JP5730410B2 - 圧力負荷される部材のハウジング - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の前提部に記載された、通路丸み部を備えた、好ましくは弁のハウジングに関する。

例えば弁のような、液圧／空圧の圧力下にある部材のハウジング内には、通常、圧力通路が成形されていて、これらの圧力通路は、弁スプール又はこれに類した閉鎖体を介して開閉することができる。そのために閉鎖体は、閉鎖体室（弁孔）内に摺動可能に収容されていて、この閉鎖体室もしくは弁孔には複数の圧力通路が開口している。開口箇所は、部材の運転時に、ハウジング内において高い材料応力の発生領域を形成し、ゆえに材料破損のおそれのある原則的な危険箇所である。

例えばスライド弁の弁ピストン室（弁孔）への圧力通路の開口箇所を、次のように、すなわち弁ピストン室の内部で弁ピストンの制御縁の作用領域において、ハウジングに、流体通路に接続された周溝が加工されているように、形成することが、従来技術に基づいて公知である。しかしながらこの場合周溝は、角張って成形されているのではなく、「丸み付け」されている。すなわち、周溝はその横断面（周方向に対して垂直な方向）において半円形を有し、好ましくは半径＝１／２通路幅の形状を有し、かつ横断面において全周にわたって一定の半径を有する。このような構成によって、周溝の領域における切欠き効果を減じること、ひいては部材ハウジングの負荷耐性を高めることができる。

しかしながらここで付言すると、大量生産された液圧部材のハウジングは、通常、鋳鉄又はアルミニウム合金から製造された鋳造品として形成されており、この場合そのために使用される材料は種々異なった負荷特性を有する。しばしば、圧縮強度ひいては圧縮強さの限界値は、材料に依存して、引張り強度ひいては引張り強さの限界値よりも大幅に高い。本発明の出願人による詳細な実験によって判明したことであるが、前提部に記載したハウジングでは、周溝の領域において運転時に、引張り負荷と圧縮負荷とがハウジング材料における異なった箇所において同時に発生し、この場合ハウジングの最大負荷は、使用された材料に関連して、引張り負荷された領域において、圧縮負荷された領域におけるよりもかなり早期に限界に達してしまう。

ゆえに本発明の課題は、上述のような技術的な認識を考慮して、液圧／空圧によって圧力負荷される部材のハウジングを改良して、該ハウジングの一般的な液圧／空圧に関する加圧強度を、ハウジングの外寸もしくは壁厚を増大させることなしに、高めることができるようにすることである。さらに、このようなハウジングを製造する方法を提供することが望まれている。

この課題は、請求項１の前提部に記載されたハウジングを特徴部記載のように構成することによって、かつ請求項７記載の方法ステップを有する方法によって解決される。本発明の別の有利な態様は、従属請求項に記載されている。

本発明の要旨は、例えば弁のような、圧力供給される部材のハウジングにおける通路丸み部を、ハウジング材料の引張り強度特性／圧縮強度特性に相応して、かつハウジング材料において運転時に発生する応力に相応して、場合によっては丸み部形状を非対称的に形成して、適合させることにある。具体的に述べれば、当該の溝形状の通路系（Kanalfuehrung）における丸み部は、周溝横断面において及び／又は溝の周囲に沿って及び／又は周溝縦断面において、基本的に連続して同じひいては対称的な半径もしくは溝形状を有しておらず、丸み部は、高負荷された領域における応力ピークを減じるため及び／又は高めるためにも、分析／計算によって求められた運転中における材料応力に合わせられている。これによって、場合によっては個々の非対称性が、周溝横断面において当該の周溝に沿って（つまり溝横断面中心軸線に関連して）、及び／又は溝の周囲に沿って、及び／又は溝縦断面において生じ、これによって、運転条件下における最大の材料負荷限界値を高めることができ、しかもそのために、ハウジングの外寸を増大させる必要はない。

単に圧力負荷される通路系だけを選択的に、非対称的に成形された丸み部を備えて形成すると、好適である。それというのは、これらの箇所において、材料における引張り負荷／圧縮負荷に対する最大の適合作用を得ることができ、しかもこの場合、算出によって求める手間や製造コストは最小に留められる。

