JP4645931B2

JP4645931B2 - 流体圧装置

Info

Publication number: JP4645931B2
Application number: JP2001184940A
Authority: JP
Inventors: ジェロームガストマイケル; ロイドバーンストロームマービン
Original assignee: Eaton Corp
Current assignee: Eaton Corp
Priority date: 2000-06-26
Filing date: 2001-06-19
Publication date: 2011-03-09
Anticipated expiration: 2021-06-19
Also published as: EP1167843B1; US6371149B1; DK1167843T3; EP1167843A3; JP2002081401A; DE60125463D1; DE60125463T2; EP1167843A2

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、流体圧装置に関し、より具体的には、流体圧装置がシャトル弁構造を含む閉ループ油圧回路において主に使用されるそのような装置に関するものである。
【０００２】
本発明は、多くの形式の流体圧装置に利用できることは、以下の説明から明らかになるが、本発明は、低速高トルク油圧モータに利用したとき、特に有利であり、これに関連して説明されている。さらに、本発明は、様々な形式の変位機構を有する流体圧装置に利用することができるが、本発明は、特に、ジェロータ変位機構を含む装置に役立ち、これに関連して説明されている。
【０００３】
【従来の技術】
閉ループ油圧回路、すなわち、モータの出口ポートが、システムリザーバではなく、ポンプの入口ポートに直接接続されている回路において、低速高トルク(LSHT)ジェロータモータを使用することが、ますます一般的になってきている。特に、ジェロータモータを利用して車輪を推進する農業機器および建設機器等の移動装置に関しては、確実にそうなっている。
【０００４】
上述の形式の閉ループ推進回路においては、戻り流体流れ(すなわち、モータ出口からポンプ入口への流れ)の一部を分岐し、分岐された流れを熱交換器に通してシステム流体の過熱を防止する必要があることが多い。これは、通常、モータに組み込まれて、モータの低圧(戻り)側とシャトルポートとの間を流体連通させるシャトル弁アセンブリ(「ホットオイルシャトル」)によって達成される。そして、シャトルポートは、冷却ラインによって熱交換器の入口接続され、分岐された流体は、熱交換器を通過した後、ポンプの入口へ流れる。
【０００５】
一般的に、従来技術のホットオイルシャトルの設計は、シャトルアセンブリが中央(閉弁)位置から開弁位置にシフトして戻り側からシャトルポートへの流れを許容するために、入口圧力が戻り側の約2倍になるようにする必要がある。この従来技術の2:1の関係は、メインシステムポンプが手動制御されて、負荷ポンプがループの低圧(戻り)側を約200psi(1.38MPa)に維持しているときは問題ない。この場合、モータの入口ポートに入る流体が約400psi(2.76MPa)に達したとき、ホットオイルシャトルは、シフトしてシステム流体を冷却し始める。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、さらに近年、推進装置に使用される多くのポンプは、手動制御される代わりに、サーボ制御される流体圧力によって吐出量が制御されるようになってきた。一般的なサーボは、そのようなシステムの負荷ポンプがループの低圧側を400psi(2.76MPa)に維持するように、推進作動のために約400psi(2.76MPa)の範囲の圧力を必要とする。結果として、上述の2:1の関係で作動する従来技術のホットオイルシャトルを使用することは、ループの高圧側の流体が約800psi(5.52MPa)に達するまで、シャトル弁が開弁しないことを意味する。上述したような推進システムの多くの用途において、システムは、システム圧力が従来技術のホットオイルシャトルが開弁するのに必要な圧力レベルに到達することなく、長時間にわたって作動されることになる。その結果、システム流体が過熱して、閉ループ油圧システムの様々な部品に実質的なダメージを与えるおそれがある。
