部件的机械致动的控制装置的制作方法

本申请涉及一种部件的机械致动的控制装置和一种用于安装这种控制装置的方法。

背景技术：

这种控制装置常具有壳体，壳体中布置具有驱动轴的电动机，其中，设置在壳体外布置的致动器用于与待致动的部件联接。壳体中布置齿轮机构，齿轮机构以驱动方式将驱动轴连接到输出轴，输出轴以抗扭方式连接到致动器并穿透壳体，其中在壳体中布置回位弹簧，回位弹簧在电动机失效的情况下使致动器移动到开始位置。

这样的控制装置例如用于机动运载工具领域中，作为致动器用于涡轮增压器或进气歧管应用中，其中设置叶片或瓣(klappe)控制装置作为待致动的部件，该控制装置包括至少一个可动地安装的叶片或瓣，以改变机动运载工具的流体导通线路中能够供流动通过的截面。

使用回位弹簧具有如下优点：在电动机失效的情况下，控制装置的致动器移动到预定的开始位置，从而实现待致动的部件的明确限定状态或相应的失效安全位置。为了将控制装置的致动器从预定开始位置转移到预定最终位置，从开始位置直到最终位置的电动机除了致动所述部件以外，还必须另外克服回位弹簧的弹性恢复力，因而必须相应地设计。

由于弹性恢复力正比于回位弹簧(例如具有大致恒定弹簧刚度的回位弹簧)的偏移或相应长度变化，并用于控制装置中，因而电动机必须被设计为使其可克服致动器在最终位置时(在此其达到最大值)的弹性力。

为能够经济合理地制造适合的回位弹簧，回位弹簧的特定参数必须在制造调节时核准。例如，对于以预定弹簧刚度制造回位弹簧，处于无应力中性状态下的相应回位弹簧的长度也必须核准。在控制装置中，这类弹簧以固定尺寸使用在在安装位置中，从而通过处于无应力的中性状态下的回位弹簧的长度变化，相应的回位弹簧在其安装位置经受不同的偏移。由此，弹性恢复力在预定开始位置有所不同。由于回位弹簧被制造为使其具有恒定弹簧刚度，因而弹性恢复力在预定最终位置也有所不同。在预定开始位置和在预定最终位置的弹性恢复力的典型分布由于制造调节而位于超过10％的区域中。因此，具有这种相应弹性力分布的控制装置可将致动器完全转移到预定最终位置，电动机被设计为使得：由于所述分布所致的发生的最大弹性力在预定最终位置被克服。因此，例如，电动机、驱动轴和相关联的轴承在很多情况下尺寸过大。

技术实现要素：

本发明基于的问题在于提出一种在引言中所指类型的控制装置，其中避免控制装置的部件的尺寸过大，因而以更有利价格制造控制装置成为可能。

此问题根据本发明通过独立权利要求的主题解决。有利的实施例是从属权利要求的主题。

本发明基于以下总体构思：在壳体中的回位弹簧的安装位置取决于其在无应力中性状态下的长度，由此在预定开始位置和预定最终位置实现弹性恢复力的分布的平衡。在此，回位弹簧安装到壳体中而使其以预定最小恢复力对致动器施加预应力而进入开始位置。对此，不仅设置具有固定尺寸的单个安装位置，而且可例如设置具有可变尺寸的安装位置和/或相应具有不同尺寸的多个可能的安装位置。因此，相应的回位弹簧可安装到安装位置，在此所获得的回位弹簧的偏移选自无应力的中性状态，从而实现预定的最小恢复力。由于在预定最终位置的弹性恢复力大致总是相同，因而根据本发明的控制装置的部件可优化设置尺寸，使得控制装置的整个结构具有较小重量并由此更紧凑。因此，避免控制装置尺寸过大，因而还实现制造成本和材料成本的减小。

在无应力中性状态的回位弹簧相对于优化长度的长度偏差具有正态分布，使得通过经济合理的制造，也总是生产未实现在预定开始位置中的预定最小恢复力的回位弹簧。典型地，至此，所形成最小恢复力过低或者具有偏差超过10％的所希望最小恢复力的回位弹簧被拒收为废品，不用于控制装置中。通过根据本发明的控制装置，这些回位弹簧现在也可使用，使单个回位弹簧的单位价格可进一步减小，这是因为例如可与回位弹簧制造商商谈更大的价格优惠。

