用于涡轮增压器的可变几何构件的线性致动器以及包括该线性致动器的涡轮增压器

摘要

本发明涉及用于涡轮增压器的可变几何构件的线性致动器以及包括该线性致动器的涡轮增压器。具体地，一种用于涡轮增压器的可变几何构件的线性致动器包括能够轴向平移且也能在有限程度内枢转的活塞/杆组件。永磁体安装在致动器内的固定位置。非磁化通量载体安装在活塞/杆组件内，并且其运动改变磁体的磁场。霍尔效应传感器探测磁场，并且传感器所产生的信号被用于确定活塞/杆组件的轴向位置。

说明书

技术领域

本公开涉及具有用于调节通过涡轮机的排气流量的可变几何构件的排气驱动涡轮增压器。本公开具体地涉及一种用于引起可变几何构件的运动的线性致动器。 

背景技术

用于内燃发动机的涡轮增压器通常包括一些类型的可变几何构件来调节通过涡轮机的排气流量，以便对于涡轮增压器提供给发动机的增压的量提供较大程度的控制。这种可变几何构件可以包括可变叶片装置、废气门、滑动活塞等。 

线性致动器经常用于提供原动力以使涡轮增压器可变几何构件运动。致动器的致动器杆或轴机械地联接到可变几何构件。这种线性致动器的例子包括通过来自发动机进气系统的真空来操作的气动致动器。 

为了精确控制可变几何构件的位置，通常，传感器组件被包括在线性致动器中，用于感测致动器杆沿着致动器杆的名义移位路径的位置。一种传感器组件包括永磁体和霍尔效应传感器。磁体被容纳在致动器的可移动部件内，该可移动部件使致动器杆运动。传感器布置在致动器的固定部件中，接近磁体。致动器杆的名义移位路径通常与致动器杆的纵轴线重合。然而，致动器杆的实际运动通常不是沿着杆的纵轴线的纯平移，而是还包括绕着不平行于纵轴线的一个或多个轴线的杆的一些旋转量。致动器杆的此复杂运动使传感器组件对致动器杆位置的精确感测变得困难。 

其他人已经尝试通过提供用于致动器杆的导向结构来解决此问题。导向结构围绕和接触致动器杆且将其约束成绕着接近传感器的固定枢转点枢转。磁体被包含在邻近传感器的所述杆的一部分中。这种布置的目的是保持磁体和传感器之间的径向间距恒定，而不论杆是否纯粹地平移或经历复杂的平移和旋转运动。 

发明内容

本公开涉及用于涡轮增压器的可变几何构件的真空操作的线性致动器。根据本文所述的一个实施例，用于内燃发动机的涡轮增压器包括安装在公共轴上的压缩机轮和涡轮机轮，所述压缩机轮布置在压缩机壳体内并且所述涡轮机轮布置在涡轮机壳体内，所述涡轮机壳体限定用于接收排气、向所述涡轮机轮引导排气并从所述涡轮机壳体排出排气的通道。涡轮增压器进一步包括可变几何构件和真空操作的线性致动器，所述可变几何构件可操作以调节通过所述涡轮机壳体的排气流量，所述线性致动器与所述可变几何构件联接并且可操作以引起所述可变几何构件的运动。 

所述线性致动器包括具有沿轴向方向间隔开的第一端壁和相对的第二端壁的封罩以及在所述封罩内的柔性隔膜，所述封罩和隔膜协作以限定能够支持横跨所述隔膜的流体压力差的内室。金属的大致杯状活塞具有连接到所述隔膜的底壁和从所述底壁大致朝向所述封罩的第一端壁延伸的侧壁。弹簧接合在所述封罩的第一端壁和所述活塞之间以便沿着与所述隔膜上的流体压力差相反的方向偏置所述活塞和所述隔膜。致动器杆连接到所述活塞和所述隔膜并且大致轴向地延伸且穿透所述封罩的第二壁。 

所述致动器进一步包括传感器组件，所述传感器组件包括相对于所述封罩且接近所述封罩的第一端壁各自固定地安装的永磁体和传感器，以及安装在所述活塞上的非磁化金属通量修改器。所述通量修改器可被容纳在大致圆筒形载体中，所述载体在接近所述第一端壁的近端至接近所述活塞的远端之间大致轴向地延伸。所述隔膜和活塞的运动导致所述载体和容纳在其内的所述通量修改器的运动，并且所述通量修改器的运动引起所述磁体的磁场的变化。所述磁场的该变化被所述传感器感测，所述传感器产生指示所述磁场的输出信号。 

