JP3638286B2 - パイロット操作サーボ弁 - Google Patents

Description

本発明は、４個の主流れポートを有するパイロット操作サーボ弁に関する。
４個の主流れポートを有する二ステージおよび多ステージ設計のパイロット操作電気液圧式サーボ弁は、線形運動用シリンダにおける位置、速度および力または回転運動用液圧モーターにおける位置、回転速度およびトルクを制御するための４方弁として使用される。
これ等は、板堆積弁（plate−stack valve）として従来設計され、即ち、これ等は、液圧ブロックの結合領域上に装着するために多面的な弁ハウジングを有している。該弁の４個の主流れポートは、弁ハウジングの平坦な結合領域内に横たわり、主制御ピストンの制御ボアへのそれ等の開口部は、対称的に設計される。制御チャンバは、両側において弁ハウジング上にフランジ装着される端部キャップ内に配置される。対称的な主制御ピストンは、端部制御チャンバ内のその２つの端面に圧力を加えることによって液圧作動される。
総ての周知のパイロット操作４方サーボ弁は、スプリングセンタ休止位置を有している。大抵の場合では、主制御ピストンは、端部制御チャンバ内に配置されて相互に向って作用する２個の対抗する戻しばねによって中央に位置される。しかしながら、単一のばねによって中央に位置させる方法も周知である。このとき、この単一のバネは、端部ばねチャンバ内で２つのばね板の間にはさまれる。
該片側の／プッリングセンタリング装置を有するパイロット操作４方比例弁は、マンネスマンレックスロス有限会社（Mannesmann Rexroth GmbH）、DE−8770ロールアムマイン（Lohr am Main）（ドイツ国）、によって出版された書籍の「液圧トレーナー（Hydraulic Trainer）第２巻」、第３版1989年、第31頁、第33図に記載されている。該弁の制御チャンバは、弁本体の対向側部にフランジ装着される端部キャップ内に配置される。ドイツ国特許第Ａ−4011908号は、片側のスプリングセンタリングと、反対側に配置される作動ピストンとを有する多方弁（５方）を開示する。両者の弁は、液圧ブロックの結合面に装着される弁ハウジングを有している。
液圧ブロックの結合領域上に装着するための弁ハウジングを有するパイロット操作４方サーボ弁は、高度に空間消費的であり、４個の主流れポートに対する液圧ブロック内の複雑なボアを必要とする。
本発明の下に横たわる問題は、液圧ブロック内に空間節約的な態様で統合可能であって、サーボ弁の良好な動的特性を犠牲にする必要なしに明らかに限定される中心位置を有するパイロット操作サーボ弁を提供することである。
本発明によると、この問題は、請求の範囲第１項に記載のパイロット操作サーボ弁によって解決される。
本発明によるパイロット操作４方サーボ弁は、液圧ブロック内の段付きボア内に直接に装着可能な制御スリーブを有している。この制御スリーブは、液圧ブロック内の第１、第２、第３の横方向作用結合部に対する開口部を有している。対照してみると、第４主流れポートに対する制御スリーブ内の開口部は、この第４主流れポートが制御スリーブにおいて軸方向に終るような態様で制御スリーブの前方端部に配置される。次に、制御スリーブがその中に挿入される液圧ブロックは、第１、第２、第３の主流れポートに対する３つの横方向ブロックボアを有している。しかしながら、第４主流れポートに対するブロックボアの配置に関して最大可能な自由度が存在する。第４主流れポートに対するブロックボアは、例えば制御スリーブに対する段付きボアの直接の軸方向延長部に配置されてもよく、これは、２個よりも多い主ポートを有する従来のパイロット操作サーボ弁の場合に、以前では可能ではなかった。また、個々の主流れポートの間の液圧ブロック内の架橋のための必要性は、排除される。従って、本発明によるサーボ弁は、従来のサーボ弁で可能であるよりも遙かに一層コンパクトな制御ブロックの構造を与える。一層複雑な液圧制御系統でさえも、本発明によるサーボ弁は、種々な付加的な弁、例えば２方組込み型弁を空間節約的な態様で液圧ブロック内に一緒に統合可能である。大きいシリンダのシリンダカバー内への直接の装置は、同様に可能である。
