一種彈簧復位的微小型2D電磁開關閥的製作方法

2023-05-05 14:40:41

本發明涉及一種開關閥，尤其涉及一種彈簧復位的微小型2D電磁開關閥。

背景技術：

近年來，利用伺服螺旋機構原理工作的二維電液開關閥具有閥芯徑向轉動和軸向移動的雙自由度、控制靈活、精度高、頻響快、低滯環、洩漏量小、結構簡單等優點，目前主要運用在航空航天，飛彈等軍事領域且多為極端惡劣環境下。

但是，現有的二維(2D)液壓閥均採用兩級同心的結構來保證閥芯受到足夠的驅動力，這也導致這種結構的二維(2D)液壓閥很難實現小型化。

為了滿足機載設備對其質量輕和體積小的要求，液壓元件在小型化的過程中尚有如下問題未能解決：1、電液開關閥的小型化勢必會縮小電-機械轉換器的尺寸，從而導致驅動力/力矩不足的問題；2、電液開關閥的小型化勢必會導致閥芯復位彈簧變小，從而導致回復力不足的問題；3、原2d閥中閥芯、閥體、同心環安裝時有兩級同心的要求，導致對其加工精度要求高，難以加工實現的問題。

技術實現要素：

為了克服液壓閥小型化會引起電-機械轉換器驅動力不足、復位彈簧恢復力小的問題，且能滿足機載設備對液壓元器件抗幹擾能力強、質量輕、體積小、響應快的需求，本發明提供一種彈簧復位的機載微小型二維電液開關閥。

本發明的技術方案是：

一種彈簧復位的微小型2D電磁開關閥，包括位於左側的閥體和位於右側的連接板，驅動閥芯轉動的機械傳動機構設置在連接板上；閥體和連接板通過支架同軸連接，支架的一端固定在閥體內的凹槽內，另一端固定在連接板內；

閥芯可轉動地設置在閥體內，閥芯從左向右依次設有第一臺肩和第二臺肩，閥體的左端蓋和第一臺肩將閥體內腔氣密圍隔成敏感腔，第一臺肩和第二臺肩將閥體內腔氣密圍隔成環繞閥芯的環形進油腔，進油腔與進油口連通；所述閥體上設有出油口，出油口位於第二臺肩的運動軌跡上；所述閥體右端的凹槽和支架的內腔貫通並構成低壓腔；

閥芯的第一臺肩上分別開有一對軸對稱的高壓槽和一對軸對稱的低壓孔，且高壓槽和低壓孔交替設置，閥芯內沿軸向設有通道，通道的一端與低壓腔連通，另一端與第一臺肩上的低壓孔連通；閥體的內壁上沿軸向設有一對軸對稱的直槽，直槽的出口端與敏感腔連通，直槽的入口端位於高壓槽出口端的運動軌跡和低壓孔出口端的運動軌跡上，且直槽的槽寬與高壓槽和低壓孔之間的距離相等；敏感腔可通過直槽、高壓槽與進油腔連通，以向敏感腔內輸入高壓油；敏感腔可通過直槽、低壓孔、通道、低壓腔與回油口連通，以向敏感腔內輸入低壓油；

低壓腔內可轉動地設有矩形框，所述矩形框的左端固定套設在閥芯上，所述矩形框右端的中心軸依次貫穿支架和連接板；所述矩形框內可滑動地設有彈簧座，閥芯的右端氣密穿過矩形框，閥芯的右端面和彈簧座相對，且閥芯和彈簧座之間壓縮有復位彈簧；復位彈簧的一端套設在閥芯上，另一端套設在彈簧座左端的凸柱上，所述彈簧座的右端面抵緊在支撐塊上的鋼珠上，所述支撐塊的兩側穿過矩形框並固定在支架上。

所述機械傳動機構包括位於正上方的上撥杆和位於正下方的下撥叉，上撥杆下半部的撥頭呈橢圓形，下撥叉的上半部是開口向上的U形叉，上撥杆的撥頭插設在下撥叉的U形叉內，轉動設備的轉軸與上撥杆固定連接，以驅動上撥杆帶動下撥叉轉動，且下撥叉的底部與矩形框右端的中心軸固定連接，以帶動閥芯同步轉動；上撥杆的頂部可滑動的設置在水平杆上，且水平杆的一端套設有將上撥杆傾斜抵緊在下撥叉內的上撥杆復位彈簧，上撥杆復位彈簧將上撥杆傾斜抵緊在零位狀態。