滑动枢转轴承安装在所述封罩的第一端壁处并且接收所述载体，所述滑动枢转轴承允许所述载体轴向地移动和相对于所述封罩枢转。所述载体被关节接头连接到所述活塞的底壁，所述关节接头允许所述载体相对于所述活塞的枢转运动使得所述活塞相对于轴向方向的给定量的角失准(angular misalignment)导致所述载体相对于轴向方向的较少量的角失准。 

替代地，所述通量修改器不是必须容纳在大致圆筒形载体内。 

所述传感器可以包括霍尔效应传感器。 

在一个实施例中，载体和活塞之间的关节接头包括附着到活塞底壁且限定承窝的承窝构件以及被接收在承窝中的载体的端部，所述承窝呈现大致球形构造的内壁部分，所述端部呈现大致球形构造的表面，与所述承窝的内壁部分接合。 

在一个实施例中，致动器包括附着到活塞底壁的压接构件，所述承窝构件被压接构件压接。 

在一个实施例中，致动器杆的端部延伸进入承窝的内部，并且致动器包括布置在致动器杆的端部和载体的表面之间的弹性偏置构件，所述偏置构件在载体上施加大致轴向的预载荷。 

替代地，所述通量修改器可以通过柔性构件连接到活塞，所述柔性构件弯曲以允许通量修改器相对于活塞枢转。 

附图说明

已经在总体上描述了本公开，现在将参照附图，附图不必按比例绘制且附图中： 

图1是根据本发明一个实施例的涡轮增压器和致动器的剖视图； 

图2是根据本发明一个实施例的在相对伸出位置的致动器的剖视图； 

图3是在相对伸出位置的致动器的剖视图(为了清楚起见，除去了螺旋弹簧和隔膜)，其中，致动器杆和相关联的部件已经相对于致动器的轴向方向枢转了5度； 

图4是与图3相似的视图，其中，致动器在部分缩回位置； 

图5是与图3相似的视图，其中，致动器在进一步缩回的位置，其中，致动器杆和相关联的部件已经相对于致动器的轴向方向枢转了3度；并且 

图6示出了根据进一步实施例的通量修改器和柔性附件装置的组件。 

具体实施方式

现在将参照附图在后文更全面地描述涡轮增压器和致动器，附图中示出了一些但不是所有可能的实施例。事实上，涡轮增压器和致动器可以以多种不同方式实施且不应被认为限于本文描述的实施例；相反，提供这些实施例以使本 公开满足可应用的法律要求。贯通全文，相同的附图标记指代相同的元件。 

图1示出了根据一个实施例的涡轮增压器和致动器。涡轮增压器包括安装在压缩机壳体22内的压缩机轮20和安装在涡轮机壳体32内的涡轮机轮30。压缩机轮和涡轮机轮安装在轴34的相对的端部上，轴34被支撑在安装于中心壳体42内的轴承中。压缩机壳体22被紧固到中心壳体42的一侧并且涡轮机壳体32被紧固到中心壳体的另一侧。来自发动机的排气供给到涡轮机壳体内的入口中，进入围绕涡轮机轮30的涡卷38。排气通过可变喷嘴50被从涡卷38供给到涡轮机轮30。在所示实施例中，可变喷嘴50包括可变叶片51，可通过协调环52绕其轴线的旋转来改变可变叶片51的设置角，该轴线基本上与涡轮机轮30的旋转轴线重合。 

协调环52通过被线性致动器60操作的机械联动装置(在图1中不可见)而旋转。致动器60包括从致动器突出且以适当方式与机械联动装置相联接的致动器杆62。根据涡轮增压器及其可变几何构件的具体设计，将致动器联接到涡轮机的可变几何构件的细节在涡轮增压器之间可变化。这是涡轮增压器领域的普通技术人员熟知的，并且因此不需要在此详细描述。 

本公开具体地涉及致动器60的设计，因此，本说明书将会聚焦于致动器。图2示出了根据一个实施例的致动器60的剖面图。广义地，致动器包括固定部分和可移动部分，固定部分包括封罩或壳体70，可移动部分包括隔膜80、杯状构件或活塞90、螺旋弹簧100和致动器杆62。壳体70由两个大致杯状部件72和74制成，部件72和74开放端对开放端地彼此连接以形成封罩。壳体具有由部件72形成的第一端壁73和由部件74形成的相对的第二端壁75。隔膜80是流体不可透的柔性和弹性材料片，例如橡胶或橡胶状材料。隔膜的外围被以流体密封方式捕获在两个壳体部件72和74之间，使得隔膜把壳体的内部分隔为上室和下室(相对于图2所示的取向)。上室关于大气密封，而下室与大气通风。壳体70例如通过螺栓76附接到支架(未示出)，支架进而通过螺栓附接到涡轮增压器的固定壳体结构之一。 

