JP5267804B2

JP5267804B2 - 気圧式倍力装置

Info

Publication number: JP5267804B2
Application number: JP2009109148A
Authority: JP
Inventors: 光弘遠藤; 修三渡辺
Original assignee: Hitachi Automotive Systems Ltd
Current assignee: Hitachi Astemo Ltd
Priority date: 2009-04-28
Filing date: 2009-04-28
Publication date: 2013-08-21
Anticipated expiration: 2029-04-28
Also published as: JP2010254219A

Description

本発明は、気圧式倍力装置に関する。

ポペット弁のプランジャ当接面をプランジャの揺動中心を曲率中心とする球面により形成することによりプランジャの傾きに起因する負圧の漏れを防止する気圧式倍力装置については、例えば、特許文献１に開示がある。

特開昭５９−１２８０４１号公報

上記特許文献１に記載の気圧倍力装置では、ポペット弁のプランジャ当接面をプランジャの揺動中心を曲率中心とする球面により形成している。これにより、プランジャが大気弁の軸線に対して傾いた時の大気弁のシール性能を確保して当該大気弁からの負圧漏れを防止している。

しかしながら、プランジャ当接面をプランジャの揺動中心を曲率中心とする球面により形成した場合、プランジャの実ストローク（大気弁の軸線方向へのプランジャの移動距離）に対する大気弁の実質的な開弁量が小さくなることから、当該倍力装置の応答性が低下するという課題があった。

本発明は、大気弁のシール性能を確保しつつ、応答性を向上させた気圧式倍力装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の気圧式倍力装置は、ポペット弁のプランジャ当接面がプランジャの軸線上に曲率中心Ｃ１を有する曲率半径Ｒの球面で形成されるとともに、該曲率中心Ｃ１は、曲率半径Ｒが大気弁の閉弁時におけるプランジャの揺動中心Ｃ２からプランジャ当接面上のプランジャ当接位置Ａまでの距離ｒに係数１．２５〜１．７５を乗じた距離に等しくなる位置に配置されることを特徴とする。

本発明によれば、大気弁のシール性能を確保しつつ、応答性を向上させた気圧式倍力装置を提供することができる。

本実施形態が採用される気圧式倍力装置の全体の軸断面図である。図１における要部（プランジャ周辺）を拡大して示す図である。プランジャが軸線に対して傾いた時の、シート部の軸線に対する各ずれを示す説明図である。Ｒ／ｒと（０．６７−tanθ）およびcosθとの関係を示す説明図である。大気弁の実開弁量（ｘ）とストローク（ｓ）、すなわち、プランジャの軸線方向への移動距離とを示す説明図である。

本発明の一実施形態を添付した図を参照して説明する。図１に、本実施形態が採用される気圧式倍力装置１の全体の軸断面を示す。この気圧式倍力装置１は、フロントシェル２２とリアシェル２３とにより内部が密閉されたハウジング２（シェル）を有する。ハウジング２内は、センタシェル２４により前室と後室とに分画される。前室は、ダイアフラム２５ａを有するパワーピストン３ａにより、前側定圧室４ａと前側変圧室５ａとに分画される。後室は、ダイアフラム２５ｂを有するパワーピストン３ｂにより後側定圧室４ｂと後側変圧室５ｂとに分画される。前側定圧室４ａおよび後側定圧室４ｂは、エンジンの吸気装置等の負圧源に接続されて常時負圧の状態である。以下、前側定圧室４ａおよび後側定圧室４ｂを適宜、定圧室４と総称すると共に、前側変圧室５ａおよび後側変圧室５ｂを適宜、変圧室５と総称する。

気圧式倍力装置１は、プランジャ８、大気弁９、真空弁１０ならびにリアクションディスク１２を含む。また、パワーピストン３ａ，３ｂには、大径筒部２６と小径筒部２７とを有するバルブボデー６が取り付けられる。大径筒部２６は、パワーピストン３ａ，３ｂに気密に係合されると共に、センタシェル２４に気密且つ摺動可能に係合される。小径筒部２７は、リアシェル２３に気密且つ摺動可能に係合され、リアシェル２３の後方（図１における右方向）へ延びる。また、小径筒部２７の開口側（図１における右側）には、サイレンサ機能および空気浄化機能を有するフィルタ２８が収納され、このフィルタ２８を介して大気がバルブボデー６内部に導入される。