【０００７】
したがって、本発明の目的は、従来技術の上述の問題を解消するシャトル弁アセンブリを含む形式の改良された流体圧装置を提供することである。
【０００８】
本発明のより具体的な目的は、戻り圧力(低圧)側に対する入口圧力(高圧)側の関係が2:1より実質的に小さくて開弁することができるシャトル弁アセンブリを提供することである。
【０００９】
さらに、本発明のより具体的な目的は、上述の目的を達成し、かつ、シャトル弁ポペットがその閉弁位置からその開弁位置へ移動するのを補助するために(すなわち、低圧側に)、比較的に高められた戻り圧力が利用される改良されたシャトル弁アセンブリを提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の上記目的および他の目的は、高圧流体ポートおよび低圧流体ポートを形成するハウジングを含む改良された流体圧装置を提供することによって達成される。このハウジングは、さらに、高圧ポートに流体連通する高圧室および低圧ポートに流体連通する低圧室を含むシャトルボア、並びに、高圧室と低圧室との軸方向中間に配置されてシャトルボアに流体連通するシャトル出口ポートを形成している。シャトルボアは、高圧室に隣接して配置された第1弁シートおよび低圧室に隣接して配置された第2弁シートを形成する。シャトルアセンブリは、シャトルボア内に配置され、シャトルアセンブリは、シャトルボア内に往復動可能に配置されたシャトルスプールと、第1ポペットと、第1ポペットを付勢して第1弁シートに係合させる第1付勢手段と、第2ポペットと、シャトルスプールが中央位置にあるとき、第2ポペットを付勢して第2弁シートに係合させる第2付勢手段とを含む。シャトルスプールは、軸方向に延びて、各ポペットに挿通され、これらによって囲まれ、また、シャトルスプールが高圧室の高圧流体に応答して中央領域から第1作動位置へ移動したとき、第2ポペットに係合し、第2ポペットを移動させて第2弁シートとの係合を解除する係合手段を含む。
【００１１】
改良された流体圧装置は、シャトルスプールが中央領域の端部に近づいたとき、低圧室からシャトル出口ポートに流体連通させるように配置された流体通路を形成するシャトルスプールによって特徴付けられている。その結果として、係合手段が係合し、第2ポペットを移動させて第2弁シートとの係合を解除したとき、低圧室の流体圧力が、シャトルスプールの周りのシャトルボアに導通されて、第2ポペットに対して、付勢手段が第2ポペットを付勢するのとは反対に作用する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図面を参照すると、本発明を限定することを意図しないが、図1は、従来技術のシャトル弁アセンブリを組み込んだジェロータモータを示している。例示に過ぎないが、図1に示されるモータは、米国特許第5,211,551号および第5,624,248号の教示にしたがって製造することができ、これらの特許は、本発明の譲受人に譲渡されており、参考として本説明に含まれる。しかしながら、高圧ポートおよび低圧ポートを有し、流体の一部を低圧ポートから他の場所へ分岐することが望まれる他のいかなる流体圧装置にも本発明を同様に適用できることは、当業者には理解することができる。「従来の技術」において説明したように、「他の場所」は、外部の熱交換器とすることができる。しかしながら、「他の場所」は、米国特許第4,645,438号の教示にしたがって、モータ潤滑回路等の流体圧装置の内部とすることもでき、この特許も本発明の譲受人に譲渡されており、参考として本説明に含まれる。本発明によれば、「他の場所」の具体例および分岐された流体の特定の用途は、本発明の本質的な特徴ではない。
【００１３】
図1において、破断して示されたモータは、図1において1つのみ示される複数のボルト等によって、一体に締結された複数の部分からなる。モータは、エンドキャップ13、固定されたバルブプレート15、全体として符号17で示されるジェロータギヤセット、バランスプレート19および前方ハウジング部材21を含んでいる。ジェロータギヤセット17は、当該技術において公知であり、上述の特許に詳細が記述されており、本発明の本質的な特徴ではなく、このため、ここでは簡単にのみ説明する。ギヤセット17は、内歯付リング部材23と、リング部材23内に偏心して配置された外歯付スター部材25とからなり、スター部材25は、一般的には、内歯の数より1つ少ない外歯を有している。その結果、スター部材25がリング部材23に対して軌道および回転運動し、これにより、複数の拡張および収縮流体容積室(ここでは図示せず)を形成する。スター部材25は、内側スプラインを形成し、この内側スプラインは、主駆動軸29の後端の外側に形成された1組の冠状スプラインに係合される。一般的に、駆動軸29の前端は、ホイールハブ等の出力装置にスプライン結合することができる。