進一步，所述旋轉電磁鐵設置在閥體的上方，並配有保護罩。

進一步，所述上撥杆通過第一緊固螺釘夾緊在旋轉電磁鐵的輸出軸上，所述下撥叉通過第二緊固螺釘夾緊在矩形框的中心軸上。

本發明的軸向指的是閥芯的中心軸所在的方向。

為了使本發明具有體積小、質量輕、響應快的特性，除了要保證電-機械轉換器有足夠的驅動力矩外，還要求傳動機構有放大驅動力矩的作用。本發明的機械傳動機構可使閥芯開始工作時獲得無窮大的驅動力矩，隨之，上撥杆和下撥叉之間的傳動比由無窮大快速降低，與之對應的閥芯轉速由無窮小快速增加，因此可以在閥芯剛開始轉動時，為閥芯提供無窮大的驅動力矩以克服液壓卡緊力，而後閥芯快速轉動到目標位置。此機械傳動機構同樣可適用於三位四通2D電液高速開關閥。

1)對於電液開關閥的小型化勢必會縮小電-機械轉換器的尺寸，從而導致驅動力/力矩不足的問題；

本發明採用變傳動比傳動機構，使初始驅動力矩無窮大，以克服閥芯剛開始轉動時存在的液壓卡緊力。

2)對於電液開關閥的小型化勢必會導致閥芯復位彈簧變小，從而導致回復力不足的問題；

本發明藉助矩形框結構，使彈簧不直接作用在閥芯上，而是作用在矩形框上，再通過矩形框與閥芯固連以傳遞力與運動。矩形框結構大大增加了彈簧的安裝空間，減小了對彈簧尺寸的限制，使得彈簧可以做大以增加彈簧力。

3)對於閥芯、閥體、同心環安裝時出現的兩級同心問題。

本發明沒有使用同心環機構去構建低壓腔，而是採用支架與閥芯配合構成成低壓腔，支架只與閥芯配合，精度要求較低，製作安裝更方便。

本發明的有益效果是：

1、體積小，質量輕，結構簡單；

2、抗幹擾能力強，適應航空航天等複雜工況；

3、採用變傳動比的機械傳動機構，有效放大閥芯的驅動力矩，以克服閥芯初始動作時的液壓卡緊力，同時降低對電-機械轉換器的輸入力矩要求；

4、採用液壓力驅動閥芯滑動，驅動力大，頻率響應高；

5、不需要兩級同心的結構，消除了以往2D閥中為滿足兩級同心要求而增加的加工難度；

6、抗汙染能力強，對油液過濾精度要求低。

附圖說明

圖1為本發明的結構示意圖。

圖2為機械傳動機構結構示意圖。

圖3為閥體剖視圖。

圖4為本發明的局部剖視圖。

圖5為圖4中A-A向剖視圖。

圖6為閥體上進油口、出油口和回油口位置示意圖。

圖7位閥芯橫截面示意圖

具體實施方式

如圖所示，一種彈簧復位的微小型2D電磁開關閥，包括位於左側的閥體20和位於右側的連接板14，驅動閥芯轉動的機械傳動機構設置在連接板14上；閥體20和連接板14通過支架15同軸連接，支架15的一端固定在閥體20內的凹槽內，另一端固定在連接板14內；

閥芯21可轉動地設置在閥體20內，閥芯21從左向右依次設有第一臺肩211和第二臺肩212，閥體20的左端蓋22和第一臺肩211將閥體內腔氣密圍隔成敏感腔g，第一臺肩211和第二臺肩212將閥體內腔氣密圍隔成環繞閥芯21的環形進油腔，進油腔c與進油口P連通；所述閥體上設有出油口A，出油口A位於第二臺肩212的運動軌跡上；所述閥體右端的凹槽和支架15的內腔貫通並構成低壓腔m；

閥芯的第一臺肩211上分別開有一對軸對稱的高壓槽y和一對軸對稱的低壓孔a，且高壓槽y和低壓孔a交替設置，閥芯21內沿軸向設有通道b，通道b的一端與低壓腔m連通，另一端與第一臺肩211上的低壓孔a連通；閥體20的內壁上沿軸向設有一對軸對稱的直槽f，直槽f的出口端與敏感腔g連通，直槽f的入口端位於高壓槽y出口端的運動軌跡和低壓孔a出口端的運動軌跡上，且直槽f的槽寬與高壓槽y和低壓孔a之間的距離相等；敏感腔g可通過直槽f、高壓槽y與進油腔c連通，以向敏感腔g內輸入高壓油；敏感腔g可通過直槽f、低壓孔a、通道b、低壓腔m與回油口T連通，以向敏感腔g內輸入低壓油；

