JP2013190040A - スプールバルブ - Google Patents

Abstract

【課題】 スプールバルブの入力ポートからグルーブ内に流入したオイルの動圧により発生する軸力を補償し、リニアソレノイドによるスプールのストローク位置の制御精度を高める。
【解決手段】 スプール２０の入力ポートＰ４および出力ポートＰ５を連通させるグルーブＧ３が、スプール２０の一端側の第１壁部Ｗ１および他端側の第２壁部Ｗ２を備えるので、入力ポートＰ４からグルーブＧ３内に流入したオイルが第２壁部Ｗ２に衝突することでスプール２０を他端側に付勢する好ましくない軸力Ｆ２が発生するが、第２壁部Ｗ２に衝突して他端側から一端側にＵターンしたオイルが、出力ポートＰ５の第３壁部Ｗ３に案内されて第１壁部Ｗ１に略直角に衝突するため、第１壁部Ｗ１を押圧してスプール２０を一端側に付勢する軸力Ｆ１が発生し、この軸力Ｆ１が前記軸力Ｆ２を相殺することでスプール２０のストローク位置の制御精度を高めることができる。
【選択図】 図５

Description

本発明は、外周面にランドおよびグルーブを形成したスプールと、前記スプールが軸方向摺動自在に嵌合するスプール孔の内周面に複数のポートを形成したバルブハウジングと、前記スプールを駆動するリニアアクチュエータとを備え、前記リニアアクチュエータにより前記スプールのストローク位置を変化させることで、前記ランドおよび前記グルーブにより前記複数のポート間の連通および遮断を制御するスプールバルブに関する。

バルブハウジングに形成した入力ポートおよび出力ポートをスプールに形成したグルーブにより連通させるスプールバルブにおいて、出力ポートおよびグルーブ間に形成された開口部の開度を変化させてオイルの流量を制御する場合、前記開口部の前後の圧力バランスの崩れによりスプールを入力ポート側に付勢する軸力が発生してしまい、この軸力によってリニアソレノイドによるスプールのストローク位置の制御精度に悪影響が及ぶ問題があった。

そこで、スプールのグルーブの出力ポート側の壁部に滑らかに湾曲する窪みを形成することで、入力ポートからグルーブに流入して出力ポート側に流れるオイルを前記窪みで入力ポート側にＵターンさせることで、スプールを出力ポート側に付勢する荷重を発生させて前記好ましくない軸力をキャンセルするものが、下記特許文献１により公知である。

また、かかるスプールバルブにおいて、入力ポートからグルーブに流入したオイルがグルーブの出力ポート側の壁部に衝突すると、そのオイルの動圧によって前記壁部が押圧されてスプールを出力ポート側に付勢する軸力が発生し、この軸力によってリニアソレノイドによるスプールのストローク位置の制御精度に悪影響を及ぼす問題がある。

そこで、スプールに設けられて入力ポートおよび出力ポートを連通させるグルーブを、スプールの外周部の２カ所から径方向内側に向けて円弧状に滑らかに湾曲する形状とすることで、オイルがグルーブの出力ポート側の壁部に強く衝突することを防止し、前記好ましくない軸力の発生を最小限に抑えるものが、下記特許文献２により公知である。

特開平１０−１３２０９６号公報 特開平１１−５１２０８号公報

しかしながら、上記特許文献１および特許文献２に記載されたものは、何れもスプールのグルーブの壁面の形状を工夫しただけであり、グルーブに対向するスプール孔の壁面の形状を工夫していないため、スプールに作用する好ましくない軸力をより効果的に補償する余地があった。

