JP4312390B2 - 比例圧力調整弁 - Google Patents

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Description

【0001】
本発明は減圧機能と圧力保持機能を有する比例圧力調整弁に関する。弁はおおむね入口及び出口を有する弁箱と、絞りギャップの開閉のための制御要素と、接極子軸を有し、制御要素と比例磁石を連結する接極子棒とからなり、比例磁石は磁鉄心、接極子及び電磁コイルからなる。接極子は磁力により2つの末端位置の間で接極子軸の方向に往復動することができ、第1の末端位置は接極子の保持位置に相当する。即ち接極子は制御要素をこの位置に保持する。
【0002】
上記の構造の弁は先行技術により多方面で知られており、例えば自動車自動変速機のクラッチの制御のための直接制御弁として使用される。この種の変速機では主油圧(又はシステム圧力とも呼ばれる)は例えば商用車の場合約24バールである。この主圧は通常、減圧弁によってパイロット圧力まで減圧され、比例圧力調整弁にもこのパイロット圧力が作用する。例えばクラッチを連結の後に連結状態に保つために、ほぼシステム圧力に相当する安全余裕圧力をクラッチシリンダに送り、例えば補助保持弁により維持するのが普通である。こうして例えば自動変速機のクラッチの操作のために通常3個に及ぶ弁、即ち比例圧力調整弁、減圧弁及び圧力保持弁が必要である。
【0003】
本発明の課題は、上記の機能を遂行し、しかも例えば少ない部品でより簡単な構造を有し、従ってより安価に製造することができる弁を提示することである。
【0004】
本発明に基づきこの課題は、上記の構造の比例圧力調整弁において保持位置の接極子と磁鉄心の間の磁力が比例磁石の動作領域の磁力より大きく、過大な磁力によって接極子をこの保持位置に固定し得るように、保持位置の接極子と磁鉄心の対設された2つの端面の最小軸方向間隔を設定することによって解決される。その場合比例磁石が動作領域でほぼ水平な磁力・リフト特性曲線を有し、あるリフト即ち接極子と磁鉄心のある間隔より下の領域で磁力が動作領域の磁力に比して飛躍的に上昇することを、本発明は有効に利用する。先行技術についてはマンネスマン−レクスロート著、流体技術AからZまで、水力学教程(Mannesmann-Rexroth, Fluidtechnik von A bis Z, Der Hydlaulik Trainer)5巻、1995年4月、266頁を参照。磁石を適当に設計すれば、小さなギャップで大きな磁力を有するこの磁石特性により、磁石の動作領域を通り越して大きな磁力の領域で接極子を保持するコイル電流又は「スナップ電流」をセットすることができる。接極子と制御要素を接極子棒で連結することによって制御要素の保持力も増加するので、約24バールの主油圧が働いても、一方の方向で制御要素に作用する油圧力が逆向きの磁力より小さいから、制御要素は確実に保持位置に留まる。また弁は、保持位置で弁の入口とクラッチへの作動接続端が開放され、主油圧が全部クラッチに送られるように構成されている。従って本発明に係る比例圧力調整弁によれば減圧弁と圧力保持弁の機能が本発明に係る弁によって代行されるので、これらの弁を廃止できる利点がある。またこのような調整弁は0ないし12バールの微調整領域で高い圧力/コイル電流(pI)分解能を有する利点がある。さらに本発明に係る保持機能は圧力調整装置の振動質量の制止を可能にするから、高い振動安定性と小さな機械的摩耗が得られる。
【0005】
本発明の好適な別の実施形態では制御要素が3つのエッジを有する。その場合制御要素は2個のスライドエッジと1個の別の密封弁座を有するダブルピストンとして形成され、密封弁座の密封面は制御要素の縦軸に対して半径方向に伸張する。こうして接極子の磁気保持機能を有するゼロフロー(Zero Flow,ZF)型直接制御弁としての三二方圧力調整弁の安価な構造を簡単に提示することができ、その際改善された密封機能、即ち漏れ流量に関するゼロフローの遂行のために、おおむね半径方向の密封弁座が設けられる。