低壓腔內可轉動地設有矩形框10，所述矩形框10的左端固定套設在閥芯21上，所述矩形框10右端的中心軸依次貫穿支架15和連接板14；所述矩形框10內可滑動地設有彈簧座18，閥芯21的右端氣密穿過矩形框10，閥芯21的右端面和彈簧座18相對，且閥芯21和彈簧座18之間壓縮有復位彈簧19；復位彈簧19的一端套設在閥芯21上，另一端套設在彈簧座18左端的凸柱上，所述彈簧座18的右端面抵緊在支撐塊上的鋼珠上，所述支撐塊的兩側穿過矩形框10並固定在支架15上。

所述機械傳動機構包括位於正上方的上撥杆7和位於正下方的下撥叉8，上撥杆7下半部的撥頭呈橢圓形，下撥叉8的上半部是開口向上的U形叉，上撥杆7的撥頭插設在下撥叉8的U形叉內，轉動設備的轉軸與上撥杆7固定連接，以驅動上撥杆7帶動下撥叉8轉動，且下撥叉8的底部與矩形框10右端的中心軸固定連接，以帶動閥芯21同步轉動；上撥杆7的頂部可滑動的設置在水平杆2上，且水平杆2的一端套設有將上撥杆7傾斜抵緊在下撥叉8內的上撥杆復位彈簧1，上撥杆復位彈簧1將上撥杆7傾斜抵緊在零位狀態。

所述支撐塊16上設有鋼珠17，使得彈簧座18和支撐塊16為點接觸，減小了彈簧座18轉動時與支撐塊16之間的摩擦阻力，提高了響應速度。

所述旋轉電磁鐵設置在閥體20的上方，並配有保護罩。

所述上撥杆7通過第一緊固螺釘5夾緊在旋轉電磁鐵6的輸出軸上，所述下撥叉8通過第二緊固螺釘9夾緊在矩形框10的中心軸上。

閥體20與連接板14通過螺釘11固連，傳動機構通過矩形框15的中心軸和旋轉電磁鐵6的伸出軸安裝在連接板14右側；旋轉電磁鐵6通過螺釘13緊固在連接板上部。

閥體上開設有進油口P、出油口A、回油口T，閥體20通過進油口P與高壓泵連通，高壓泵為閥體20提供高壓油；閥體20通過出油口A與液壓缸連通，以給液壓缸提供高液壓；閥體20通過回油口T與油箱連通，回油箱為閥體20提供低壓油。

所述轉動設備為旋轉電磁鐵6，且旋轉電磁鐵6與控制器相連。控制器向旋轉電磁鐵6發送動作命令。旋轉電磁鐵6作為本發明的電-機械轉換器，位於閥體20上方，並通過第一螺釘13與連接板14相連接，保護罩23通過第二螺釘12與連接板14相連，本發明配設的盒蓋通過第三螺釘11固定在連接板14上，水平杆支架2通過第三螺釘4固定在連接板14上，左端蓋22通過第四螺釘固定在閥體20上。

支架15與連接板14和閥體20固連，矩形框10焊接在閥芯21上，矩形框10與閥體之間通過第一密封圈密封，矩形框10的中心軸與連接板之間通過第二密封圈密封。支架15上開有安裝槽用來安裝和撐塊16，並限制支撐塊16向右移動，與彈簧座18接觸的支撐塊16將來自彈簧19的壓力傳遞到支架15上，彈簧座18左側安裝有復位彈簧19，以防止在閥體未通油時矩形框10、支撐塊16、彈簧座18以及閥芯21在閥體20內部攢動，並在通油而未通電時為閥芯21提供復位驅動力。

閥芯21、閥體20和左端蓋22配合構成敏感腔g，高壓槽y和低壓孔a的橫截面呈圓形，以降低加工工藝難度。高壓槽y和低壓孔a分別位於直槽f的兩側，且高壓槽和低壓孔a之間的距離與直槽f的寬度相等，直槽f的一端與敏感腔g相通，另一端與高壓槽或低壓孔a相連通，直槽f與高壓槽連通或與低壓孔a連通取決於閥芯的轉動角度，並控制敏感腔g內的壓力。閥芯21的一端在敏感腔g內，另一端在固連在矩形框10上，矩形框由復位彈簧19頂緊，敏感腔g和復位彈簧19是實現開關閥閥芯轉角與軸向直線位移轉換的導控機構。

