳体h的长度。在电磁铁10的驱动力减小或撤去后，销能在弹簧s的作用下至少部分地缩回壳体h。
44.销的外端用于伸入设置在发动机的凸轮轴的槽中，凸轮轴的轴线与销的轴向a垂直。在销沿轴向a往复运动的过程中，凸轮轴能沿其轴线发生位移，从而提供不同的气门升程。
45.特别地，凸轮轴的槽可以螺旋状地形成于凸轮轴的外周面，即，该槽为螺旋槽。在凸轮轴转动时，由于第一销p1和第二销p2在凸轮轴的轴向上的位置是固定的，螺旋槽与第一销p1或第二销p2抵接，从而使凸轮轴沿着其轴向发生位移。
46.每个电磁铁10均可以包括线圈11、衔铁12、推杆13、静铁芯14和杠杆15。
47.衔铁12与推杆13固定连接，推杆13的制作材料例如为非导磁的材料(例如为不锈钢)。推杆13抵靠到杠杆15的中部，杠杆15的制作材料例如为非导磁的材料。以避免电磁铁10的动作对磁场检测装置产生干扰。
48.杠杆15的靠近电磁致动装置的径向外侧的一端(以下称为支点端)为支点，杠杆15的靠近电磁致动装置的径向内侧的一端(以下称为推动端)抵靠到销(第一销p1或第二销p2)的位于壳体h内部的端部。在轴向a上，杠杆15的推动端的行程大于杠杆15的中部的行程，这使得的销的行程可以大于推杆13的行程。即，杠杆15起到了将动作部件的行程放大的作用，例如，在轴向a上，推杆13每运动1个单位的距离，销可以运动2个单位的距离。这相当于提高了电磁致动装置的响应速度。
49.此外，杠杆15的使用还使得，在径向r上，电磁铁10的动作部件(例如衔铁12)比销远离下文介绍的磁性件(第一磁性件m1和第二磁性件m2)和磁场检测装置(第一磁场检测装置s1和第二磁场检测装置s2)，使得电磁铁10对磁场检测装置的检测信号的影响小(该影响可以忽略不计)。
50.磁性件(第一磁性件m1和第二磁性件m2)和磁场检测装置(第一磁场检测装置s1和第二磁场检测装置s2)均相对于壳体h内的固定设置。
51.第一磁性件m1和第一磁场检测装置s1设置在第一销p1的内端的附近，第二磁性件m2和第二磁场检测装置s2设置在第二销p2的内端的附近。
52.磁性件例如为永磁体，磁场检测装置例如为霍尔传感器。销的制作材料包括导磁材料，或者销的至少位于壳体h内部的端部(上端部或内端部)包括导磁材料。上述导磁材料优选为软磁材料。
53.在第一销p1沿轴向a往复运动的过程中，第一磁场检测装置s1的检测信号发生变化，从而能确定第一销p1在轴向a上的位置；在第二销p2沿轴向a往复运动的过程中，第二磁场检测装置s2的检测信号发生变化，从而能确定第二销p2在轴向a上的位置。
54.可选地，沿轴向a观察，第一磁性件m1、第一磁场检测装置s1和第一销p1至少部分地重合，第二磁性件m2、第二磁场检测装置s2和第二销p2至少部分地重合。
55.可选地，连接第一磁性件m1的南极和北极的连线平行于轴向a，连接第二磁性件m2的南极和北极的连线平行于轴向a。
56.可选地，第一磁性件m1和第一磁场检测装置s1的中心均在第一销p1的轴线上，第二磁性件m2和第二磁场检测装置s2的中心均在第二销p2的轴线上。
57.可选地，在轴向a上，第一磁场检测装置s1位于第一磁性件m1和第一销p1之间，第二磁场检测装置s2位于第二磁性件m2和第二销p2之间。
58.第一销p1与第一磁场检测装置s1和第一磁性件m1均不直接接触，第二销p2与第二磁场检测装置s2和第二磁性件m2均不直接接触，以避免销在运动过程中与磁场检测装置或磁性件相碰撞。
59.可选地，第一磁场检测装置s1可以与第一磁性件m1直接相连，第二磁场检测装置s2可以与第二磁性件m2直接相连。例如，第一磁场检测装置s1粘接到第一磁性件m1，第二磁场检测装置s2粘接到第二磁性件m2。
60.接下来，参照图1至图5，以第一执行单元为例，介绍磁场检测装置是如何根据检测信号的变化判断销的位置的。
61.定义图1所示的状态下，第一销p1和第二销p2均处于未伸出状态(或者更准确地说，对应第一销p1和第二销p2在往复运动过程中的伸出壳体h的尺寸最小的状态)，该状态下的电磁致动装置也被称为处于初始位置c0。图2所示的状态下，第一销p1处于完全伸出状态(或者更准确地说，该状态对应第一销p1在往复运动过程中的伸出壳体h的尺寸最大的状态)，第二销p2处于未伸出状态，该状态下的电磁致动装置也被称为处于第一位置c1。图3所示的状态下，第一销p1处于未伸出状态，第二销p2处于完全伸出状态，该状态下的电磁致动装置也被称为处于第二位置c2。