【0006】
本発明の別の実施形態においては、制御要素又は弁摺動体が内部圧力フィードバックを備えることを提案する。これはダブルピストンがピストン穴と緩衝部材、例えば緩衝ピストンを有することによって実現され、それによって補助緩衝機能が可能になる利点がある。
【0007】
接極子の保持位置で磁鉄心と接極子の間の最小軸方向間隔が0ないし約0.3mmの範囲、好ましくは約0.1mm以下であるように、ダブルピストン、接極子棒、接極子、磁鉄心及び弁箱の軸方向長さを相互に調整し、磁鉄心に対するダブルピストン、接極子及び接極子棒の固定を選定する。この間隔で磁力は動作領域の磁力に対して十分に高いから、主油圧が働いたときに接極子及びそれとともにダブルピストンが末端位置に具合よく保持される。
【0008】
本発明の特に有利な構成においては、磁鉄心と接極子の最小間隔を上記のように実現する代わりに、非磁性材料からなるスペーサが磁鉄心と接極子の間に配設される。接極子の磁鉄心への磁気的接着を阻止するこのようなスペーサによって、板厚を様々に形成することで磁力の簡単な調整が可能になる利点がある。スペーサの代案として、軸方向間隔の順守のために磁鉄心及び/又は接極子に非磁性被覆を設けることもできる。
【0009】
圧力調整弁の有利な構成においては磁鉄心と接極子の2つの端面の間の間隔は約0.01ないし0.3mm、好ましくは約0.1mm以下である。
【0010】
上記の比例磁石の代替構造においては接極子棒が接極子に軸方向移動可能に挿入され、圧縮ばねによって予圧される。
【0011】
圧縮ばねは、ダブルピストンの最大油圧調整力より大きいか又はこれに等しく、こうして接極子棒を介してばね力に対抗するばね力を有することが好ましい。
【0012】
別の実施形態では圧縮ばねがなるべく低いばね率を有し、小さなコイル電流ですでに接極子を高い磁力の領域に置くことができ、それによって保持機能を実現することができるように、このばね率を設定することを提案する。
【0013】
本発明の別の特別な実施形態では、接極子棒が軸方向停止面を有し、接極子が磁石の比例領域にあるときに、停止面が接極子の磁鉄心に面した端面から所定の間隔だけ突出するように、停止面を配設することを提案する。それによって接極子棒の停止面が磁鉄心の端面に当接して、接極子と磁鉄心の端面が互いに間隔を保つから、比例領域の接極子が高い磁力領域に入り込まないようにすることができる利点がある。油圧磁気力が圧縮ばねの予圧力より小さい限り、予圧されたばねは油圧磁気力を伝達するから、接極子棒と直列に配列された圧縮ばねはこうして磁力損失のない「衝撃防止」を可能にする。これに対して接極子の圧力調整領域又は比例領域で危険な使用状態、例えば主圧の急落が起こると、接極子がまず磁鉄心の方向に移動する。ところが比例磁石がまだ比例動作領域にあり、接極子と磁鉄との間に間隔がある限り、このような運動は接極子棒の停止面によって終了させられる。
【0014】
必要ならば制御に基づき保持領域に達するために、短時間の間コイル電流を増加して磁力を最大油圧制御力より大きな値に高める。それによって接極子の端面が接極子棒の停止面を越えて移動させられ、こうして接極子が磁気保持領域に移されるまで、ばね装置がさらに圧縮される。
【0015】
本発明の別の実施形態では電磁コイルを電気制御装置に接続し、接極子の保持位置の維持のために、電気制御装置が所定の時間間隔で電流パルスを電磁コイルに送出することを提案する。こうして接極子が磁鉄心に対する保持位置を維持し、気づかぬうちに保持位置から「離脱」することがなく、制御要素が具合よく確実に保持位置に留まることが保証される。
【0016】