本発明は前述の事情に鑑みてなされたもので、スプールバルブの入力ポートからグルーブ内に流入したオイルの動圧により発生する軸力を補償し、リニアアクチュエータによるスプールのストローク位置の制御精度を高めることを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載された発明によれば、外周面にランドおよびグルーブを形成したスプールと、前記スプールが軸方向摺動自在に嵌合するスプール孔の内周面に複数のポートを形成したバルブハウジングと、前記スプールを駆動するリニアアクチュエータとを備え、前記リニアアクチュエータにより前記スプールのストローク位置を変化させることで、前記ランドおよび前記グルーブにより前記複数のポート間の連通および遮断を制御するスプールバルブにおいて、軸方向一端側に位置する入力ポートおよび軸方向他端側に位置する出力ポートを連通させるグルーブは、前記一端側の第１壁部および前記他端側の第２壁部を備えるとともに、前記出力ポートは前記一端側の第３壁部を備え、前記スプールの外周面から径方向内向きに延びる前記第１壁部は前記他端側に傾斜し、前記スプールの外周面から径方向外向きに延びる前記第３壁部は前記他端側に傾斜し、前記第３壁部の延長面は前記第１壁部に略直角に交差することを特徴とするスプールバルブが提案される。

また請求項２に記載された発明によれば、請求項１の構成に加えて、前記スプールの外周面から径方向内向きに延びる前記第２壁部は前記一端側に傾斜することを特徴とするスプールバルブが提案される。

尚、実施の形態のスリーブ１２は本発明のバルブハウジングに対応し、実施の形態のリニアソレノイド１５は本発明のリニアアクチュエータに対応する。

請求項１の構成によれば、スプールの軸方向一端側に位置する入力ポートおよび軸方向他端側に位置する出力ポートを連通させるグルーブが、一端側の第１壁部および他端側の第２壁部を備えるので、入力ポートから第１壁部に沿ってグルーブ内に流入したオイルが第２壁部に衝突することでスプールを他端側に付勢する好ましくない軸力が発生し、この軸力がリニアアクチュエータによるスプールのストローク位置の制御精度を低下させてしまう。しかしながら、第２壁部に衝突して他端側から一端側にＵターンしたオイルが、出力ポートの第３壁部に案内されて径方向内向きに方向を変えて第１壁部に略直角に衝突するため、第１壁部を押圧してスプールを一端側に付勢する軸力が効率的に発生し、この軸力がスプールを他端側に付勢する前記軸力を相殺することで、スプールのストローク位置の制御精度を高めることができる。

また請求項２の構成によれば、スプールの外周面から径方向内向きに延びる第２壁部がスプールの一端側に傾斜するので、入力ポートからグルーブ内に流入したオイルが第２壁部に衝突したときに、そのオイルを傾斜した第２壁部に沿って径方向外向きにスムーズに案内することで、オイルが第２壁部で塞き止められて発生する好ましくない軸力を最小限に抑えるとともに、第２壁部との衝突によるオイルの流速の減少を抑制して出力ポート側から入力ポート側に向かうオイルのＵターンを促進することができる。

スプールバルブの中立位置での縦断面図。 スプールバルブの駆動位置（フルストローク）での縦断面図。 スプールバルブの回生位置（フルストローク）での縦断面図。 スプールバルブの回生位置（パーシャル）での縦断面図。 図４の５部拡大図。 第３壁部Ｗ３の延長面が第１壁部Ｗ１に交差する角度とスプールの軸力との関係を示すグラフ。

以下、図１〜図６に基づいて本発明の実施の形態を説明する。

図１に示すように、自動車用の油圧ハイブリッドシステムに使用されるスプールバルブＶは、バルブケース１１に形成したスリーブ支持孔１１ａに嵌合する円筒状のスリーブ１２を備えており、スリーブ１２の一端に当接する環状の第１エンドプレート１３の外面を覆うソレノイド支持部材１４が、リニアソレノイド１５と共に複数本のボルト１６…でバルブケース１１の一方の側面に締結され、スリーブ１２の他端に当接する環状の第２エンドプレート１７の外面を覆うカバー部材１８が複数本のボルト１９…でバルブケース１１の他方の側面に締結される。スリーブ１２に形成されたスプール孔１２ａの内部にスプール２０が軸方向摺動可能に嵌合しており、その一端から延びるロッド部２０ａの先端とリニアソレノイド１５の出力ロッド１５ａの先端とが接続される。