预定的最小恢复力在许多情况下取决于控制装置的应用领域，因而至此，不同的回位弹簧变体用于不同的应用领域。根据本发明的控制装置可以在多个应用领域中使用仅一种回位弹簧类型，使得回位弹簧的单位价格可更进一步减少。

在根据本发明的解决方案的有利的进一步的优选方案中，提供：所述齿轮机构具有至少一个齿轮；其中所述回位弹簧具有：齿轮保持部，其被支撑在齿轮止挡部，所述齿轮止挡部形成在所述齿轮上；壳体保持部，其被支撑到壳体止挡部上，所述壳体止挡部形成在所述壳体上。可提供：至少一个齿轮被驱动轴穿透而且以抗扭方式与驱动轴连接。还可设想：齿轮机构以多级方式构造，因而提供多个齿轮在驱动轴与输出轴之间相互接合。齿轮机构传动是有利的，这是因为，由此电动机至输出轴的所希望的扭矩传递能够以紧凑和牢固结构实现。壳体止挡部可以被可脱离地或者不可脱离地连接到壳体，其中也可以提供：壳体的仅部分区域形成壳体止挡部。另外，齿止挡部可以被可脱离地或不可脱离地连接到齿轮，其中在此提供：齿轮的仅部分区域形成齿轮止挡部。由此，控制装置可简单地且以有利成本制造。

在根据本发明的解决方案的进一步的有利实施例中，提供：所述回位弹簧被构造为螺旋弹簧，其与所述齿轮的旋转轴线同心地布置；其中所述齿轮保持部布置在所述螺旋弹簧的内端处；而所述壳体保持部布置在所述螺旋弹簧的外端处。螺旋弹簧可通过金属带形成，金属带在螺旋弹簧的截面中至少部分地描述阿基米德螺旋，其中相应的两个绕圈之间的绕圈距离大致恒定。在此，绕圈距离可被选择为使得：在螺旋弹簧的受应力状态下各绕圈也不相互接触，因而不发生摩擦损耗且防止螺旋弹簧磨损。使用螺旋弹簧具有的优点是：其可布置在相应的齿轮上，因而形成控制装置的非常紧凑的结构。

在根据本发明的解决方案的有利的进一步的优选方案中，提供：在所述壳体上形成多个壳体止挡部，所述多个壳体止挡部相对于所述齿轮沿周向方向彼此相邻地布置，其中壳体保持部能够被支撑在这些壳体止挡部的每一个上，但仅被支撑在这些壳体止挡部中的一个上。恰如拉伸弹簧或压力弹簧的情况中那样，在螺旋弹簧(其具有恒定弹簧刚度)的经济合理的制造中，特定参数也必须在制造调节时核准，其还包括螺旋弹簧的或相应的处于未弯曲状态的带的长度。因此，在所生产的螺旋弹簧中，在齿轮保持部与壳体保持部之间的载体角度在螺旋弹簧的无应力状态中变化。为了平衡载体角度的这种变化，壳体保持部可精确插入壳体止挡部中，此时螺旋弹簧被施加预应力而使其提供所希望的恢复力或相应的所希望的恢复扭矩。壳体止挡部可被设置为控制装置壳体的凹陷和/或突起的形式。壳体保持部可按形状装配和/或力装配方式被支撑在相应凹陷和/或相应突起上。

在根据本发明的解决方案的进一步的有利实施例中，提供：在所述齿轮上形成多个齿轮止挡部，所述多个齿轮止挡部相对于所述齿轮沿周向方向彼此相邻布置，其中齿轮保持部能够支撑在这些齿轮止挡部中的每一个上，但仅支撑在这些齿轮止挡部中的一个上。为了实现最小恢复力的精细调节，壳体止挡部将不得不具有极小的相互间隙，由此使制造困难。通过使用多个齿轮止挡部，可实现最小恢复力的精细调节，而对壳体止挡部和齿轮止挡部的制造没有更高要求。可提供：壳体止挡部的彼此间距具有不同于齿轮止挡部的彼此间距的值。齿轮止挡部可被构造为齿轮的凹陷和/或突起的形式。壳体保持部可按形状装配和/或力装配方式被支撑在相应凹陷和/或相应突起上。

在根据本发明的解决方案的有利的进一步的优选方案中，提供：所述齿轮被构造为输出轮，所述输出轮以抗扭方式连接到所述输出轴。由此，回位弹簧联接于输出轮并因而联接于输出轴，而不需要进一步的齿轮机构齿轮传递最小恢复力，因而防止例如由于两个齿轮之间的摩擦损失使最小恢复力减小。