電流パルスは、スナップ電流に相当し、電磁コイルの保持電流より大きく、例えば約950mAの電流の強さを有し、電流パルスが例えば約20msの時間間隔で現われるのが好都合であることが判明した。理想的には、意図せぬ離脱の場合でもスイッチ要素が閉鎖されているように、即ち例えば12バールの制御圧力が存続するように、弁を設計すべきである。
【0017】
接極子を保持位置から故意に引き離すには、電気制御信号を電磁コイルに送る。電気制御信号は例えば電磁コイルの制御電流の減少とその後の上昇(ループ制御)として行なわれる。こうして接極子の引き離しを簡単に、特に巧妙に行なうことができる。
【0018】
代案として接極子の保持位置からの意図的な引き離しを圧力信号で行なうことができる。圧力信号は例えば保持圧力より高い値への主油圧の増圧として行なわれ、増圧は例えば圧力フィードバック、特にピストン穴の端面に対して作用する。それによって接極子棒の運動により接極子の引き離しが具合よく実現される。
【0019】
本発明に係る比例圧力調整弁は直接制御弁として使用することが好ましい。その場合本発明に係る弁を使用すれば減圧弁も圧力保持弁も廃止されるように、接極子の磁気保持機能を有する三二方比例圧力調整弁として弁を構成することが好ましい。
【0020】
本発明のその他の目的、特徴、利点及び応用の可能性は図面に詳しく示す実施例の下記の説明で明らかである。なお記述及び/又は図示したすべての特徴は単独で又は任意の適宜な組合せとして、特許請求の範囲に記載の要旨及び当該の本文にかかわりなく、本発明の主題をなす。
【0021】
圧力調整弁1(図1)はおおむね入口及び出口4、5、6を有する弁箱2と比例磁石3からなる。制御要素7はダブルピストンとして形成され、制御エッジ8、9及び弁座10の開閉のために、接極子軸20を有する接極子棒15と連結される。接極子棒15は接極子16に固定されている。接極子16は磁鉄心17及び電磁コイル18とともに比例磁石3を構成する。
【0022】
接極子16は「上側」停止位置、即ち第2の末端位置に示されているから、接極子16の端面22と磁鉄心17の端面23の間隔は最大である。圧力のフィードバックのためにダブルピストン7の接極子棒15の反対側の端部にピストン穴11が設けられ、ここに緩衝ピストン12が挿入されている。緩衝ピストン12に圧縮ばね14が、ダブルピストン7に圧縮ばね13が作用する。
【0023】
ダブルピストン7は3個の密封エッジを有し、密封エッジ8及び9はスライドエッジとして形成され、おおむね入口及び出口4及び6を開閉する。もう一つの密封エッジ10は接極子軸20に対して半径方向に配設された密封面を有する密封弁座として形成され、入口4を閉じたときにこの密封面は弁の漏れをほぼ完全に防止する。従って圧力調整弁の図示の構造はゼロフロー(ZF)型とも呼ばれる。
【0024】
コイル電流の増加によって接極子16は磁鉄心17に向かって移動させられる。それとともにダブルピストン7が圧縮ばね13の力に抗して下へ移動させられるから、密封エッジ10がその弁座から引き離され、やがて制御エッジ9も入口4を開放する。便宜上図示しないが、本発明に係る保持位置で接極子16はスペーサ19の上に載座し、入口4が全開し、圧力フィードバックのピストン穴11に主油圧pが送られる。この圧力pはピストン穴11の「上側」端面を介して接極子16の磁気保持力に対抗する。
【0025】
例えばコイル電流を減少して接極子16を磁鉄心17から引き離すと、接極子16はスイッチ位置から弾発して、図1に示す末端位置の方向に移動する。後述のように、図1で到達する末端位置の手前で圧力を捕捉することがこの機能にとって重要である。
【0026】
他方ではピストン穴11の中で「上へ」作用する力が比例磁石3の対抗する磁力より大きくなるように主油圧を増圧することによって、接極子又はダブルピストン7を保持位置から引き離すこともできる。
【0027】
コイル電流I(図2)の増加によって、まず制御圧力pが約800mAの「スナップ電流」に到達するまで、制御圧力pがおおむね直線状に上昇する。この値に達すると、定電流で約24バールの主油圧へ圧力曲線の段階的な飛躍が起こる。この主圧力に到達した後はコイル電流がさらに増加しても、「行過ぎ」のほかにそれ以上の圧力変化は起こらない。