バルブボデー６の小径筒部２７の大径筒部２６寄りの部分には、軸線に沿って延びて一側が大径筒部２６の内側に開口すると共に他側が小径筒部２７の内側に開口する通路Ｔ１が設けられる。また、この部分には、バルブボデー６の径方向（図１における上下方向）へ延びて一側が後側定圧室４ｂに開口すると共に他側が通路Ｔ１に開口する通路Ｔ２が設けられる。さらに、小径筒部２７には、後側変圧室５ｂと小径筒部２７の内側とを連通する通路Ｔ３が設けられる。これにより、大気弁９が開弁されると、通路Ｔ３を通して後側変圧室５ｂに大気が流入する。なお、センタシェル２４とパワーピストン３ｂとの間に配設され、貫通ロッド４０が挿通されるスリーブ４１には、前側変圧室５ａと後側変圧室５ｂとを連通する通路Ｔ４が設けられる。

また、小径筒部２７の内側における通路Ｔ１の開口部近傍には、押え部材３１により支持されるポペット弁３０が設けられる。ポペット弁３０の先端と入力軸７との間には弁ばね３２が設けられる。この弁ばね３２のばね力により、ポペット弁３０が通路Ｔ１の開口側（弁座）へ付勢されて通路Ｔ１が閉塞される。なお、真空弁１０は、ポペット弁３０と通路Ｔ１の開口部分（弁座）とにより構成される。また、図２に示されるように、大気弁９は、プランジャ８に形成された環状のシート部（弁座）とポペット弁３０の先端（弁ばね３２を受ける側の面とは反対側の面）に形成されたプランジャ当接面１５とにより構成される。

入力軸７は、先端側が小径筒部２７に収容され、ブレーキペダルに連動して前後（図１における左右方向）へ移動する。また、入力軸７は、押え部材３１との間に設けられる戻しばね３３のばね力により後方（図１における右方向）へ付勢される。そして、入力軸７の先端にはプランジャ８が連結される。そして、大径筒部２６の底部にはハット形状のばね受け３４が設けられる。このばね受け３４とフロントシェル２２との間に設けられる戻しばね３５のばね力により、バルブボデー６が後方（図１における右方向）へ付勢される。また、バルブボデー６に形成された軸孔２９には反力受け部材１３が挿入される。この反力受け部材１３は、基端部がプランジャ８に接続されて入力軸７からの入力をプランジャ８を介して出力軸１１へ伝達する。

図２は、図１におけるプランジャ８の周辺の拡大図である。なお、図２は、ブレーキペダルが操作されていない状態、すなわち、プランジャ８のシート部１４がポペット弁３０のプランジャ当接面１５に当接して大気弁９が閉弁されている状態を示す。この図に示されるように、プランジャ当接面１５は、大気弁９が閉弁している状態で、プランジャ８の軸線Ｌ（大気弁９の軸線ひいては当該気圧式倍力装置１の軸線に一致し、以下、単に軸線Ｌという）上に曲率中心Ｃ１を有する曲率半径Ｒの球面により形成されている。そして、気圧式倍力装置１は、大気弁９が閉弁している状態で、図２における上記曲率半径Ｒが、プランジャ８と軸孔２９とのクリアランスに起因してプランジャ８が揺動する時（傾いた時）の揺動中心Ｃ２からプランジャ当接面１５上のプランジャ当接位置Ａまでの距離ｒに係数１．２５〜１．７５を乗じた距離に等しくなるように、曲率中心Ｃ１が配置される。なお、揺動中心Ｃ２は、プランジャ８が傾いた時の、当該プランジャ８の前端（図２における右側端部）とバルブボデー６との当接位置Ｐとプランジャ８の後端（図２における左側端部）とバルブボデー６との当接位置Ｑとを結ぶ線分Ｌ３と軸線Ｌとの交点と言い換えることもできる。