通路系に対する通路丸み部を、個々に、好ましくは種々異なって形成すると、さらに好適である。しかしながらまた択一的に（場合によっては適合効果を容認可能に減じた場合には）、比較可能に負荷される個々の通路系の通路丸み部を、同様に形成することも可能である。このようにすると、製造コストを低減することができる。

次に図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態を説明する。

本発明の好適な実施形態による、例えば切換えスライド弁として形成された、液圧／空圧によって負荷される部材のハウジングを示す部分縦断面図である。 従来の構造形態による、図１に示したのと同様な構造の切換えスライド弁のハウジングを示す部分縦断面図である。

図２には、従来の切換えスライド弁のハウジング１の一部が、本発明の対象を使用することができる、圧力負荷可能な部材のための可能な一例として示されている。しかしながらもちろん、本発明を例えば、制御ブロック、モジュール等として形成された、一体に組み込まれた液圧式／空気力式の制御系において、圧力負荷可能な部材として使用することも可能である。

図２に示すように、単に例示された従来の切換えスライド弁は、内部に長手方向に延びる弁孔（弁ピストン室）２が成形されているハウジング１を有する。この弁孔２は図示の実施形態では、複数の制御縁が形成されている弁ピストン又は弁スライダ（図示せず）を、摺動可能に収容するために働く。

弁孔２には、互いに軸方向間隔をおいて、周溝３〜７が成形されており、これらの周溝３〜７は、図示されていない弁ピストンの制御縁を介して、該弁ピストンの軸方向ポジションに関連して開放又は閉鎖（場合によっては部分開放）される。周溝３〜７にはハウジング孔（接続孔）ＴＡ，Ａ，Ｐ，Ｂ，ＴＢが開口しており、これらのハウジング孔を介して、周溝３〜７に対して液圧／空圧が供給可能又は排出可能である。

詳しく述べれば、図示の実施形態では５つの周溝３〜７が、弁孔２に沿って該弁孔２に成形されており、これらの周溝３〜７のうち、内側に位置する３つの周溝４，５，６はそれぞれ、圧力供給可能な接続部（接続孔）Ａ，Ｐ，Ｂに接続されていて、軸方向外側に位置する２つの周溝３，７は、図示されていないタンクにそれぞれ通じる放圧接続部（タンク接続孔）ＴＡ，ＴＢに接続されている。軸方向外側に位置する両周溝３，７は、さらに上側（又は下側）に位置する通路ブリッジ８を介して互いに流体接続されている。周溝３〜７は、従来技術に基づいて公知の、図２に示した比較部材において、トラフ形状に、つまり溝横断面（周方向に対して垂直な断面）において、全周にわたって一定に半円形に形成されていて、予め設定された半径＝１／２通路幅という寸法を有している。

従来（例えばストレーンゲージを用いて又は有限要素プログラムによって）求められた応力線図では、従来の構造による切換えスライド弁のシミュレートされた運転中の、ハウジング材料における応力分布を、示している。その結果、図２に示されているような、周溝における公知の完全な丸み付けもしくは丸み部の結果、原理的には、可能な限り小さな切欠き効果しか発生せず、これによって、ハウジング材料における応力は、予め設定された（シミュレートされた）運転状況における実験例において、最大約１５２Ｎ／ｍｍ² に制限することができた。図２において符号Ｐｆ１で示した矢印、つまり、周溝４，６の丸み部領域において示されていて、ほぼ周溝４，６の、それぞれ放圧溝３，７に向いた側の横断面半部に方向付けられている、矢印Ｐｆ１は、この場合、ハウジング材料において高い引張り応力が生じる箇所を示す。図２において符号Ｐｆ２で示した矢印、つまり、同様に周溝４，６の丸み部領域において示されている矢印であって、しかしながら溝横断面中心軸線を挟んで矢印ＰＦ１とは反対側に位置している矢印Ｐｆ２は、ハウジング材料において特に高い圧縮応力が生じる箇所を示す。

例としてシミュレートされた運転から、最終的に、図２に示した検査された比較ハウジングの液圧／空圧に関する最大加圧強度は、約４００バールであることが、判明した。そしてこの最大加圧強度は、経験的に、統計上（材料変化を含む）約３００バールの液圧／空圧に関する加圧強度を保証するためには十分である。