在根据本发明的解决方案的进一步的有利实施例中，提供：所述齿轮被构造为中间轮，中间轮布置在所述齿轮机构中、在所述驱动轴与所述输出轴之间。在此有利的是，齿轮和相关联的回位弹簧可独立于驱动轴和输出轴安装到控制装置中。由此，例如，回位弹簧在安装到控制装置中之前可安置在齿轮上，以作为整体简化控制装置的安装并减少制造成本。

在根据本发明的解决方案的有利的进一步的优选方案中，提供：所述齿轮机构具有蜗杆传动机构，所述蜗杆传动机构具有：蜗杆，其以抗扭方式连接到所述驱动轴；蜗轮，其与所述蜗杆接合，所述蜗轮以抗扭方式连接到联接轮，所述联接轮与输出轮接合，而所述输出轮以抗扭方式连接到所述输出轴。通过使用蜗杆传动机构，控制装置的更紧凑结构成为可能，这是因为，在蜗杆与蜗轮之间能够实现高传动比，因而与纯直齿轮相比，用于蜗杆传动机构中的电动机不得不提供更小的扭矩。因此，电动机可具有更小尺寸且更便于制造。此外，驱动轴和输出轴可布置为相互交叉，以进一步减小控制装置的尺寸并由此例如减少壳体的材料成本。

在根据本发明的解决方案的进一步的有利实施例中，提供：所述中间轮由所述蜗轮形成，以使用尽可能少的部件并由此确保通过更简单且价格更有利的方式生产控制装置，这是因为在安装过程中需要更少的作业步骤。此外，实现了进一步减小控制装置尺寸。

在根据本发明的解决方案的有利的进一步的优选方案中，提供：所述输出轮被构造为中间轮区段，所述区段的齿沿周向方向延伸小于180°。在控制装置的许多应用领域中，提供：待致动部件采取两个预定位置。因此，在这些情况下，足以使输出轴关于角度范围进行旋转，该角度范围与部件的第一和第二预定位置之间的角度范围大致对应。通过将输出轮构造为中间轮区段，待致动部件可相应地在两个预定位置中转移，其中通过使用中间轮区段，实现材料成本节省并形成控制装置的甚至更紧凑的结构。

此外，本发明涉及一种用于安装根据本发明的控制装置的方法，其中，在所述致动器在驱动轴静止的情况下抗扭地连接到所述输出轴之前，所述输出轴旋转以对所述回位弹簧施加预应力，直到所述输出轴达到相对于所述壳体安装旋转位置，在所述安装旋转位置，在所述输出轴上获得所希望的最小恢复力；其中，所述输出轴随后保持在所述安装旋转位置，所述致动器以抗扭方式连接到所述输出轴。由此，不具有壳体止挡部和/或齿轮止挡部的控制装置可按所希望方式布置。在具有壳体止挡部和/或齿轮止挡部的控制装置中，此方法可用于精细调节必要的最小恢复力。此方法可容易地自动化，以减少控制装置安装时间和实现成本优势。

进一步的发明提供一种用于安装根据本发明的控制装置的方法，其中所述回位弹簧在插入所述壳体中之前经测量，以确定其用于产生最小恢复力的从其未受应力的中性状态的偏移；其中根据所确定的偏移，选择所述壳体止挡部中的一个和/或所述齿轮止挡部中的一个；其中所述回位弹簧插入所述壳体中使得所述壳体保持部与所选择的壳体止挡部接合，和/或所述齿轮保持部与所选择的齿轮止挡部接合。因此，相应的回位弹簧可在实际安装到上游制造步骤上之前被测量，其中扭矩和/或力的测量值可通过扭矩和/或力测量仪提供。通过测量回位弹簧，可及时地探测到例如不希望出现的制造偏差。

进一步的发明提供一种用于安装根据本发明的控制装置的方法，其中提供将所述回位弹簧和所述齿轮插入到相对于所述壳体分开的安装保持器中，所述安装保持器具有保持器止挡部，且所述壳体保持部停置于所述保持器止挡部上。所述方法提供：转动所述齿轮，直到在回位弹簧和齿轮的安装相对位置出现所希望的最小恢复力。所述方法进一步提供：使处于固定的安装相对位置的所述齿轮和所述回位弹簧从所述安装保持器转移到所述壳体中，其中，使所述壳体保持部与最适合的壳体止挡部接合以保持所述安装相对位置。由于控制装置的结构被设计为尽可能紧凑，因而控制装置内的回位弹簧的壳体保持部的调节是费力的，且需要小巧精细的工具，这可导致更高的制造成本。与此不同的是，控制装置的壳体外的齿轮和回位弹簧的调节可以通过简单而且价格有利的方式进行。