スプール２０のロッド部２０ａが貫通するハット状の第１スプリングシート２１がスプール孔１２ａおよび第１エンドプレート１３の内周面に摺動自在に嵌合し、ソレノイド支持部材１４との間に縮設した第１スプリング２２でスプール２０に向けて付勢された第１スプリングシート２１は、そのフランジ部２１ａが第１エンドプレート１３の段部１３ａに当接する位置に停止する。またハット状の第２スプリングシート２３がスプール孔１２ａおよび第２エンドプレート１７の内周面に摺動自在に嵌合し、カバー部材１８との間に縮設した第２スプリング２４でスプール２０に向けて付勢された第２スプリングシート２３は、そのフランジ部２３ａが第２エンドプレート１７の段部１７ａに当接する位置に停止する。

この状態で、スプール２０の両端部は第１スプリングシート２１および第２スプリングシート２３間に挟まれ、スプール２０は中立位置に位置決めされる。リニアソレノイド１５を一方向に励磁して出力ロッド１５ａが前進すると、スプール２０が図１において左動することで、スプール２０に押圧された第２スプリングシート２３は第２スプリング２４を圧縮しながら左動する。この位置を駆動位置（図２参照）と呼ぶ。またリニアソレノイド１５を他方向に励磁して出力ロッド１５ａが後退すると、スプール２０が図１において右動することで、スプール２０に押圧された第１スプリングシート２１は第１スプリング２２を圧縮しながら右動する。この位置を回生位置（図３参照）と呼ぶ。

リニアソレノイド１５は出力ロッド１５ａを任意の位置に前進あるいは後退させることができるため、スプール２０は任意の駆動位置にストロークすることが可能であり、かつ任意の回生位置にストロークすることが可能である。図２および図３はそれぞれ駆動側および回生側のフルストローク状態を示している。

スリーブ１２のスプール孔１２ａの内周面には、その右端側から左端側に向かって環状の第１ポートＰ１〜第７ポートＰ７が順次形成される。またスプール２０の外周面には、その右端側から左端側に向かって大径の第１ランドＬ１〜第５ランドＬ５が順次形成されるとともに、第１ランドＬ１〜第５ランドＬ５間に挟まれた小径の第１グルーブＧ１〜第４グルーブＧ４が順次形成される。第１ランドＬ１〜第５ランドＬ５の外径はスプール孔１２ａの内径と同一であり、第１ランドＬ１〜第５ランドＬ５の外周面がスプール孔１２ａに内周面に当接する位置では、オイルが通過不能にシールされる。

図１に示すように、第１ポートＰ１および第７ポートＰ７はそれぞれ油路２５Ａ，２５Ｂを介してオイルタンク２６に連通し、第２ポートＰ２は油路２５Ｃを介してポンプ・モータ２７の吐出側に連通し、第６ポートＰ６は油路２５Ｄを介してポンプ・モータ２７の吸入側に連通し、第３ポートＰ３は油路２５Ｅを介して前記油路２５Ｄに連通し、第４ポートＰ４は油路２５Ｆ、チェックバルブ２８および油路２５Ｇを介して前記油路２５Ｃに連通し、第５ポートＰ５は油路２５Ｈを介してアキュムレータ２９に連通する。

ポンプ・モータ２７は油圧ハイブリッドシステムを搭載した自動車のエンジンのクランクシャフトに無端ベルトおよび電磁クラッチを介して接続されており、駆動状態では、アキュムレータ２９に蓄圧した油圧でポンプ・モータ２７がモータとして機能し、例えばエンジンの駆動力をアシストする駆動力を発生する。回生状態では、駆動輪から逆伝達される駆動力でポンプ・モータ２７がポンプとして機能し、オイルを加圧してリザーバ２９に蓄圧する。中立状態では、ポンプ・モータ２７はポンプとして無負荷状態で空転する。