62.参照图4，在第一销p1完全伸出时，第一销p1与第一磁性件m1之间的距离较大，第一销p1对第一磁性件m1的磁场的影响很小，可以忽略不计。假设第一磁性件m1在轴向a上朝
向第一销p1的一端为n极(北极)、另一端为s极(南极)，第一磁场检测装置s1所测量的磁场为第一磁性件m1自身的磁场，磁感应线从第一磁性件m1的北极出发回到第一磁性件m1的南极。
63.参照图5，在第一销p1未伸出时，第一销p1与第一磁性件m1之间的距离非常小，例如不大于1mm。此时软磁材料制作的第一销p1被第一磁性件m1磁化而具有磁性。例如，图5中第一销p1的内端将被磁化而形成南极。第一销p1和第一磁性件m1将互相吸引，它们之间的磁场强度增强。第一磁场检测装置s1所测量的磁场为除了第一磁性件m1自身的磁场外，还有较强的第一销p1和第一磁性件m1相互吸引的磁场，这使得该状态下第一磁场检测装置s1的检测信号大于第一销p1完全伸出时的检测信号。
64.由于软磁材料在接近磁体时容易被磁化，在远离磁体时容易退磁，因此，第一磁场检测装置s1的检测信号的强度与第一销p1在轴向a上离第一磁性件m1的距离正相关。
65.应当理解，这里的正相关包括检测信号的强度是上述距离的线性函数，也包括检测信号的强度是上述距离的非线性函数。
66.图6中的实线示出了检测信号的强度与第一销p1的位置关系，长虚线示出了磁场强度与第一销p1的位置关系。
67.图6中左侧的纵坐标为检测信号sgo，单位为vdc(直流电压伏特)；图6中右侧的纵坐标为磁场磁场强度sgm，单位为t(特斯拉)，横坐标表示电磁致动装置的位置。从图中可知，在第一销p1缩回的过程中(电磁致动装置从第一位置c1切换至初始位置c0)，第一磁场检测装置s1检测信号从最小值sg1增加到最大值sg2；第一销p1的伸出过程与之相反。
68.应当理解，第二执行单元的磁场信号检测与第一执行单元类似，例如，在第二销p2缩回的过程中(电磁致动装置从第二位置c2切换至初始位置c0)，检测信号从最小值sg1增加到最大值sg2；第二销p2的伸出过程与之相反。
69.参照图7，为了简化装置结构，使传感器信号的输出线路不过多占用ecu(电子控制单元)的接口，本实施方式的电磁致动装置还包括信号处理单元ps。
70.信号处理单元ps用于将两个执行单元的两个检测信号分别转换为位于第一数值区间和位于第二数值区间的处理信号sgh，第一数值区间和第二数值区间仅在端点处重合。以下将该区间重合的端点称为重合端点，且重合端点表示第一销p1和第二销p2均未伸出的位置。
71.可以理解，第一数值区间和第二数值区间还可以完全不重合。
72.优选地，第一销p1和第二销p2不同时向远离电磁铁10的方向运动。更优选地，两个执行单元的电磁铁不同时通电，从而在一个销运动的过程中，另一个销保持在未伸出的位置。
73.由此，根据处理信号sgh可以唯一确定第一销p1和第二销p2的位置。
74.对照图6和图8，信号处理单元能将第一磁场检测装置s1的位于区间[sg2,sg1]的检测信号转换为位于区间[s11,s12]的处理信号，对应地，检测信号值sg2被转换为处理信号值s11，检测信号值sg1被转换为处理信号值s12。并且，信号处理单元能将第二磁场检测装置s2的位于区间[sg2,sg1]的检测信号转换为位于区间[s21,s22]的处理信号，对应地，检测信号值sg2被转换为处理信号值s21，检测信号值sg1被转换为处理信号值s22。
[0075]
例如，第一销p1完全伸出时，第一磁场检测装置s1的检测信号达到最小值0v，经信
号处理单元ps处理后输出的处理信号sgh＝5v；第一销p1未伸出时，第一磁场检测装置s1的检测信号达到最大值5v，经信号处理单元ps处理后输出的处理信号sgh＝2.5v；即对应地，信号处理单元ps将第一磁场检测装置s1的位于区间[0v,5v]的信号转换为位于区间[5v,2.5v]的信号。第二销p2完全伸出时，第二磁场检测装置s2的检测信号达到最小值0v，经信号处理单元ps处理后输出的处理信号sgh＝0v；第二销p2未伸出时，第二磁场检测装置s2的检测信号达到最大值5v，经信号处理单元ps处理后输出的处理信号sgh＝2.5v；即对应地，信号处理单元ps将第一磁场检测装置s1的位于区间[0v,5v]的信号转换为位于区间[0v,2.5v]的信号。