本发明的进一步的重要特征和优点将通过从属权利要求、附图和借助附图的相关联附图描述而显见。

应理解，以上所述的且将在下文中进一步阐释的特征不仅能够以相应所示组合使用，而且能够以其它组合使用或单独使用，而不会背离本发明的范围。

附图说明

本发明的优选的示例性实施例在图中示出，并在以下描述中进一步阐释，其中，相同的附图标记表示相同或相似的或在功能上相同的部件。

在此分别图解性地显示：

图1是根据本发明的部件的机械致动的控制装置的第一实施例的侧视图；

图2是图1中所示控制装置的俯视图；

图3是根据本发明的控制装置的第二实施例的俯视图。

具体实施方式

如图1和图2中所示，根据本发明的控制装置1包括壳体2，在壳体2中，驱动轴4和输出轴7被布置为相互分开。在此实施例中，驱动轴4和输出轴7对准以相对于其旋转轴线14或相应的轴向轴线大致平行。相应的轴向轴线延伸穿过圆柱形驱动轴4和输出轴7的相应的对称轴线。壳体2具有轴承(未示出)，用于驱动轴4和输出轴7，其中轴承被构造为使得驱动轴4和输出轴7围绕其旋转轴线14被可旋转地安装，但不能沿其相应的轴向轴线移位。

驱动轴4实际上在图1中在两个位置穿透壳体2，但也可以提供使驱动轴4完全安装到壳体2内，以实现控制装置1的尽可能紧凑的结构。与此不同的是，输出轴7必须在至少一个位置穿透壳体2，使致动器5能够以抗扭方式布置在输出轴7上且处于壳体2外，以机械致动未示出的部件。当输出轴7旋转运动时，致动器5围绕输出轴7的旋转轴线14进行枢转运动，并且将所述部件(未示出)转移到所希望的位置。在例如具有至少一个节气门、涡流瓣或下降活塞内燃机的进流系统中，待通过控制装置1致动的部件可为瓣装置或阀装置，或在内燃机的涡轮增压器中，例如待通过控制装置1致动的部件可为废气阀。所述部件也可为可变几何涡轮(vtg)，因而可为排气涡轮增压器的可变几何涡轮。

驱动轴4和输出轴7通过齿轮机构6以驱动方式连接，其中齿轮机构6被构造为直齿轮机构，并具有第一齿轮9(其以抗扭方式连接到驱动轴4)和另外的齿轮(其被构造为输出轮15并以抗扭方式连接到输出轴7)。与图1和图2中的示意性例示不同的是，可采提供具有不同直径的齿轮9和输出轮15，其中有利的是：实现从驱动轴4到输出轴7的高传动比，以从驱动轴4上的低扭矩产生输出轴7上的更高扭矩，这至少适合于通过致动器5将所述部件(未示出)转移到所希望位置。因此，可以提供具有比输出轮15更小的直径的齿轮9。可以提供至少一个另外的齿轮(其被构造为中间轮)，其布置在驱动轴4与输出轴7之间的齿轮机构6中，以提供适合的传动。

控制装置1具有电动机3，电动机3布置在壳体2内。驱动轴4穿透电动机3的转子(未示出)并以抗扭方式连接到转子。电动机3可实现为步进电机，其包括的电机壳体能够固定到壳体2。在电机壳体内，可提供定子(未示出)，转子被可旋转地安装到定子中。通过电动机3的适合启动(其可通过未示出的控制单元实现)，使转子以及由此的驱动轴4进行旋转运动。在此，电动机3与控制单元之间存在至少一个通讯连接部。

可以提供：电动机3进行预定时间的此旋转运动，或者使电动机3进行此旋转运动而使得驱动轴4扫过预定角度。驱动轴4的旋转运动或相应的扭矩通过齿轮机构6传递到输出轴7并由此传动，其中输出轴7进而使致动器5枢转运动。在此，致动器5从预定开始位置转移到预定最终位置，或者相反。

因此，在电动机3失效的情况下，控制装置1的致动器5移动到预定的开始位置，以实现待被致动部件的明确限定的状态或者相应的失效安全位置，回位弹簧8设置在壳体2内。在此，回位弹簧8通过预定最小恢复力对致动器5施加预应力而进入开始位置。