致动器的杯状活塞90布置成其封闭的底壁抵靠隔膜80的上表面并且其开放端面向上方。螺旋弹簧100布置成相对于活塞90是基本同心的并且其一端接合抵靠活塞90底壁且其相对端接合抵靠上壳体部件72的内表面(不过，螺旋弹簧的接合壳体部件72的卷匝在图2的剖面图中不可见)。 

致动器包括延伸到壳体70的上室中的流体通道78，流体(典型地空气)可以通过该流体通道78从上室排出或供给到上室中。当通过流体通道被抽真空时，上室被部分地抽空以在上室中产生真空。由于在隔膜80另一侧上的下室是与大气相通的，所以流体压差横跨存在于隔膜上，促使隔膜和活塞90向上从而压缩弹簧100。活塞90所移动到的位置取决于相对于弹簧力的真空度。致动器杆62的一端连接到活塞90，因此其随着活塞移动。杆62的另一端联接到涡轮机的可变几何构件，使得杆62在一个方向或另一个方向上(由施加到致动器室上的真空量来调节)的线性移动导致可变几何构件的移动。 

致动器杆62穿过环状万向节(gimbal)120，环状万向节120位于封罩70的第二端壁75附近。万向节将杆的处于万向节内的部分保持成相对于致动器壳体大致居中，但是允许杆经历绕着横向于杆的纵轴线的轴线的一定程度枢转。该枢转能力是有必要的，因为作为杆62的远端所连接到的可变几何机构的特性的结果，一些涡轮增压器中的杆62将不是平行于其纵轴线进行纯粹的平移，而是会经历复杂运动，该复杂运动主要由平行于纵轴线的平移分量组成，但还包括绕不平行于杆的纵轴线的至少一个轴线的次级旋转分量。致动器杆62的该复杂运动还被传递到活塞90，这是因为它们之间的基本刚性连接。这进而使致动器位置的精确感测变得困难，如下面进一步描述的。 

致动器60还包括传感器组件130，用于感测致动器杆62沿致动器(图2)的名义纵轴线A的位置。传感器组件130包括永磁体132、传感器134和通量修改器136。传感器组件130包括用于接收插头(未示出)的插座部分140。插座部分140容纳导电插针142，导电插针142电连接到传感器134。插头包括插孔，所述插孔分别接收插针142，并且插头的导体将插针上的信号传输到处理器(例如车辆ECU，未示出)，处理器对信号进行处理以从该信号确定致动器位置。 

传感器134可以是霍尔效应传感器等。通量修改器136是非磁化金属构件，其具有大致杆状构造。通量修改器被容纳在大致圆筒形载体138中。载体可以是非金属的(例如塑料)，并且具有接近第一端壁73和传感器134的上端或近端以及远离传感器且更靠近第二端壁75的相对的下端或远端。磁体132是环状磁体且容纳在位于第一端壁73附近的环形滑动枢转轴承150的壳体内。滑动枢转轴承150限定通道152，通道152的尺寸设置成以足够的径向间隙来接收载体138以允许载体自由地轴向移动以及在有限的程度上枢转。为此，由轴承150 的通道152限定的轴承表面可以具有这样的形状，该形状通过使圆弧(其在径向向内方向上是凸的)沿着关于通道152的中心纵轴线的圆形路径旋转来描述，从而产生回转面。换言之，限定通道152的表面具有圆环面的径向内表面的形状。然而，该形状不是必须为精确的环面，而是可以使用许多变体，只要载体138能够自由地轴向平移和枢转，如下面进一步说明的。 

载体138的下端或远端通过关节接头160连接到活塞90的底壁。关节接头160由承窝构件162和载体138的放大端部139形成，承窝构件162附着到活塞90的底壁并限定承窝(socket)，放大端部139被接收在该承窝内。承窝呈现大致球形构造的内壁部分(或更确切地，通常构造为空心球的内表面)，并且端部139呈现与承窝的内壁部分接合的大致球形构造的表面。到承窝中的开口的直径小于端部139但显著地大于载体138的大致圆筒形部分。因此，载体138的端部139能够相对于承窝构件162枢转或旋转，以及在承窝构件162中的载体延伸穿过的开口的尺寸所设置的界限内能够经历相对于承窝构件的侧向移动。载体138和承窝构件162实际上形成了球窝接头160。 