ここで、上記係数が１．２５〜１．７５である理由を説明する。
図２において、曲率中心Ｃ１とプランジャ当接位置Ａとを結ぶ長さがＲの線分Ｌ１の軸線Ｌに対する角度をθ、揺動中心Ｃ２とプランジャ当接位置Ａとを結ぶ長さがｒの線分Ｌ２の軸線Ｌに対する角度をα、および軸線Ｌとプランジャ当接位置Ａとの間の距離をＨとすると、次式（１）および（２）が成り立つ。
θ＝sin^-1(Ｈ／Ｒ) （１）
α＝sin^-1(Ｈ／ｒ) （２）

図３において、プランジャ８が軸線Ｌに対して傾いた時のシート部１４の軸線Ｌに対する垂直方向（図３における上下方向）へのずれ（移動距離）をΔ、この時のシート部１４の軸線Ｌ方向（図３における左右方向）へのずれをＹおよびプランジャ当接位置Ａの軸線Ｌ方向へのずれをＺとすると、次式（３）および（４）が成り立つ。
Ｙ≒Δtanα （３）
Ｚ≒Δtanθ （４）

また、プランジャ８が軸線Ｌに対して傾いた時に大気弁９に形成される隙間は、ＹとＺとの差（Ｙ−Ｚ）であるから、次式（５）が成り立つ。
Ｙ−Ｚ＝Δtanα−Δtanθ （５）

そして、ポペット弁３０の設定をゴム厚１．５〜３．０ｍｍ、ゴム硬度５０〜６５°、弁ばね３２によるポペットばね力１〜２ｋｇｆとし、ｒ＝１８ｍｍ、Ｈ＝１０ｍｍおよびΔ≒０．５ｍｍとすると、数式（５）からα＝３３．７５°となり、tanα＝０．６７となることから、これらを数式（５）に代入することで次式（６）が得られる。
Ｙ−Ｚ＝０．５（０．６７−tanθ）（６）

ここで、上記のような設定のポペット弁３０における大気弁９のシール性能を確保する上で、隙間（Ｙ−Ｚ）は０．１６ｍｍ以下であることが好ましいことから、
０．１６≦０．５（０．６７−tanθ）となり、その結果、
０．３２≦（０．６７−tanθ）（７）
となる。

そして、図４に示されるＲ／ｒと（０．６７−tanθ）との関係から上記数式（７）が成り立つ条件は、Ｒ／ｒが１．７５以下、すなわち、
Ｒ／ｒ≦１．７５（８）
である。したがって、揺動中心Ｃ２からプランジャ当接面１５上のプランジャ当接位置Ａまでの距離ｒに１．７５以下の係数を乗じた距離に等しくなるように、曲率中心Ｃ１を設定することで、大気弁９のシール性を確保して、大気弁９からの負圧漏れを防止することができる。これにより、気圧式倍力装置１の信頼性が向上するという効果を奏する。

他方、応答性については、図５において、実開弁量（ｘ）がストローク（ｓ）、すなわち、プランジャ８の軸線Ｌ方向への移動距離に対して９０％以上（θ＝０°でcosθ＝１．０の時を１００％とした場合の比率）である時、すなわち、cosθ≧０．９の時に向上を図ることができる。したがって、応答性が向上する条件は、図４に示されるＲ／ｒとcosθとの関係から次式（９）が成り立つときである。
１．２５≦Ｒ／ｒ（９）

したがって、揺動中心Ｃ２からプランジャ当接面１５上のプランジャ当接位置Ａまでの距離ｒに１．２５以上の係数を乗じた距離に等しくなるように、曲率中心Ｃ１を設定することで、プランジャ８の軸線Ｌ方向への移動距離に対して９０％以上の実開弁量（ｘ）を確保することができる。これにより、気圧式倍力装置１の応答性が向上するという効果を奏する。

以上のことより、上記数式（８）、（９）から、大気弁９のシール性能の確保と応答性の向上とを両立することができる条件は、
１．２５≦Ｒ／ｒ≦１．７５（１０）
である。