【0028】
コイル電流Iが約500mAの値に減少するとき、約24バールのシステム圧力は差当り一定であり、コイル電流が約500mA以下のある値を下回ったとき初めて接極子がスイッチ位置から突然弾発する。弁の適宜な捕捉によって、制御圧力がシステム圧力から例えば12バールの保持圧力へ圧力の急変を生じる。コイル電流Iがさらに減少すると、システム圧力pが0バールまでおおむね直線状に減少する。
【0029】
コイル電流Iの直線状の上昇(図3)によっておおむね同時に圧力pが約12バールの値まで直線状に上昇する。続いてコイル電流I及び圧力pの約1000mA又は約24バール超の値への飛躍的な上昇が起こる。様式化した虫眼鏡で示す経過に到達するまで圧力pは約24バールの値に一定に保たれるが、コイル電流は保持機能の維持のために電流パルス、いわゆるリフレッシュ・ピークを有する。電流パルスは例えば約20msの短い時間間隔で繰返される。
【0030】
約50msの期間に相当する拡大して示した時間範囲で、電流Iはまず500mA未満の値に下落し、それとともに圧力pも最大値24バールから低下する。しかしコイル電流Iのその後の上昇によって、圧力pの経過は約12バールの保持レベルより上で再び「捕捉」される(ループ制御)。コイル電流Iのその後の減少によって同時にシステム圧力pの減少が起こる。
【0031】
代表的な測定図として記録された特性曲線(図4)で、圧力pの経過はコイル電流Iの経過とおおむね平行であることが分かる。その場合最初の約12秒の間にまず2つの値はおおむね直線状に上昇する。圧力のピークの後に圧力も電流もおおむね一定の値に留まり、約15秒後に圧力及び電流のおおむね直線状の平行な減少が起こる。
【0032】
冒頭ですでに述べたように、比例磁石の動作領域Y_MAはほぼ水平な磁力−リフト特性曲線を有することが先行技術(図5)で明らかである。従って動作領域Y−MAで磁力F_MAはおおむね一定である。リフトY_Mがさらに増加すると、磁力F_Mが減少する。リフトY_Mの低下又は減少とともに磁力F_Mが大幅に増加する。約0.1mmのリフトY_Mで保持領域の磁力F_MHは動作領域の磁力F_MAより著しく高い値を有する。このことを本発明は、電磁コイルの電流の増加により比例磁石の接極子が磁鉄心に吸引され、こうして接極子の安定な保持位置を生じるようにして利用する。
【0033】
図1の比例磁石の構造の代案として、保持機能が組み込まれた「衝撃防止」型の比例磁石を図6に示す(図の同じ部材は同じ参照符号で表示した)。衝撃防止型比例磁石3はおおむね段状の穴27を有する接極子16からなり、異なる直径区域を有する接極子棒15が穴27に挿入されている。この接極子棒15は−便宜上図示しない−弁部分の反対側の端部にカップ状の区域を有し、ここに圧縮ばね28が挿入されている。この圧縮ばねは閉鎖板29によって接極子16の中に予圧して保持される。一方、圧縮ばね28によって予圧力が油圧弁部分の方向に接極子棒15に加えられる。
【0034】
また接極子棒15は環状の停止面30を有する。停止面30は、接極子が比例領域にある限り、この停止面30が接極子16の端面22に対して間隔31を有し、この端面22から間隔31だけ突出するように配設されている。電気制御のもとで接極子16は、停止面30が磁鉄心17の端面23に接するまで、磁鉄心17の中に没入する。油圧磁気力がばね28の予圧力より小さい限り、予圧されたばね18はこうして油圧磁気力を伝達する。これに対して磁石の圧力調整領域又は比例領域で危険な使用状態、例えば主油圧の急落が起こり、接極子16が磁鉄心17の方向に移動するとき、この運動はストップ30により間隔31で終了させられる。好都合なことに比例磁石は依然として比例動作領域にある。このように構成された比例磁石は、こうして磁力損失のない「衝撃防止」を可能にする。