回位弹簧8被构造为具有多个绕圈的螺旋弹簧，其至少部分地显示阿基米德螺旋并与输出轮15的旋转轴线14同心地布置。在回位弹簧8的内端形成齿轮保持部10，在回位弹簧8的外端形成壳体保持部12。在回位弹簧8与齿轮保持部10或相应的壳体保持部12之间，相应地提供弯曲部位，其中，与螺旋弹簧绕圈的弯曲半径相比，回位弹簧8的材料具有更小的弯曲半径。齿轮保持部10的弯曲方向在此对应于螺旋弹簧绕圈的弯曲方向，而壳体保持部12的弯曲方向与螺旋弹簧绕圈的弯曲方向相反。

在输出轮15上形成多个齿轮止挡部11，它们在关于输出轮15的周向方向上彼此相邻地布置。回位弹簧8的齿轮保持部10与齿轮止挡部11中的一个接合。齿轮止挡部11可形成为凹陷和/或突起，其中齿轮止挡部11可在关于输出轮15的周向方向上相互等距地间隔开。然而，也可提供不相互等距地间隔开的齿轮止挡部11。

壳体2上提供多个壳体止挡部13，它们在关于输出轮15的周向方向上彼此相邻地布置。回位弹簧8的壳体保持部12与壳体止挡部13中的一个接合。壳体止挡部13可形成为凹陷和/或突起，其中壳体止挡部13可在关于输出轮15的周向方向上相互等距地间隔开。然而，也可提出不相互等距地间隔开的壳体止挡部13。壳体止挡部13可通过壳体2自身形成，或者例如通过能够插入壳体2中且具有对应壳体止挡部13的部件形成。

可以提供：齿轮止挡部11和/或壳体止挡部13的间距是齿轮机构6的齿轮之一的齿轮齿距的倍数，特别是整倍数。

回位弹簧8在控制装置1的安装过程中被插入，使得齿轮保持部10和壳体保持部12在适合的齿轮止挡部11或相应的壳体止挡部13中接合，以产生回位弹簧8从其无应力的中性位置的偏移，从而在电动机3脱离连接时，致动器5以预定最小恢复力被施加预应力而进入开始位置。为此，回位弹簧8可在被插入壳体2之前被测量以确定预定恢复力所需的偏移。通过选择适合的齿轮止挡部11或相应的壳体止挡部13，可选择回位弹簧8的安装位置，在此安装位置中，回位弹簧8的制造偏差得以补偿，使得预定最小恢复力总是存在。

在控制装置1中，回位弹簧8在安装位置的偏移的精细调节可如下实现：在致动器5抗扭连接到输出轴7之前，输出轴7首先转动以进一步对回位弹簧8施加预应力，如此直到回位弹簧8到达其安装位置，即，相对于壳体2的安装旋转位置，此时在输出轴7上产生所希望的最小恢复力。输出轴7保持在回位弹簧8的此安装旋转位置，其中，致动器5随后以抗扭方式连接到输出轴7。

控制装置1的电动机3必须设计成除了部件的致动以外，其还可以克服回位弹簧8在其安装位置的弹性恢复力，以及若存在时从致动器5开始位置到最终位置的另外的安装旋转位置中的回位弹簧8的弹性恢复力。必须总是选择回位弹簧8的偏移使得在电动机3失效的情况下致动器能够施加足够大的力或相应的足够大的扭矩以将待致动部件转移到明确限定的状态或相应的失效安全位置。

在图3中，显示出根据本发明的控制装置1的第二示例性实施例，其装备有蜗杆传动机构17，蜗杆传动机构17布置在壳体2内。蜗杆传动机构17包括：具有驱动轴4的电动机3，驱动轴4至少部分地插入电动机3。驱动轴4以抗扭方式连接到蜗杆18，其中蜗杆18接合蜗轮19。在此示例中，蜗轮19被设置为中间轮，其布置在蜗杆18与输出轮15之间。与图1和图2的示例性实施例不同的是，在此示例性实施例中，回位弹簧8不是布置在输出轮15上，而是布置在蜗轮19上或相应地布置在中间轮上。

在此示例性实施例中，驱动轴4和输出轴7不是通过平行方式相互对准，而是通过使用蜗杆传动机构17相互沿横向对准。因此，可以形成特别紧凑的控制装置1，这是因为，可用空间容积被优化利用。通过使用蜗杆传动机构17，能够实现从驱动轴4到输出轴7的相对较高的传动比，从而可以紧凑且以低净重构建蜗杆传动机构17所需的电动机3。