図２はスプール２０が左方向にフルストロークした駆動位置を示しており、第１グルーブＧ１によって第１ポートＰ１および第２ポートＰ２が連通し、第２グルーブＧ２によって第３ポートＰ３および第４ポートＰ４が連通し、第３グルーブＧ３によって第５ポートＰ５および第６ポートＰ６が連通し、残りの第７ポートＰ７は第４ランドＬ４によって他のポートとの連通を遮断される。

その結果、アキュムレータ２９に蓄圧した油圧が油路２５Ｈ→第５ポートＰ５→第３グルーブＧ→第６ポートＰ６→油路２５Ｄ→ポンプ・モータ２７→油路２５Ｃ→第２ポートＰ２→第１グルーブＧ１→第１ポートＰ１→油路２５Ａ→オイルタンク２６の経路で流れ、アキュムレータ２９に蓄圧した油圧でポンプ・モータ２７をモータとして駆動することで、走行用の駆動力を発生させたり、エンジンの駆動力をアシストしたり、エンジンをクランキングしたりすることができる。何らかの理由でポンプ・モータ２７の下流側の油路２５Ｃの油圧が上流側の油路２５Ｄの油圧よりも高くなると、下流側の油路２５Ｃから、油路２５Ｇ→チェックバルブ２８→油路２５Ｆ→第４ポートＰ４→第２グルーブＧ２→第３ポートＰ３→油路２５Ｅの経路で、上流側の油路２５Ｄへとオイルが還流する。

また図３はスプール２０が右方向にフルストロークした回生位置を示しており、第３グルーブＧ３によって第４ポートＰ４および第５ポートＰ５が連通し、第４グルーブＧ４によって第６ポートＰ６および第７ポートＰ７が連通し、残りの第１ポートＰ１、第２ポートＰ２および第３ポートＰ３は第２ランドＬ２および第３ランドＬ３によって他のポートとの連通を遮断される。

その結果、駆動輪から逆伝達される駆動力でポンプ・モータ２７をポンプとして駆動することで、オイルタンク２６のオイルが油路２５Ｂ→第７ポートＰ７→第４グルーブＧ４→第６ポートＰ６→油路２５Ｄ→ポンプ・モータ２７→油路２５Ｃ→油路２５Ｇ→チェックバルブ２８→油路２５Ｆ→第４ポートＰ４→第３グルーブＧ３→第５ポートＰ５→油路２５Ｈ→アキュムレータ２９の経路で流れ、加圧したオイルをアキュムレータ２９に蓄圧し、減速時に車体の運動エネルギーを回収することができる。

図１に示す中立位置では、第１グルーブＧ１によって第１ポートＰ１および第２ポートＰ２が連通し、第４グルーブＧ４によって第６ポートＰ６および第７ポートＰ７が連通し、残りの第３ポートＰ３、第４ポートＰ４および第５ポートＰ５は第２ランドＬ２、第３ランドＬ３および第４ランドＬ４によって他のポートとの連通を遮断される。

その結果、駆動輪から逆伝達される駆動力でポンプ・モータ２７がポンプとして機能するときに、ポンプ・モータ２７が吐出するオイルを、油路２５Ｃ→第２ポートＰ２→第１グルーブＧ１→第１ポートＰ１→油路２５Ａ→油路２５Ｂ→第７ポートＰ７→第４グルーブＧ４→第６ポートＰ６→油路２５Ｄ→ポンプ・モータ２７の経路で循環させ、ポンプ・モータ２７を無負荷状態で運転することができる。

図４はスプール２０が中立位置からフルストロークの回生位置に向けて右動する途中で、それまで第３ランドＬ３によって閉じられていた第４ポートＰ４が開き、入力ポートである第４ポートＰ４が第３グルーブＧ３を介して出力ポートである第５ポートＰ５に連通した瞬間を示している。図５は図４の５部拡大図であって、そこには第３グルーブＧ３および第５ポートＰ５の詳細な形状が示される。