本発明による弁の主制御ピストンは、制御スリーブ内を軸方向へ変位可能である。主制御ピストンの２つの端面の１つは、第４軸方向作用ポートに軸方向に対向する。主制御ピストンの第２端面は、制御スリーブの延長におけるばねチャンバ内で第１ピストン端面に対して静水圧的に作用するピストンの圧力均等化面を形成する。ばねチャンバは、主制御ピストン内の圧力逃がしダクトによって第４主流れポートへ液圧的に結合される。この圧力逃がしダクトは、補助ポートチャンバを第４主流れポートへ同様に結合する。ピストンの双方の持上げ方向において、戻しばねがピストンストロークに比例するばね力でもって制御チャンバ内の液圧作動力に対抗し、圧力無し制御チャンバの場合に主制御ピストン用プレッシャセンタ中心位置を限定するような態様において、戻しばねはばね板を介して主制御ピストンに係合して、ばねチャンバ内にはさまれる。制御器を有するパイロット弁は、２つの制御チャンバへ液圧的に結合される。主制御ピストン用位置変換器は、パイロット弁制御器に対してフィードバック信号を供給する。
本発明による弁では、主制御ピストンの非対称の静水圧の荷重は、主制御ピストンの圧力均等化面の好適な寸法設定によって補償される。この静水圧補償は、主制御ピストンに必要とされる作動力を低減し、その結果、制御チャンバ内の作動面は、一層小さくてもよい。従って、一層小さい制御油量が生じ、即ち、一層短い設定時間が同一の寸法のパイロット弁によって達成される。この主制御ピストンに対する静水圧補償は、双方の持上げ方向における主制御ピストンのスプリングセンタのための片側のみの戻しばねの問題のない使用を同様に可能にする。従って、各持上げ方向に対する同一の信号により、同一の撓みが保証される。その上、主制御ピストンの中心位置は、主制御ピストン上の戻しばねの直接の機械的な作用によって確実に固定される。
サーボ弁のポートは、好ましくは下記のように割当てられる。
第１主流れポートは、消費装置の第１押しのけチャンバへ液圧的に結合され、従って、第１作用ポートＡを形成し、
第２主流れポートは、タンクへ液圧的に結合され、従って、タンクポートＴを形成し、
第３主流れポートは、消費装置の第２押しのけチャンバへ液圧的に結合され、従って、第２作用ポートＢを形成し、
第４主流れポートは、ポンプへ液圧的に結合され、従って、ポンプポートＰを形成する。
この設計では、ポンプポートＰは、制御スリーブ内に軸方向に導入されてもよく、タンクポートＴは、第１、第２の作用ポートの間に配置される。しかしながら、また、主流れポートのその他の割当ては、本発明によるサーボ弁の最も重要な利点の犠牲を必要とすることなく可能である。
一般に、ポンプは、流体圧力源であり、タンクは、有意の逆圧力のない容器または管路であり、消費装置は、２つの押しのけチャンバ（例えば回転または線形の駆動装置）を有する液圧消費装置であることも注意されるべきである。
サーボ弁の好適実施例では、制御端縁は、主制御ピストンのスプリングセンタ中心位置によって下記の位置を占める。
第１軸方向液圧結合部は、第１制御端縁によって閉じられ、
第２軸方向液圧結合部は、開かれ、
第３軸方向液圧結合部は、開かれ、
第４軸方向液圧結合部は、第４制御端縁によって閉じられる。
従って、作用ポートA,Bは、主制御ピストンがスプリングセンタ中心位置にあるときにタンクポートＴへ結合される。換言すれば、結合される消費装置の２つの押しのけチャンバは、主制御ピストンがスプリングセンタ中心位置にあるときに、双方が圧力解放される。この設計では、主制御ピストンの４つの制御端縁は、好ましくはゼロオーバーラップを有している。従って、例えば、優れた位置決め精度は、弁が液圧シリンダの位置制御回路に使用されるときに達成され、優れた動的特性は、弁が圧力制御に使用されるときに達成される。しかしながら、制御端縁のその他の配置も可能である。例えば、総てのポートは、主制御ピストンがスプリングセンタ中心位置にあるときに制御端縁によって閉じられてもよい。