上記数式（１０）を変形すると、
１．２５ｒ≦Ｒ≦１．７５ｒ（１１）
となる。

したがって、曲率半径Ｒが、プランジャ８の揺動中心Ｃ２からプランジャ当接面１５上のプランジャ当接位置Ａまでの距離ｒに係数１．２５〜１．７５を乗じた距離に等しくなるように、曲率中心Ｃ１を配置することにより、大気弁９のシール性能の確保と気圧式倍力装置１の応答性の向上とを両立することが可能となる。

次に、本実施形態の気圧式倍力装置１の作用を説明する。車体への取付状態でブレーキペダルが踏み込まれると、入力軸７が前進してプランジャ８が前進し、プランジャ８のシート部１４（弁座）がポペット弁３０のプランジャ当接面１５から離間して大気弁９が開弁される。これにより、フィルタ２８を通してバルブボデー６内に大気が流入し、この大気は、通路Ｔ３，Ｔ４を経て変圧室５に導入される。その結果、負圧が導入されている各定圧室４ａ，４ｂと各変圧室５ａ，５ｂとの間に差圧が発生し、この差圧によりパワーピストン３ａ，３ｂが推進し、その推力がバルブボデー６からリアクションディスク１２および出力軸１１を経てマスタシリンダに出力される。この時、出力軸１１からの出力反力の一部がリアクションディスク１２、反力受け部材１３およびプランジャ８を介して入力軸７に伝達され、これによりブレーキペダルの踏力（入力）に比例した所定のブースタ出力が得られる。

一方、ブレーキペダルに対する踏力が解放されると、戻しばね３３のばね力により入力軸７が後退する。これに伴い、プランジャ８も後退し、当該プランジャ８のシート部１４がポペット弁３０のプランジャ当接面１５に当接して大気弁９が閉弁される一方で、真空弁１０が開弁する。これにより各変圧室５ａ，５ｂにＴ１，Ｔ３およびＴ４を通じて各定圧室４ａ，４ｂ内の負圧が導入され、上記した差圧が解消される。その後は、前側定圧室４ａ内の戻しばね３５のばね力によりバルブボデー６およびパワーピストン３ａ，３ｂが後退し、ストップキー１６がリヤシェル２３内の段部１７に当接する原位置にバルブボデー６が復帰し、これと同時にプランジャ８も原位置に復帰して真空弁１０が閉弁する。

そして、本実施形態が採用された気圧式倍力装置１によれば、プランジャ当接面１５をプランジャの軸線Ｌ上に曲率中心Ｃ１を有する曲率半径Ｒの球面により形成し、この曲率半径Ｒが、プランジャ８の揺動中心Ｃ２からプランジャ当接面１５上のプランジャ当接位置Ａまでの距離ｒに係数１．２５〜１．７５を乗じた距離に等しくなるように、曲率中心Ｃ１を配置したことにより、大気弁９のシール性能の確保と気圧式倍力装置１の応答性の向上とを高いレベルでバランスさせることができる。

１気圧式倍力装置、３パワーピストン、４定圧室、５変圧室、６バルブボデー、７入力軸、８プランジャ、９大気弁、３０ポペット弁

Claims

シェル内を定圧室と変圧室とに分画するパワーピストンと、前記シェル内を移動可能設けられて前記パワーピストンに接続され中空のバルブボデーと、該バルブボデーの内側に設けられるポペット弁と、前記バルブボデーの内側に入力軸に連動して移動可能に設けられて前記ポペット弁に対して当接／離隔することにより大気弁を閉弁／開弁するプランジャとを有し、前記プランジャが前記ポペット弁に対して離隔して前記大気弁が開弁することにより前記定圧室と前記変圧室との間に生じる差圧で前記パワーピストンが推進される気圧式倍力装置であって、
前記ポペット弁のプランジャ当接面が前記プランジャの軸線上に曲率中心Ｃ１を有する曲率半径Ｒの球面で形成されるとともに、該曲率中心Ｃ１は、前記曲率半径Ｒが前記大気弁の閉弁時における前記プランジャの揺動中心Ｃ２から前記プランジャ当接面上のプランジャ当接位置Ａまでの距離ｒに係数１．２５〜１．７５を乗じた距離に等しくなる位置に配置されることを特徴とする気圧式倍力装置。