當電信號未接入時，在閥芯21右側的復位彈簧19受預壓縮變形，為閥芯21提供一個向左的驅動力；在閥芯21左側的敏感腔g內，與敏感腔g連通的直槽f僅與低壓孔a連通，油箱內的低壓油經回油口T、低壓腔m、通道b、低壓孔a和直槽f通入敏感腔g內，敏感腔g內為低壓，閥芯21在右側彈簧力的作用下向左移動，第二臺肩212略微左移，第二臺肩212密封住出油口A靠近進油腔的左側，即出油口A與進油口P堵塞，同時出油口A與回油口T連通，本發明位於零位狀態，即如圖3所示的狀態，此時，此時出油口A與回油口T連通，液壓缸內的低壓油經過出油口A、回油口T流回油箱。

通電時，旋轉電磁鐵6轉動(旋轉電磁鐵6的轉動幅度為21°)，並帶動上撥杆7逆時針轉動，則上撥杆7依此帶動下撥叉8、矩形框10、閥芯21順時針轉動，導致直槽f與低壓孔a錯開，直槽f僅與高壓槽連通，高壓油經過進油口P、高壓腔c、高壓槽y、直槽f流入敏感腔g內，敏感腔g內充滿高壓油，此時此高壓油對閥芯21的正壓力大於復位彈簧19的彈力，閥芯21在此高壓油正壓力與復位彈簧19合力的作用下向右滑動，第二臺肩212略微右移，出油口A的左側失去堵塞並與進油腔連通，即進油口P與出油口A連通，出油口A與回油口T斷開，進油腔內的高壓油經過出油口A流入液壓缸或其他子液壓系統。

反之，當本發明由通電到斷電時，以上變化過程恰好相反。

因此，本發明是閥芯具有雙運動自由度的兩級高速開關閥，本發明利用機械傳動機構驅動閥芯作旋轉運動，實現導閥功能，在油液壓力和復位彈簧彈力的作用下推動閥芯軸向移動，實現閥口的高速啟閉特性。

但摩擦力、液動力、油汙和閥芯閥體加工精度等都會在閥芯轉動的瞬間產生較大的阻力，容易出現液壓「卡滯」現象，為了使本發明不出現液壓「卡滯」現象，傳動機構在啟動瞬間必須具有較大的力矩。

本發明的傳動機構可以實現變力矩，上撥杆7的下半部呈橢圓形，以實現變傳動比，由於旋轉電磁鐵6的轉動幅度為21°，為了方便裝配，以及實現上撥杆7的對稱設計，上撥杆7的初始安裝位置(即零位狀態)偏離上撥杆7與下撥叉8旋轉中心連線10.5°，上撥杆7與下撥叉8之間為線接觸配合，且上撥杆7與下撥叉8分別相交於上下兩接觸點。此時，上接觸點的法線正好經過上撥杆7的旋轉中心，根據「三心定理」，上撥杆7與下撥叉8的相對瞬心重合，傳動機構的瞬時傳動比為無窮大，下撥叉8對上撥杆7的響應相當於一個衝擊響應，輸出力矩很大，足以克服閥芯「卡滯」現象。

隨著上撥杆7的繼續運動，相對瞬心向下撥叉8的轉動中心靠近。由瞬心定理可知，上撥杆7與下撥叉8的傳動比為各自轉動中心到瞬心距離的反比，因此傳動比隨之減小，但足以滿足閥芯21啟動後所需的轉動力矩。

與已有的定傳動比傳動機構相比，本發明的傳動機構在運動初始便會產生無窮大的力矩，以克服2D電液高速開關閥易受摩擦力、液動力、油汙和閥芯閥體加工精度等問題對閥芯產生的液壓「卡滯」現象。

為保證在開關閥的控制器未通電或失效的情況下使得閥芯21仍能處於零位，在水平杆2上安裝上撥叉復位彈簧1，上撥叉復位彈簧1、水平杆2構成上撥叉的限位機構。上撥叉在啟動後會逆時針轉動，並壓迫上撥叉復位彈簧1，當上撥叉轉動到最大位置並停止轉動後，上撥叉和復位彈簧1均處於靜止狀態，當控制器斷電時，上撥叉復位彈簧1驅動上撥叉7復位。

為了提高本發明工作的穩定性，平衡慣性力，需將上撥杆7和第一緊固螺釘5的重心與旋轉電磁鐵6的轉軸的中心重合、矩形框10的中心軸與下撥叉8和第二緊固螺釘9的重心重合。

本說明書實施例所述的內容僅僅是對發明構思的實現形式的列舉，本發明的保護範圍不應當被視為僅限於實施例所陳述的具體形式，本發明的保護範圍也包括本領域技術人員根據本發明構思所能夠想到的等同技術手段。