【００１４】
エンドキャップ13は、図1には図示されていない流体入口ポートおよび流体出口ポートを含んでいる。流体入口ポートは、環状室31に流体を供給するの対して、流体出口ポートは、中央の円筒状室33から流体を受入れる。これにより、以下の説明および特許請求の範囲における入口ポートおよび出口ポートは、これらの室31,33をそれぞれ意味し、また、これらを含み、これらの参照符号に関係していることがわかるであろう。
【００１５】
エンドキャップ13には、軸方向に沿ったシャトルボア35が形成され、その後端がねじ付プラグ37によってシールされている。シャトルボア35内には、全体として符号39で示されるシャトル弁アセンブリが配置されており、ここでは、シャトル弁アセンブリ39は、米国特許第4,343,601号の教示によって製造されるものとして示されるが、この特許は、本出願の譲受人に譲渡されており、その内容は、参考として本説明に含まれる。シャトル弁アセンブリの出口は、全体として符号41で示される圧力リリーフ弁の入口である。リリーフ弁41の出口は、エンドキャップ13、バルブプレート15、リング部材23およびハウジング21を通して軸方向に延びる流体通路43である。流体通路43は、径方向通路45に接続して、分岐された流体を当業者には公知のように、駆動軸29の周囲のケースドレン領域に導通する。
【００１６】
次に、主に図2を参照して、本発明に従って製造される全体として符号51で示されるシャトル弁アセンブリについて説明する。シャトルボア35の右端内には、シールプラグ53が配置されて、固定されたバルブプレート15の隣接する端面に、流体圧力によって押付けられる。シャトルボア35は、その右端が高圧室55に連通し、その左端が低圧室57に連通している。シャトルボア35は、シャトル弁シート59(第1弁シート)によって高圧室55と仕切られ、また、同様に、シャトル弁シート61(第2弁シート)によって低圧室57と仕切られている。
【００１７】
シャトル弁アセンブリ51は、一体に形成された一対の肩部65,67(係合手段)を含む軸方向に移動可能なスプール部材63を備え、その機能については後で説明する。図2に参照されるように、シャトルスプール63は、その中央部よりも幾分大径の軸方向両端部69および71を有している。上述の米国特許第4,343,601号に含まれる教示に従って製造される従来技術のシャトル弁アセンブリでは、スプール部材は、スプールの軸方向に沿ったあらゆる点における縦断面が円形であるということにおいて「一様」である。以下に詳述するように、本発明のスプール部材63の場合は、そのようになっていない。
【００１８】
一対のポペット部材73(第1ポペット)および75(第2ポペット)が、それぞれスプール63の両端部69および71に対して移動可能に配置されている。ポペット部材73は、付勢ばね77(第1付勢手段)によって、弁シート59との係合に向けて付勢され、また、同様に、ポペット部材75は、付勢ばね79(第2付勢手段)によって、弁シート61との係合に向けて付勢されている。圧力室55,57の流体圧力がほぼ等しいとき、これは、モータが作動していない場合に主に生じるが、シャトル弁アセンブリは、図2に示される中立すなわち中央位置となる。シャトル弁アセンブリ51の中立位置においては、両方のポペット部材73,75は、付勢されて、それらのシート59,61にそれぞれ係合して、スプール部材63は、圧力室55および57の等しい圧力によって、ボア35内の中央に位置する。
【００１９】
スプールの端部69と付勢ばね77との径方向の間には、ダンプスリーブ81が配置され、同様に、スプールの端部71と付勢ばね79との径方向の間には、ダンプスリーブ83が配置されている。ダンプスリーブ81および83は、それぞれ径方向に広がるフランジ部を有し、これらがプラグ53および37にそれぞれ着座されていることがわかる。これらのフランジ部は、それぞれ付勢ばね77,79のばね座として働く。ダンプスリーブ81,83の機能は、特に上述の特許に含まれる教示を考慮すれば、シャトル弁技術の当業者には公知であり、また、スリーブ81,83の機能は、本発明の本質的な特徴ではないので、スリーブ81,83については、ここではこれ以上説明しない。