第３グルーブＧ３は、第４ポートＰ４側の第１壁部Ｗ１と、第５ポートＰ５側の第２壁部Ｗ２とを備えており、第１壁部Ｗ１および第２壁部Ｗ２の間にはスプール２０の軸方向に延びる第４壁部Ｗ４が形成される。スプール２０の外周面から径方向内向きに延びる第３グルーブＧ３の第１壁部Ｗ１は、スプール２０の軸方向に対して鋭角θ１（例えば、６９°）を成すように第５ポートＰ５に向けて傾斜している。またスプール２０の外周面から径方向内向きに延びる第３グルーブＧ３の第２壁部Ｗ２は、スプール２０の軸方向に対して鋭角θ２を成すように第４ポートＰ４に向けて傾斜している。

第５ポートＰ５は第５壁部Ｗ５および第３壁部Ｗ３を有して軸方向に長く形成され、その端部は第４ポートＰ４の近傍に達している。第４ポートＰ４から遠い第５壁部Ｗ５はスプール２０の軸方向に延びているが、第４ポートＰ４に近い第３壁部Ｗ３は、スプール２０の外周面から径方向外向きに、かつスプール２０の軸方向に対して鋭角θ３を成すように第４ポートＰ４から離反する方向に傾斜している。第３壁部Ｗ３の延長面は、第１壁部Ｗ１に対して９０°の交差角度αで交差する。

図１に示す中立状態から図３に示す回生状態に向けてリニアソレノイド１５によってスプール２０を右動すると、図５に示すように、その過程で第３グルーブＧ３の第１壁部Ｗ１が第４ポートＰ４のエッジ３０を通過した瞬間に、第３グルーブＧ３が第４ポートＰ４に連通する。このとき、第３グルーブＧ３は既に第５ポートＰ５に連通しているため、第４ポートＰ４および第３グルーブＧ３間に形成された開口部３１を通して、高圧の第４ポートＰ４から低圧の第３グルーブＧ３の内部にオイルが噴出する。

第３グルーブＧ３に流入したオイルは、軸方向に対して角度θ１で傾斜する第１壁部Ｗ１に沿って径方向内向きに流れ、次に第４壁部Ｐ４に沿って軸方向に流れ、更に軸方向に対して角度θ２で傾斜する第２壁部Ｗ２に沿って径方向外側に流れた後、その一部が第５ポートＰ５から油路２５Ｈに排出される。第５ポートＰ５から油路２５Ｈに排出されなかったオイルの残部は流れの方向を反転し、第５ポートＰ５の第５壁部Ｗ５に沿って軸方向に流れた後、軸方向に対して角度θ３で傾斜する第３壁部Ｗ３に沿って径方向内側に流れ、スプール２の第３グルーブＧ３の第１壁部Ｗ１に略直角の交差角度αで衝突する。

上述したように、第４ポートＰ４の開口部３１から第３グルーブＧ３に流入したオイルは、第３グルーブＧ３の内部で第１壁部Ｗ１、第４壁部Ｗ４、第２壁部Ｗ２、第５壁部Ｗ５および第３壁部Ｗ３に沿って循環する。第４壁部Ｗ４に沿って軸方向に流れるオイルが第２壁部Ｗ２に衝突すると、オイルの流れが塞き止められて第２壁部Ｗ２に荷重Ｆ２が発生し、その荷重Ｆ２の軸線方向の成分である軸力Ｆ２′がスプール２０を軸方向左側に付勢する。しかしながら、第２壁部Ｗ２は軸方向に対して角度θ２で傾斜しており、第２壁部Ｗ２に衝突するオイルの動圧の一部だけが失われるので、第２壁部Ｗ２が軸方向に対して直交する場合に比べて、前記軸力Ｆ２′を低減することができ、しかもオイルの流速を保ったまま第５ポートＰ５に案内することができる。