スプリングセンタリングは、好ましくは、次のように設計される。主制御ピストンは、ばねチャンバ内に延長軸を有している。第１、第２のばね板は、この延長軸上を軸方向へ変位可能である。弁が休止位置にあるとき、戻しばねは、主制御ピストン上のストップ領域に向って第１ばね板を押し付け、延長ピストンの自由端上のストップ領域に向って第２ばね板を押し付ける。そして、この休止位置において、双方のばね板がばねチャンバ内に軸方向に当接するような態様にばねチャンバは寸法を定められる。
本発明の例示される実施例は、添付図面に示され、以下、一層詳細に記載される。
第１図は、本発明によるサーボ弁の縦断面を示し、
第２図は、第１図の拡大断面を示す。
第１図では、本発明によるサーボ弁は、符号10によってそのようなものとして示されている。制御スリーブ12は、（単に示される）液圧ブロック16の段付きボア14に挿入されている。制御スリーブ12は、主制御ピストン18がその中を軸方向へ変位可能であるところの、軸方向案内ボアを形成している。
図面に示されるサーボ弁10は、４方サーボ弁であり、ポンプポートＰと、タンクポートＴと、第１作用ポートＡと、第２作用ポートＢとを有している。ポンプポートＰは、圧力管路（図示せず）へ夫々液圧結合されている。タンクポートＴは、圧力無し管路（図示せず）へ液圧結合されている。作用ポートA,Bは、液圧の線形または回転の駆動装置（図示せず）の第１、第２の押しのけチャンバへ夫々液圧結合されている。
タンクポートT22、第１作用ポートA20および第２作用ポートB24に対する液圧ブロック16内の３つのブロックボア22,20,24は、段付きボア14に対して直角に配置され、段付きボア14において横方向に終っている。段付きボア14内の制御スリーブ12は、対応するブロックボア22,20,24の領域において、環状開口部22′,20′,24′を形成している。これ等の開口部22′,20′,24′の各々は、制御スリーブ12の壁を貫通する幾つかの横方向ボア25を有し、ボア25の各々は、主制御ピストン18の案内ボアへの液圧結合を確立している。ポンプポートＰ用第４ブロックボア26は、段付きボア14の同心状延長部に配置されている。制御スリーブ12は、この第４ブロックボア26用前方開口部26′を有している。
制御スリーブ12内の第１軸方向液圧結合部28は、ポンプポートＰ用前方開口部26′を作用ポートＡ用横方向開口部20′へ結合し、第２軸方向液圧結合部30は、タンクポートＴ用開口部22′を作用ポートＡ用開口部20′へ結合し、第３軸方向液圧結合部32は、タンクポートＴ用開口部22′を作用ポートＢ用開口部24′へ結合し、第４軸方向液圧結合部34は、作用ポートＢ用開口部24′を、主制御ピストン18によって制御スリーブ12内に限られる補助チャンバ36に結合している。環状開口部22′,20′,24′の配置により、第２、第３（30,32）の軸方向液圧結合部の間の軸方向距離は、第１、第２（28,30）または第３、第４（32,34）の軸方向液圧結合部の間の夫々の軸方向距離よりも遙かに大きい。
主制御ピストン18は、作用ポートＡに割当てられて第１、第２の軸方向液圧結合部28,30内で軸方向へ変位可能である第１同心状ピストンカラー38と、作用ポートＢに割当られて、第３、第４の軸方向液圧結合部32,34内で軸方向に変位可能である第２同心状ピストンカラー40とを有している。第１ピストンカラー38は、第１液圧結合部28に割当てられる第１制御端縁28′と、第２液圧結合部30に割当てられる第２制御端縁30′とを形成している。双方の制御端縁28′,30′は、ゼロオーバーラップを有している。第２ピストンカラー40は、第３液圧結合部32に割当てられる第３制御端縁32′と、第４液圧結合部34に割当てられる第４制御端縁34′とを形成している。双方の制御端縁32′,34′は、同様にゼロオーバーラップを有している。補助ポートチャンバ36は、制御スリーブ内の主制御ピストン18のまわりの環状囲いを形成している。それは、一側部でピストンカラー40によって、また他の側部でピストンカラー42によって軸方向に密封されている。