【００２０】
本実施形態では、シャトル弁アセンブリ51は、クローズドセンタ形式であり、すなわち、スプール部材63が中央にあるとき、両方のポペット部材73,75が閉弁して、圧力室55または57のいずれからシャトル出口ポート85への流れをも阻止する。本発明のシャトル弁アセンブリ51が図1に示す態様に使用された場合、シャトル出口ポート85は、圧力リリーフ弁41の入口になることがわかる。以下の説明および特許請求の範囲において、スプール部材63の「中央領域位置」およびそのような用語は、スプール63が図2に示される完全な中央位置から、いずれかの方向に、肩部67がポペット部材75に最初に係合する図3に示されるような位置へ移動する範囲の位置を含む意味であることがわかるであろう。この「中央領域位置」という用語の重要性は、本発明の主な特徴の説明に関連して、以下に説明する。
【００２１】
主に図3を参照して、本発明の重要な特徴によれば、スプール部材63は、軸方向に沿って延びる流体通路87を形成し、ここでは、流体通路87は、フライス加工等の適当なあらゆる機械加工等よってスプール部材63上に形成される平坦面からなるものとして示されている。流体通路87の寸法に関して最も重要なことは、その軸方向長さである。図2に最もよく示されるように、シャトル弁アセンブリ51が中央にあるとき、流体通路87の軸方向両端部は、ポペット部材73および75によって「遮断」されて、圧力室55または57から流体通路87へのいずれの流体接続をも生じない。
【００２２】
再び図1を参照して、当業者には公知のように、環状室31(流体入口ポート)から高圧室55へ接続するために流体通路89があり、同様に、円筒状の室33(流体出口ポート)から低圧室57へ接続するための流体通路91がある。流体通路89,91は、本発明の本質的な特徴ではなく、また、図1の従来技術の場合と同様に本発明に使用することができるので、図1において概略的にのみ示されている。
【００２３】
再び図3を主に参照して、スプール部材63が中央領域位置の端部に接近して、肩部67がポペット部材75に係合する直前に、流体通路87の左端がポペット部材75の左端を通り越し、これにより、低圧室57から流体通路87への流体連通が開く。
【００２４】
従来の技術において、概して説明したように、例えば、システム負荷ポンプがシステムの低圧側を400psi(2.76MPa)に維持したとき、出口ポート33および低圧室57における流体圧力も約400psi(2.76MPa)になる。この場合、従来技術のシャトル弁アセンブリ39を使用すると、シャトル弁は、入口ポート31および圧力室55における流体圧力が約800psi(5.52MPa)に達するまで、低圧室57からシャトル出口ポート85への連通を開き始めない。これは、シャトル弁を開かせるための力(すなわち、ポペット部材75をそのシート61から付勢ばね79の対抗力に抗して離座させる力)がスプール部材63の端部69の断面積に作用する800psi(5.52MPa)の圧力になるだけだからである。
【００２５】
しかしながら、本発明の重要な特徴によれば、図3に示すように、スプール部材63が中央領域位置の端部に接近したとき、低圧室57から流体通路87への流体連通が、スプール部材63の中央部分の周囲のシャトルボア35内の圧力を上昇させ、シャトル出口ポート85内も同じ圧力にする。本発明が図1に示される態様に使用された場合、シャトル出口ポート85の圧力は、圧力リリーフ弁の設定によって決定され、その圧力は、例示に過ぎないが、一般的に約200psi(1.38MPa)になる。本発明が適切に作動するためには、シャトル出口ポート85の下流に絞りの類を設けて、シャトルの出口およびスプール63の中央部の周囲に、適当な背圧を生じさせる必要があることは、当業者には理解されるであろう。
【００２６】