第５ポートＰ５の第５壁部Ｗ５に沿って第４ポートＰ４に向かって軸方向に流れるオイルは第３壁部Ｗ３に案内されて径方向内向きに方向を変え、第３グルーブＧ３の第１壁部Ｗ１に略直角の交差角度αで衝突するため、オイルの動圧の大部分が静圧に変換されて第１壁部Ｗ１を荷重Ｆ１で押圧し、その荷重Ｆ１の軸線方向の成分である軸力Ｆ１′がスプール２０を軸方向右側に付勢する。

図６は、第３壁部Ｗ３の延長面が第１壁部Ｗ１に交差する交差角度αとスプール２０に作用するトータルの軸力との関係を示すグラフである。交差角度α＝９０°において軸力が最小値となり、交差角度α＝８０°〜１２０°の範囲で軸力が顕著に低減することが分かる。

以上のように、第２壁部Ｗ２を傾斜させることでスプール２０の軸方向左向きの軸力Ｆ２′を減少させることができ、しかも第１壁部Ｗ１および第３壁部Ｗ３を傾斜させて略直交させることで軸方向右向きの軸力Ｆ１′を発生させるので、スプール２０のストローク位置の制御精度を高める上で好ましくない左向きの軸力Ｆ２′を右向きの軸力Ｆ１′で相殺することができる。これにより、スプール２０に作用する望ましくない軸力を低減し、リニアソレノイド１５によるスプール２０のストローク位置の制御精度を高めることができる。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更を行うことが可能である。

例えば、本発明のスプールバルブの用途は油圧ハイブリッドシステムに限定されるものではない。

また実施の形態では第３壁部Ｗ３の延長面が第１壁部Ｗ１に対して９０°の交差角度αで交差しているが、前記交差角度αは９０°に限定されず、略直角の範囲（８０°≦α≦１２０°）であれば良い。

また本発明のリニアアクチュエータは実施の形態のリニアソレノイド１５に限定されず、リニアモータやボールねじであっても良い。

１２ スリーブ（バルブハウジング）
１２ａ スプール孔
１５ リニアソレノイド（リニアアクチュエータ）
２０ スプール
Ｌ１〜Ｌ５ ランド
Ｇ１〜Ｇ４ グルーブ
Ｐ１〜Ｐ７ ポート
Ｗ１ 第１壁部
Ｗ２ 第２壁部
Ｗ３ 第３壁部

Claims (2)

1. 外周面にランド（Ｌ１〜Ｌ５）およびグルーブ（Ｇ１〜Ｇ４）を形成したスプール（２０）と、前記スプール（２０）が軸方向摺動自在に嵌合するスプール孔（１２ａ）の内周面に複数のポート（Ｐ１〜Ｐ７）を形成したバルブハウジング（１２）と、前記スプール（２０）を駆動するリニアアクチュエータ（１５）とを備え、前記リニアアクチュエータ（１５）により前記スプール（２０）のストローク位置を変化させることで、前記ランド（Ｌ１〜Ｌ５）および前記グルーブ（Ｇ１〜Ｇ４）により前記複数のポート（Ｐ１〜Ｐ７）間の連通および遮断を制御するスプールバルブにおいて、
   軸方向一端側に位置する入力ポート（Ｐ４）および軸方向他端側に位置する出力ポート（Ｐ５）を連通させるグルーブ（Ｇ３）は、前記一端側の第１壁部（Ｗ１）および前記他端側の第２壁部（Ｗ２）を備えるとともに、前記出力ポート（Ｐ５）は前記一端側の第３壁部（Ｗ３）を備え、
   前記スプール（２０）の外周面から径方向内向きに延びる前記第１壁部（Ｗ１）は前記他端側に傾斜し、前記スプール（２０）の外周面から径方向外向きに延びる前記第３壁部（Ｗ３）は前記他端側に傾斜し、前記第３壁部（Ｗ３）の延長面は前記第１壁部（Ｗ１）に略直角に交差することを特徴とするスプールバルブ。
2. 前記スプール（２０）の外周面から径方向内向きに延びる前記第２壁部（Ｗ２）は前記一端側に傾斜することを特徴とする、請求項１に記載のスプールバルブ。

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