压接环164或类似物被压接到承窝构件162上。压接环164刚性地附着到活塞90的底壁，并且致动器杆62也刚性地附着到活塞90。杆62的端部延伸进入由承窝构件162限定的承窝内。弹性偏置构件166设置在杆的该端和载体138之间。偏置构件166实质上是塞子，该塞子塞住空心圆筒形载体138的开放端并且接合容纳在其内的通量修改器136，从而将通量修改器保持在载体内的固定位置。偏置构件还沿着图2中的向上方向在载体上施加大致轴向的预载荷。 

致动器杆62、活塞90、压接环164和承窝构件162共同形成一组件，该组件能够轴向移动并且还能相对于致动器的封罩70和其它固定部件枢转。理想地，当致动器使致动器杆62伸出和缩回时，该活塞/杆组件可以经历纯平移，但是如前面记载的，杆62和可变几何构件之间的连接被致动的机制可以使得杆62在致动期间被迫一定程度地枢转。这例如在图3至图5中描述。图3示出了在相对伸出位置(即活塞90定位成邻近端壁75，并且弹簧相对地未被压缩，为了清楚，从图3中去除了弹簧)的致动器。活塞/杆组件已经相对于致动器轴线A枢转了5度。万向节120允许该枢转，但是因为万向节与致动器杆62连接到活塞90的点轴向地间隔开，所以杆62的枢转导致活塞90沿圆弧移动，该圆弧的中心由万向节限定。因此，活塞90相对于轴向倾斜5度并且还移动得更靠近封罩 70的一个侧壁。这进而导致承窝构件162移动成偏心并且枢转，承窝构件和载体138之间的关节接头以这样方式允许该运动，使得载体138枢转比活塞/杆组件所枢转的5度小得多的程度。 

载体138的枢转量主要取决于活塞/杆组件的枢转量和载体138的轴向位置。当载体138缩回(即在图2至图5中向上运动)时，活塞/杆组件的给定的枢转量引起载体的枢转量增加。这是因为载体绕滑动枢转轴承150枢转，并且载体的缩回使载体的端部139沿着移动的圆弧路径的半径减小。因此，对于载体的端部139的给定的侧向移动量，载体缩回越多，则载体枢转越多(例如比较图3和图5)。然而，相对于不具有接头的情况，关节接头160显著地减少了载体的枢转量。因此，载体138能够沿相对轴向的路径移动，仅仅相对小量的枢转运动叠加到大致轴向的运动上。这有益于传感器组件130进行的位置感测的精度。 

当致动器被操作以使活塞/杆组件伸出或缩回时，容纳在载体138中的通量修改器136轴向地移动并且还相对小程度地枢转。通量修改器136的轴向运动引起磁体132的磁场变化。磁场中的该变化被传感器134感测，传感器134产生指示磁场的电信号。磁场的特性与通量修改器的轴向位置相关。如此，可基于来自传感器134的信号来确定通量修改器的轴向位置并从而确定杆62的轴向位置。 

得益于在前面的说明和相关附图中呈现的教导，本发明所属技术领域的技术人员将会了解本文陈述的本发明的许多修改和其它实施例。例如，已经描述了致动器的一个实施例，其中，具有将载体138连接到活塞90的关节接头160，该接头实质上包括球接头。然而，还有其它方式来实施此类接头，并且本发明不限于任何具体实施方式。例如，图6示出了一组件，其中，通量修改器136未被容纳在大致圆筒形载体内。通量修改器136的远端紧固到柔性构件170，柔性构件170可以例如是柔性塑料材料。柔性构件170进而紧固到实质刚性构件172，实质刚性构件172可以例如是刚性塑料材料。构件172可以用适当的方式附着到活塞。柔性构件170能够弯曲并且允许通量修改器136相对于构件172和活塞枢转。 

如图6所示，柔性构件172相较于通量修改器是相对短的，使得通量修改器长度的大部分不被柔性构件容纳。然而，替代地，如果需要，柔性构件可以更长以容纳通量修改器的长度的大部分或全部。 

此外，将通量修改器连接到活塞的柔性构件可以包括合适类型的弹簧，而非柔性塑料构件。 

也可以进行对于上述具体实施例的其它修改。因此，应当明白的是本发明不限于所公开的具体实施例并且修改及其它实施例意图被包括在所附权利要求的范围中。虽然本文使用了特定术语，但是它们仅仅用在一般性的和叙述性的情况下而非用于限制的目的。