低圧室57の流体圧力が流体通路87を介してシャトル出口ポート85に連通されることによって、増圧されたスプール63の中央部の圧力がポペット部材75の右端に作用して、シャトルスプール63および肩部67によってポペット部材75に作用する付勢力を補助する。その結果、本発明によれば、シャトル弁アセンブリ51は、図3に示される中央領域位置の端部から、図4に示される作動(開)位置へ移動する。従来技術のシャトル弁アセンブリ39が高圧室55に約800psi(5.52MPa)の圧力を必要とする代わりに、本発明のシャトル弁63は、シャトル弁高圧室55が実質的に800psi(5.52MPa)よりも低い圧力で、図3の中央位置から図4の開位置へ移動する。例示に過ぎないが、本発明の実施形態の実施に関連して、ポペット部材75は、背圧室55の圧力が低圧室57の圧力を約75psi(0.52MPa)上回る圧力に達すると、その弁シート61から離間され、上記の例に関しては、高圧室55の圧力が約275psi(1.9MPa)になると、ポペット部材75が弁シート61から離間される。これにより、入口ポート31の圧力が約275psi(1.9MPa)を超えれば、本発明のシャトル弁アセンブリ51は、確実にシャトル流れを生じる。
【００２７】
以上に本発明を詳細に説明してきたが、本明細書を読んで理解することにより、当業者は、本発明の様々な変形および修正に想到すると思われる。全てのそのような変形および修正は、特許請求の範囲の技術的範囲内にある限り、本発明に含まれるものとする。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を有利に利用することができる形式の一般的な従来のシャトル弁アセンブリを含む低速高トルクジェロータモータの一部の軸方向に沿った縦断面図である。
【図２】本発明のシャトル弁アセンブリが中央位置にある状態を示す軸方向縦断面図である。
【図３】本発明のシャトル弁アセンブリが開位置の直前にある状態を示す軸方向縦断面図である。
【図４】本発明のシャトル弁アセンブリが開位置にある状態を示す軸方向縦断面図である。
【符号の説明】
13 ハウジング
31 高圧流体ポート
33 低圧流体ポート
35シャトルボア
55 高圧室
57 低圧室
59 弁シート(第1弁シート)
61 弁シート(第2弁シート)
63 シャトルスプール
73 ポペット部材(第1ポペット)
75 ポペット部材(第2ポペット)
77 付勢ばね(第1付勢手段)
79 付勢ばね(第2付勢手段)
85 シャトル出口ポート

Claims

高圧流体ポート(31)および低圧流体ポート(33)を形成するハウジング(13)を含む流体圧装置であって、前記ハウジング(13)は、さらに、前記高圧流体ポート(31)に流体連通する高圧室(55)と、前記低圧流体ポート(33)に流体連通する低圧室(57)と、前記高圧室(55)と前記低圧室(57)との軸方向の中間位置に流体連通するシャトル出口ポート(85)とを含むシャトルボア(35)とを形成し、該シャトルボア(35)は、前記高圧室(55)に隣接して配置された第1弁シート(59)および前記低圧室(57)に隣接して配置された第2弁シート(61)を形成し、前記シャトルボア(35)内に配置されたシャトルアセンブリが、前記シャトルボア(35)内に往復動可能に配置されたシャトルスプール(63)と、第1ポペット(73)と、該第1ポペットを付勢して前記第1弁シート(59)に係合させる第1付勢手段(77)と、第2ポペット(75)と、前記シャトルスプール(63)が中央領域位置にあるとき、前記第2ポペットを付勢して前記第2弁シート(61)に係合させる第2付勢手段(79)とを含み、前記シャトルスプール(63)は、前記第1および第2ポペット(73,75)をそれぞれ軸方向に貫通して、これらによって周囲を囲まれ、また、係合手段(67)を含み、該係合手段(67)は、前記シャトルスプール(63)が前記高圧室(55)内の高圧流体に応答して前記中央領域位置から第1作動位置へ移動したとき、前記第2ポペット(75)に係合して、該第2ポペット(75)を移動させて前記第2弁シート(61)との係合を解除し、
(a)前記シャトルスプール(63)は、該シャトルスプールが前記中央領域位置の端部に接近したとき、前記低圧室(57)から前記シャトル出口ポート(85)への流体連通を提供するように配置された流体通路(87)を形成し、
(b)これにより、前記係合手段(67)が前記第2ポペット(75)に係合し、該第2ポペットを移動させて前記第2弁シート(61)との係合を解除させるとき、前記低圧室(57)内の流体圧力が、前記シャトルスプール(63)の周囲の前記シャトルボア(35)に導通されて、前記第2ポペット(75)に対して、前記第2付勢手段(79)が前記第2ポペットを付勢するのとは反対に作用することを特徴とする流体圧装置。