補助ポートチャンバ36は、軸方向ピストンボア44と、主制御ピストン18を貫通するピストン交差ボア46とを経てポンプポートＰへ結合されている。従って、主制御ピストンは、その同心状ピストンカラー38を経て第１作用ポートＡと、その同心状ピストンカラー40を経て第２作用ポートＢとを、ポンプポートＰまたはタンクポートＴへ選択的に結合可能であり、液圧流体の夫々の貫通流れは、４つの制御端縁28′,30′,32′,34′によって調節される。
ピストン端面48上の圧力は、非対称静圧荷重を主制御ピストン18上に加える。主制御ピストン上の静圧力を等しくするため、同心状ピストンボア44は、主制御ピストン18の第２端部まで延び、このとき、それは、ピストン交差ボア50を経て圧力均等化チャンバすなわちばねチャンバ52内で終る。弁のこの上側部分は、第２図の拡大断面を参照して一層詳細に記載される。
ばねチャンバ52は、制御スリーブ12の軸方向延長部における弁カバー54内に配置されている。該弁カバー54は、液圧ブロック16上に装着され、制御スリーブ12を段付きボア14内に固定する。主制御ピストン18の第２端部は、インサート56によって軸方向に密封され、ばねチャンバ52に導入され、圧力均等化突起58をその中に形成している。後者は、第１ピストン端面48に静圧的に対抗する圧力均等化面60を圧力均等化チャンバ52内に有している。圧力均等化面60は、ピストン端面48に面積において等しく、従って、ポンプ圧力の完全な静圧均等化が生じる。
主制御ピストン18は、それに取付けられた同心状作動ピストンカラー62を介してその第１または第２の環状作動面64,66上の適当な圧力の付加によって作動される。第１環状制御チャンバ68は、ピストンカラー42と作動面64との間で制御スリーブ内に形成され、第２環状制御チャンバ68は、シールインサート56と作動面66との間で制御スリーブ内に形成される。第１制御チャンバ68は、弁カバー54内のパイロットポート72を経てフランジ装着４方パイロットサーボ弁76の作用ポートＡ′へ結合され、第２制御チャンバ70は、弁カバー54内のパイロットポート74を経て作用ポートＢ′へ結合される。作動面64,66の寸法は、制御端縁28′,32′または30′,34′が溢流されるときに発生される流れ力が確実に克服されるように選択される。従って、制御油量は、極めて小さく、非常に短い修正時間が達成可能である。
ばねチャンバ52内の戻しばね78は、第１、第２のばね板80,82の間に軸方向にはさまれている。延長軸84は、主制御ピストン18の第２端部に強固に結合されている。ばね板80,82は、この軸84上を軸方向へ変位可能である。軸84は、第２ばね板82に対する軸方向ストップ面86をその自由端に有している。第２ピストン端面60は、第１ばね板80に対する軸方向ストップ面を形成する。第２図では、戻しばね78は、第１ばね板80をストップ面60に向って、また第２ばね板82をストップ面86に向って押し付ける。この位置では、第１ばね板80は、シールインサート56においてハウジングに同様に接触し、第２ばね板82は、弁カバー54の軸方向に反対側のストップ面88においてハウジングに接触する。従って、双方のばね板80,82は、ハウジングに接触し、制御ピストン18は、戻しばね78によって反対方向へばね負荷される２つのばね板80,82の間に延長軸84を介してはさまれる。換言すれば、主制御ピストン18は、中心位置としても示されるスプリングセンタ休止位置にある。
主制御ピストン18が第１制御チャンバ68への圧力の導入によってその中心位置からばねチャンバ52に向って移動されれば、戻しばね78は、主制御ピストン18の端部60に対して当接するばねチャンバ52内の第１ばね板80によって圧縮される。従って、それは、この運動に対抗しその係数が主制御ピストン18のストロークに比例するばね力を主制御ピストン18に加える。主制御ピストン18が第２制御チャンバ70への圧力の導入によってその中心位置からポンプポート26に向って移動されれば、延長軸84は、第２ばね板に引張り力を加え、従って、次に、戻しばね78は、ばねチャンバ52内の第２ばね板82によって圧縮される。このばね力は、主制御ピストン18の運動に抗して作用し、その係数は、主制御ピストン18のストロークに比例する。双方の持上げ方向に対して圧縮ばねとして作用する単一の戻しばね78の使用は、主制御ピストン18が双方の方向において正確に同一の復元力にさらされることを保証する。