[0076]
回到图7，介绍信号处理单元ps对检测信号进行处理的实现方式。
[0077]
信号处理单元ps包括第一分压电路vd1、第二分压电路vd2、第一处理单元oa1和第二处理单元oa2。图中的v1和vg分别为输入电压线和接地线。
[0078]
第一分压电路vd1连接第一磁场检测装置s1的输出端和第一处理单元oa1的输入端。
[0079]
第一分压电路vd1用于将第一磁场检测装置s1的检测信号sg10降幅，例如将信号的值减半，将位于区间[0v,5v]的信号转换为位于区间[0v,2.5v]的信号。
[0080]
第一处理单元oa1用于将第一分压电路vd1的输出信号进行运算处理，例如，用第一磁场检测装置s1的检测信号的最大值的一半(例如5v的一半为2.5v)减去第一分压电路vd1的输出信号，得到经处理后的信号sg11。或者，第一处理单元oa1将第一分压电路vd1的输出信号乘以-1，之后加上第一磁场检测装置s1的检测信号的最大值的一半。信号sg11的范围为[2.5v,0v]。
[0081]
第二分压电路vd2连接第二磁场检测装置s2的输出端和第二处理单元oa2的输入端，第二分压电路vd2用于将第二磁场检测装置s2的检测信号sg20降幅，例如将信号的值减半，将位于区间[0v,5v]的信号转换为位于区间[0v,2.5v]的信号。
[0082]
第二处理单元oa2既用于处理来自第二分压电路vd2的输出信号sg21，也用于处理来自第一处理单元oa1的输出信号sg11。
[0083]
对于来自第一处理单元oa1的输出信号sg11，第二处理单元oa2将该信号加上检测信号的最大值的一半作为处理信号sgh输出。对于来自第二分压电路vd2的输出信号sg21，第二处理单元oa2将该信号直接作为处理信号sgh输出。
[0084]
根据上述转换规则，处理信号sgh可以相应被还原为第一磁场检测装置s1的检测信号和第二磁场检测装置s2的检测信号，从而获知第一销p1和第二销p2的运动状态和位置。
[0085]
例如，当处理信号sgh的值大于2.5v时，表示第一销p1至少部分地伸出；当处理信号sgh的值等于5v时，表示第一销p1完全伸出。当处理信号sgh的值小于2.5v时，表示第二销p2至少部分地伸出。当处理信号sgh的值等于0v时，表示第二销p2完全伸出。当处理信号sgh的值等于2.5v时，表示第一销p1和第二销p2均未伸出。当然，根据具体的运算规则，还可以获知伸出状态的销的伸出距离，不再赘述。
[0086]
本发明至少具有以下优点中的一个优点：
[0087]
(i)由于磁性件相对于壳体h固定、而不随销作往复运动，因此磁性件不容易脱落或损坏。
[0088]
(ii)磁性件和磁场检测装置相对静止，测得的磁场强度更准确，对销的位置控制更准确。
[0089]
(iii)通过信号处理单元，将两个传感器的输出信号处理成一个分段的信号进行输出，使得电磁致动装置的输出电路得到简化，可以仅设置一个输出端口。
[0090]
当然，本发明不限于上述实施方式，本领域技术人员在本发明的教导下可以对本发明的上述实施方式做出各种变型，而不脱离本发明的范围。例如：
[0091]
(i)根据本技术的电磁致动装置可以只具有一个执行单元。
[0092]
(ii)参照图10，分别来自两个执行单元的第一磁性件m1和第二磁性件m2的磁极的设置方向可以是相反的，即可以一个磁性件的南极朝向销、另一个磁性件的北极朝向销。当然，也可以两个磁性件的磁极的设置方向相同。
[0093]
(iii)本技术对两个执行单元的输出信号的处理方式不限于此。
[0094]
可选地，两个执行单元的输出信号可以由不同的线路输出到相同或不同的处理单元，以得到分别处理。
[0095]
即使在将两个执行单元的输出信号处理成不重合或仅端点(这里的端点可以表示信号曲线中的同一数值，例如，相同的电压，而不是信号曲线中的某个点)重合时，也可以采用其它的处理单元或运算方法，只要使得第一执行单元的处理信号和第二执行单元的处理信号可以在同一线路中传输且可以被容易地区分即可。
[0096]
(iv)根据本发明的电磁致动装置除了可以对发动机的凸轮轴进行调节外，还可以对其它装置执行致动。