図１には、図２に示したのと同様な切換えスライド弁が示されているが、図１に示す切換えスライド弁は、本発明のように構成された周溝丸み部を備えている。本発明による切換えスライド弁のその他の技術的な構成はすべて、既に述べた従来の構造形式の比較弁に相当する。従って以下においては、本発明における独特の構成についてだけ述べる。

具体的には、図２に示した従来の弁では、内側に位置する３つの周溝４，５，６に同時に（脈動しながら）流体圧が負荷された場合、２つのタンク接続部ＴＡ，ＴＢに直に隣接する両周溝４，６の領域において、ハウジング破損が発生した。そのためにこの２つの周溝４，６は、本発明の図示の実施形態では、その丸み部形状に関して、従来の弁とは異なった横断面形状を有する。

言い換えれば、従来の実験モデルにおいても、図示の実施形態に相応した本発明による実験モデルにおいても、ハウジング材料として、３００Ｎ／ｍｍ²の引張り強度と９６０Ｎ／ｍｍ²の加圧強度とを備えたＧＧ３０（しかしながらまたＧＧＧ４０も可能）が使用された。従ってこの一般的に汎用の材料では、圧縮強度の限界値は、引張り強度の限界値に比べて大幅に大きい。通路丸み部が周溝横断面において弁孔軸線に沿ってずれていることによって、つまり周溝横断面において異なった半径（ハウジング材料において圧縮応力が予期される領域における小さな半径ｒ１、ハウジング材料において引張り応力が予期される領域における大きな半径ｒ２）を有する２つの円弧部の設置による通路丸み部の形成によって、ハウジングの液圧／空圧に関する加圧強度を、全体として高めることができた。具体的には、図１に示すように周溝横断面（つまり周方向に対して垂直な方向）における通路丸み部は、通路４及び通路６（これらの周溝は圧力供給可能な接続部Ａ，Ｂに流体接続されている）に対しては変形されており、この場合通路の１つの横断面部分は半径ｒ１で丸み付けされ、かつ通路の他方の横断面部分は半径ｒ２で丸み付けされている。これによって通路横断面は全体として、ハウジング材料における引張り応力を（相応の箇所における、つまりそれぞれ放圧溝３，７に向いた側の溝横断面半部における、溝半径ｒ２の増大によって）減じることができ、かつ同時にハウジング材料における圧縮応力を（相応の箇所における、つまりそれぞれ放圧溝３，７とは反対側に位置する溝横断面半部における、溝半径ｒ１の縮小によって）高めることができるように、適合されている。使用される鋳造材料の「非対称的な」特性（許容可能な圧縮応力は許容可能な引張り応力よりも大幅に高い）は、そのために好適に利用されている。

これによって、図１に示した部材におけるシミュレートされた運転実験（図２に示した従来の部材に対する、既に述べた運転実験と同じ）では、本発明のように改良されたハウジングにおける材料応力は、１１８Ｎ／ｍｍ²に低下させることができた（従来の弁ではなお１５２Ｎ／ｍｍ²）。本発明のように改良されたハウジングの理論的な液圧／空圧に関する加圧強度は、本発明の使用によって、従来の弁と同じ外寸及びハウジング材料において、いまや４７０バールであった。この加圧強度は、統計上（材料変化を含む）約３５０バールの液圧／空圧に関する加圧強度を保証するためには十分である。すなわち、本発明の対象の使用時には、従来構造に対して約１５％高められた負荷耐性が得られる。

図１から明瞭に分かるように、圧力供給可能な接続部Ａ，Ｂに接続されている周溝４，６におけるそれぞれの通路丸み部が個々に横断面を適合されていると、溝横断面中心軸線に対して非対称的な溝横断面が生ぜしめられる。これに対して、少なくとも両タンク通路（周溝）３，７の通路丸み部と、図示の実施形態では、圧力接続部Ｐに流体接続されている真ん中の通路（周溝）５の通路丸み部は、対称的なままである。

さらに付言すると、溝横断面の個々の丸み部は、モデルをベースにして計算するか又は解析的に実験において求めることができる。また、実際に発生する材料応力への通路丸み部の個々の適合に際しては、使用されるハウジング材料の種々異なった圧縮負荷耐性／引張り負荷耐性を考慮して、例えば通路５の実施例に示すように、必ずしも、溝横断面における非対称性を形成する必要はない。その代わりに又は追加的に、通路横断面が、通路横方向ではなく（又は通路横方向だけではなく）、周溝の周方向において対称的に及び／又は非対称的に変化するような態様も可能である。さらに別の事実上可能な態様では、タンク接続部ＴＡ，ＴＢに流体接続されている外側の両周溝３，７及び／又は真ん中に配置された周溝５がそれぞれ、溝横断面において非対称的な通路丸み部、つまり溝横断面中心軸線に対して２つの異なった半径を備えた通路丸み部を有している。