延長軸84が主制御ピストンにねじ込まれてピン90によって固定されることは、第２図の部分断面から明らかである。軸方向ピストンボア44は、交差ボア46まで延長軸84内で延長される。別の交差ボア92は、主制御ピストン18の端面70の直ぐ上に配置される。この第２交差ボア92の目的は、ばね板80の上下の圧力均等化を保証するためである。第２ばね板82の場合には、この圧力均等化は、ばね板82における孔94によって達成される。
第１図に示されるように、主制御ピストンは、位置変換器96によって位置制御閉回路に統合される。位置変換器96の軸98は、主制御ピストンの延長軸84に機械的に結合される。位置変換器96の出力信号（主制御ピストン18の位置に対応する）は、制御増巾器100における所要の値Ｓに比較され、パイロットサーボ弁76は、所要の値と実際の値との間の測定された差異に比例して作動される。次に、パイロットサーボ弁76は、主ステージの双方の制御チャンバ68,70内の制御油圧を調節し、電気液圧式制御の閉回路が形成されるように戻しばね78の作用に抗してピストンストロークを固定する。
また、第１図は、スプリングセンタ休止位置ないし中心位置における主制御ピストン18を示す。制御端縁28′,30′,32′,34′は、この中心位置において下記の態様で主制御ピストン18上に配置される。即ち、
−第１制御端縁28′は、ポンプポートＰと作用ポートＡとの間の第１液圧結合部28を閉じ、
−第２制御端縁30′は、タンクポートＴと作用ポートＡとの間の第２液圧結合部30を開き、
−第３制御端縁32′は、タンクポートＴと作用ポートＢとの間の第３液圧結合部30を開き、
−第４制御端縁34′は、作用ポートＢと補助ポートチャンバ36との間の第４液圧結合部を閉じ、従って、軸方向ピストンボア44を介する作用ポートＢとポンプポートＰとの間の液圧結合部を除去する。
従って、このスプリングセンタ中心位置では、作用ポートA,Bは、タンクに対して圧力無しに解放される。主制御ピストン18がこの中心位置からポンプポートＰに向って移動されれば、作用ポートＡは、タンクに対して解放されたままである。しかしながら、ポートＢは、補助ポートチャンバ36および軸方向ピストンボア44を経てポンプポートＰへ液圧結合される。他方、主制御ピストン18がこの中心位置からばねチャンバ52に向って移動されれば、作用ポートＢは、タンクに対して解放されたままである。しかしながら、作用ポートＡは、第２制御端縁30′によってタンクに対して閉じられ、第１制御端縁32′を経てポンプポートＰへ液圧結合される。制御圧力が欠乏すれば、主制御ピストン18は、そのスプリングセンタ中心位置を占め、このとき、双方の作用ポートA,Bは、上述のようにタンクに対して解放される。

Claims (7)

1. 主制御ピストン（18）用案内ボアと、
   第４と第１の主流れポート間の案内ボアにおける第１液圧結合部（28）と、
   第１と第２の主流れポート間の案内ボアにおける第２液圧結合部（30）と、
   第２と第３の主流れポート間の案内ボアにおける第３液圧結合部（32）と、第３主流れポートと補助ポートチャンバとの間の案内ボアにおける第４液圧結合部（34）とを有する弁ハウジング（12,54）と；
   流通する流れの制御のために前記第１軸方向液圧結合部（28）へ割当てられる第１制御端縁（28′）と、
   流通する流れの制御のために前記第２軸方向液圧結合部（30）へ割当てられる第２制御端縁（30′）と、
   流通する流れの制御のために前記第３軸方向液圧結合部（32）へ割当てられる第３制御端縁（32′）と、
   流通する流れの制御のために前記第４軸方向液圧結合部（34）へ割当てられる第４制御端縁（34′）とを有し、前記案内ボア内を軸方向へ変位可能である主制御ピストン（18）であって，該主制御ピストン（18）が、前記弁ハウジング内の第１、第２の制御チャンバ（68,70）の限界を定め、第１作動面（64）を第１制御チャンバ（68）内に形成して、第１作動面（64）に軸方向に対向する第２作動面（66）を第２制御チャンバ（70）内に形成する主制御ピストン（18）と；