【0035】
ところが使用時に接極子16を保持位置に移動するには、短時間の間コイル電流を増加して最大油圧調整力F_max_Regelより高い磁力を発生し、こうして圧縮ばね28をさらに圧縮し、接極子16を停止面30の先へ移動し、接極子16を磁鉄心17の磁気保持領域に移す。
【図面の簡単な説明】
【図1】 接極子の磁気保持機能を有する直接制御弁としての三二方比例圧力調整弁の縦断面図である。
【図2】 保持機能を有する本発明に係る弁の圧力pのコイル電流Iに関する特性曲線の概略図である。
【図3】圧力p及びコイル電流Iの時間tに関する特性曲線の概略図である。
【図4】 圧力p及びコイル電流Iの時間tに関する経過の特性曲線の測定図である。
【図5】 比例磁石の磁力−リフト特性曲線の概略図である。
【図6】 衝撃防止としての圧縮ばねを備えた比例磁石の代替構造の断面図である。
【符号の説明】
1 圧力調整弁
2 弁箱
3 比例磁石
4 入口
5 作動接続端
6 出口
7 制御要素、ダブルピストン
8 制御エッジ
9 制御エッジ
10 弁座
11 ピストン穴
12 緩衝ピストン
13 圧縮ばね
14 圧縮ばね
15 接極子棒
16 接極子
17 磁鉄心
18 電磁コイル
19 ディスタンスプレート
20 接極子軸
21 間隔
22 接極子の端面
23 磁鉄心の端面
24 電流パルス
25 時間ウインドウ
26 停止レベル
27 穴
28 圧縮ばね
29 閉鎖板
30 停止面
31 間隔
F_M 磁力
F_MH 保持領域の磁力
F_MA 動作領域の磁力
F_Feder ばね力
F_max_Regel 最大油圧調整力
Y_M 磁石のリフト
Y_MA 動作範囲
p 圧力
I 電流
Q 流量
C ばね定数

Claims (13)

  1. 口及び出口(4、5、6)を有する弁箱(2)と、
    りギャップの開閉のための制御要素(7)と、
    極子軸(9)を有し、制御要素(7)と比例磁石(3)を連結する接極子棒(15)と、
    鉄心(17)、接極子(16)及び電磁コイル(18)からなる比例磁石(3)とを有し、接極子(16)が2つの末端位置の間で接極子軸(20)の方向に往復動可能であり、第1の末端位置が接極子(16)の保持位置に相当し、この保持位置において接極子(16)の端面(22)とこれと対向する磁鉄心(17)の端面(23)の間の軸方向間隔(21)が最小値をとり、比例磁石(3)がその動作領域(Y_MA)でほぼ一定の磁力(F_MA)を有する比例圧力調整弁において、
    接極子の保持位置における接極子(16)と磁鉄心(17)の間の磁気保持力(F_MH)が比例磁石(3)の動作領域(Y_MA)の磁力(F_MA)より大きく、磁気保持力(F_MH)によって接極子(16)をこの保持位置に固定することができ、
    制御要素(7)が、入口および出口(4、6)をそれぞれ開閉するための制御エッジとして設けられた2つのスライドエッジ(8、9)と、制御面として設けられた密封弁座(10)を備えたダブルピストンとして形成され、密封弁座(10)の密封面制御要素(7)の軸線に対しておおむね半径方向に延びており、スライドエッジ(9)が入口(4)を閉じている時に、密封弁座(10)は弁箱(2)に形成された座面に着座することができ、これによって入口(4)から出口(5、6)への流れを妨げることができるように設けられていることを特徴とする比例圧力調整弁。
  2. ダブルピストン(7)が、磁力及び油圧力の制御回路の安定化のために、ピストン穴(11)及びこのピストン穴(11)内に配置された緩衝ピストン(12)を有しており、ピストン穴(11)および緩衝ピストン(12)は、入口(4)が開いてピストン穴(11)と入口(4)とが連通したときにピストン穴(11)内の圧力が磁気保持力(F_MH)に対抗するように設けられていることを特徴とする、請求項1に記載の比例圧力調整弁。