ハウジング材料において生じる応力変化への丸み部形状もしくは非対称性の適合によって、通路丸み部は、周溝横断面においてのみならず、弁孔の長手方向軸線に関してもしくは（溝縦断面における）各周溝の周方向に沿っても、非対称的に形成されていてよく、又は択一的に、周溝横断面においてか又は各周溝の周方向に沿って、非対称的に形成されていてよい。最後に付言すると、図示の実施形態による通路４，６のための異なった半径ｒ１，ｒ２は、必ずしも同じである必要はなく、それぞれの通路に対して異なった値を有することができる。

１ ハウジング
２ 弁ピストン室、弁孔
３〜７ 周溝
８ 通路ブリッジ
Ａ，Ｐ，Ｂ 圧力接続部
ＴＡ，ＴＢ タンク接続部
ｒ１，ｒ２ 通路丸み部の半径
Ｐｆ１，Ｐｆ２ 材料応力矢印

Claims (8)

1. 液圧／空圧を供給可能な部材のハウジングであって、圧力負荷される少なくとも１つの通路系（４，５，６）を備え、該通路系（４，５，６）の通路横断面が通路丸み部を有するハウジングにおいて、
   圧力負荷される少なくとも１つの前記通路系（４，５，６）の前記通路丸み部は、該圧力負荷される通路系（４，５，６）の通路横断面及び／又は通路縦断面において、少なくとも部分的に非対称的に形成されていて、しかも、少なくとも２つの異なった半径（ｒ１，ｒ２）から形成されており、その場合に、ハウジング材料において運転時に圧縮応力が予期される前記通路丸み部の領域が小さい方の半径（ｒ１）であり、ハウジング材料において運転時に引張り応力が予期される前記通路丸み部の領域が大きい方の半径（ｒ２）であることを特徴とするハウジング。
2. 前記通路横断面は、通路長手方向において対称的に及び／又は非対称的に変化する、請求項１記載のハウジング。
3. 前記通路横断面は、全通路長さにわたって変化することなく等しい、請求項１記載のハウジング。
4. 少なくとも１つの放圧する通路系（３，７）の通路丸み部が、該放圧する通路系（３，７）の通路横断面及び／又は通路縦断面において、少なくとも部分的に非対称的に形成されている、請求項１から３までのいずれか１項記載のハウジング。
5. 前記ハウジングは、切換えスライド弁のハウジングであって、弁スライダを摺動可能に収容するための１つの弁孔（２）と、該弁孔の壁に形成されていて前記通路系（３〜７）を形成する複数の周溝とを備え、該周溝の各横断面は、選択的に非対称的な通路丸み部を有する、請求項１から４までのいずれか１項記載のハウジング。
6. 通路横断面形状が通路長手方向において通路丸み部を有する、圧力負荷される通路系（４，５，６）を備えた部材ハウジング（１）の、液圧／空圧に対する負荷耐性を高める方法であって、
   運転に基因する材料応力を、前記通路系（４，５，６）に沿って、解析によって及び／又は計算によって求め、
   求められた圧縮応力が高められると同時に、材料の求められた引張り応力が低下するように、通路丸み部を選択的に適合させ、この場合に、単数又は複数の選択された圧力負荷される通路系（４，５，６）の、通路横断面における前記通路丸み部を、少なくとも２つの異なった半径（ｒ１，ｒ２）から形成し、小さい方の半径（ｒ１）を、前記求められた圧縮応力の領域に形成し、かつ大きい方の半径（ｒ２）を、前記求められた引張り応力の領域に形成することを特徴とする方法。
7. 選択された圧力負荷される通路系（４，５，６）の通路丸み部を、通路縦断面において、非対称的に成形する、請求項６記載の方法。
8. 選択された放圧する通路系（３，７）の通路丸み部を、通路横断面及び／又は通路縦断面において、非対称的に成形する、請求項６又は７記載の方法。

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