   主制御ピストン（18）の双方の持上げ方向において、ばね力で主制御ピストンに対抗し、従って、主制御ピストン（18）のスプリングセンタ中心位置を限定する態様で、主制御ピストン（18）に係合し、端部ばねチャンバ（52）内にはさまれる戻しばね（78）と；
   ２つの制御チャンバ（68,70）の少くとも１つへ液圧結合されるパイロット弁（76）と；
   パイロット弁（76）用制御器（100）と；
   主制御ピストン（18）へ結合されて、パイロット弁（76）の制御器（100）用フィードバック信号として、主制御ピストン（18）の位置を供給する位置変換器（96）と
   を備え,4つの主流れポートを持つパイロット操作サーボ弁において，
   液圧ブロック（16）のボア（14）内に軸方向へ挿入可能であって、該ボア（14）内に前記第１、第２、第３の主流れポート用環状開口部（20′,22′,24′）の限界を定める制御スリーブ（12）を弁ハウジングが有し，
   前記第４主流れポート用開口部（26′）が、制御スリーブ（18）の端部において軸方向に配置され，前記主制御ピストン（18）の第１ピストン端面が、該開口部（26′）に軸方向に対向して設置され，
   圧力均等化面（60）が、該主制御ピストン（18）の第２ピストン端面によって前記ばねチャンバ（52）内に形成され，
   圧力逃がしダクト（44）が、主制御ピストン（18）を介してばねチャンバ（52）を第４主流れポートへ液圧結合し、
   圧力均等化面（60）が前記第４主流れポート内の圧力によって負荷され，
   交差ボア（46）が、圧力逃がしダクトを補助ポートチャンバ（36）へ液圧結合することを特徴とするサーボ弁。
2. 請求の範囲第１項に記載の弁において，前記第１主流れポートが、第１作用ポート（Ａ）を形成し，前記第２主流れポートが、タンクポート（Ｔ）を形成し，前記第３主流れポートが、第２作用ポート（Ｂ）を形成し，前記第４主流れポートが、ポンプポート（Ｐ）を形成することを特徴とする弁。
3. 請求の範囲第１項に記載の弁において，前記主制御ピストン（18）がスプリングセンタ中心位置にあるとき、前記制御端縁が、下記の位置を占めるような態様に配置され，前記第１軸方向液圧結合部（28）が、前記第１制御端縁（28′）によって閉じられ，前記第２軸方向液圧結合部（30）が、開かれ，前記第３軸方向液圧結合部（32）が、開かれ，前記第４軸方向液圧結合部（34）が、前記第４制御端縁（34′）によって閉じられることを特徴とする弁。
4. 請求の範囲第１項から第３項のいずれか１項に記載の弁において，前記第１、第２の作動面（64,66）が、環状面であることを特徴とする弁。
5. 請求の範囲第１項から第４項のいずれか１項に記載の弁において，前記ばねチャンバ（52）内の前記主制御ピストン（18）の軸方向延長軸（84）と，該延長軸（84）上を軸方向へ変位可能である第１、第２のばね板（80,82）と，該第１ばね板（80）に対する前記主制御ピストン上の軸方向ストップ面（60）と，前記第２ばね板（82）に対する前記変位軸（84）上の軸方向ストップ面（86）とを備え，前記弁が休止位置にあるとき、前記戻しばね（78）が、前記２つのばね板（80,82）の各々をそのストップ面（60,86）に向って押し付け，前記ばねチャンバ（52）が、該休止位置において双方のばね板（80,82）を該ばねチャンバ内で軸方向に当接させるような態様に寸法を定められていることを特徴とする弁。
6. 請求の範囲第５項に記載の弁において，前記圧力逃がしダクト（44）が、軸方向ボアとして前記延長軸（84）内に導入されて、第１交差ボア（50）を経て前記ばねチャンバ（52）内で終ることを特徴とする弁。
7. 請求の範囲第６項に記載の弁において，前記延長軸（84）が、前記第１ばね板（80）に対する前記第１ストップ面（60）の直ぐ近くに第２交差ボア（92）を有することを特徴とする弁。

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