  3. 前記保持位置での接極子(16)と磁鉄心(17)の軸方向間隔(21)が0から0.3mmの範囲となるように、ダブルピストン(7)、接極子棒(15)、接極子(16)、磁鉄心(17)及び弁箱(2)の軸方向長さが設定されていることを特徴とする、請求項2に記載の比例圧力調整弁。
  4. 前記保持位置での前記軸方向間隔(21)が維持されるように、磁鉄心(17)と接極子(16)の間に非磁性材料からなるスペーサ(19)が設けられているか、あるいは磁鉄心(17)及び接極子(16)の一方または両方に非磁性被覆が設けられていることを特徴とする、請求項1から3のうちのいずれか一項に記載の比例圧力調整弁。
  5. 前記保持位置での磁鉄心(17)と接極子(16)の軸方向間隔(21)が0.01から0.3mmであることを特徴とする、請求項4に記載の比例圧力調整弁。
  6. 接極子棒(15)が接極子(16)に軸方向移動可能に挿入され、圧縮ばね(28)で予圧されていることを特徴とする、請求項1から5のうちのいずれか一項に記載の比例圧力調整弁。
  7. 圧縮ばね(28)がダブルピストン(7)の最大油圧調整力(F_max_Regel)より大きいか又はこれに等しいばね力(F_Feder)を有し、ここで最大油圧調整力(F_max_Regel)とは、ダブルピストン(7)に作用する油圧により発生する力であってかつ接極子棒(15)を介して圧縮ばね(28)を圧縮させる力の最大値であることを特徴とする、請求項に記載の比例圧力調整弁。
  8. 接極子棒(15)が軸線方向を向いた停止面(30)を有し、この停止面(30)は、
    比例磁石(3)の動作領域(Y_MA)内に位置する接極子(16)が、動作領域(Y_MA)にあるときよりも高い磁力(F_MH)を受ける前記保持位置側の領域内に意図しないときに入り込むことを防止するために、停止面(30)が動作領域(Y_MA)にある接極子(16)の磁鉄心(17)に面した端面(22)から間隔(31)だけ突出するように配設されていることを特徴とする、請求項6または7に記載の比例圧力調整弁。
  9. 圧縮ばね(28)のばね力(F_Feder)に打ち勝って接極子(16)の端面(22)を停止面(30)の先へ移動し、これにより接極子(16)を前記保持位置に移すことができるように、コイル電流(I)を増加して磁力(F_M)を最大油圧調整力(F_max_Regel)より大きい値(F_MH)に高めることができるように構成されており、ここで最大油圧調整力(F_max_Regel)とは、制御要素(7)に作用する油圧により発生する力であってかつ接極子(16)を磁鉄心(17)に向けて軸線方向に移動させようとする磁力に対抗する力の最大値である、ことを特徴とする請求項に記載の比例圧力調整弁。
  10. 電磁コイル(18)が電気制御装置に接続され、接極子(16)の保持位置の維持のために、電気制御装置が所定の時間間隔で電流パルスを電磁コイル(18)に送出することを特徴とする、請求項1から9のうちのいずれか一項に記載の比例圧力調整弁。
  11. 電流パルスがスナップ電流に相当する電流の強さを有しており、ここでスナップ電流とは、動作領域(Y_MA)にある接極子(16)が前記保持位置に向けて急激に飛びつくように移動させる電流であることを特徴とする、請求項10に記載の比例圧力調整弁。
  12. 接極子(16)を保持位置から引き離すために、電磁コイル(18)に、最初に減少してその後に上昇する制御電流が供給されることを特徴とする、請求項1から11のうちのいずれか一項に記載の比例圧力調整弁。
  13. 主油圧を上昇させてその結果としてピストン穴(11)の端面に作用する油圧を上昇させることにより、接極子(18)を保持位置から引き離すことができるようになっていることを特徴とする、請求項2に記載の比例圧力調整弁。
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