KR101512871B1 - 솔레노이드 밸브의 전자기 액추에이팅 유닛 및 이의 제조 방법 - Google Patents

솔레노이드 밸브의 전자기 액추에이팅 유닛 및 이의 제조 방법 Download PDF

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섀플러 테크놀로지스 게엠베하 운트 코. 카게
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Abstract

본 발명은 축방향으로 변위 가능하게 아마추어 챔버(17) 내부에 배치된 아마추어(18)와, 수용부(15) 내에 배치되어 아마추어(18)의 운동 방향으로 아마추어 챔버(17)를 제한하는 극심(14)을 구비한 유압 방향 제어 밸브의 전자기 액추에이팅 유닛(01)에 관한 것이다. 전자기 액추에이팅 유닛은, 전자기 액추에이팅 유닛(01)의 특성 곡선을 조정하는 데 아마추어(18)의 기하 구조가 사용되는 것을 특징으로 한다.

Description

솔레노이드 밸브의 전자기 액추에이팅 유닛 및 이의 제조 방법{ELECTROMAGNETIC ACTUATING UNIT OF A SOLENOID VALVE, AND METHOD FOR THE PRODUTION OF SUCH AN ACTUATING UNIT}
본 발명은 솔레노이드 밸브, 특히 축방향으로 변위 가능하게 아마추어 챔버 내부에 배치된 아마추어와, 수용부 내에 배치되어 아마추어의 운동 방향으로 아마추어 챔버를 제한하는 극심을 구비한 유압 방향 제어 밸브의 전자기 액추에이팅 유닛에 관한 것이다.
이러한 방향 제어 밸브는 예컨대 유압 캠 샤프트 조절기의 제어를 위해 내연 기관에서 사용된다. 유압 캠 샤프트 조절기는 종래 기술에 충분히 설명되어 있으므로, 자세한 설명은 본원에서 생략해도 된다. 방향 제어 밸브는 전자기 액추에이팅 유닛 및 밸브 섹션으로 구성된다. 밸브 섹션은 방향 제어 밸브의 유압 섹션이며, 상기 유압 섹션에는 하나 이상의 공급 포트와, 하나 이상의 작동 포트 및 하나의 탱크 포트가 형성된다. 이때 전자기 액추에이팅 유닛을 이용하여 밸브 섹션의 특정 포트들을 유압식으로 서로 연결할 수 있으므로 압력 매체 흐름을 안내할 수 있다.
캠 샤프트 조절기 제어에 방향 제어 밸브를 사용할 경우, 방향 제어 밸브는 통상 4/3 비례 방향 제어 밸브 또는 4/2 비례 방향 제어 밸브로서 형성된다. 4/2 비례 방향 제어 밸브를 구비한 캠 샤프트 조절기는 예컨대 DE 102 11 467 A1호에 공지되어 있다.
DE 10 2005 048 732 A1호에는 축방향으로 변위 가능하게 아마추어 챔버 내부에 배치된 아마추어와, 극심을 구비한 유압 방향 제어 밸브의 전자기 액추에이팅 유닛이 설명되어 있다. 전자기 액추에이팅 유닛은 아마추어 챔버 뿐만 아니라 액추에이팅 유닛의 외부와도 상호 작용하는 하나 이상의 배출 채널을 포함한다. 아마추어 챔버 내 엔진 오일이 상기 배출 채널을 통해 액추에이팅 유닛으로부터 밖으로 안내될 수 있으므로, 아마추어 챔버 내부에는 플러싱 작용이 달성될 수 있다.
비례 밸브 자석의 경우, 제공된 각각의 경계 조건(boundary condition)에 맞게 자석의 특성 곡선을 조정하는 것이 우선적으로 요구된다. 밸브 섹션 내 유량 및 흐름 시간을 정확히 제어하기 위해, 전자기 액추에이팅 유닛의 특성 곡선은 전체 밸브 행정 동안 가급적 일정한 자력 추이를 가져야 한다. 종래 기술의 경우 이러한 원하는 추이에 맞게 특성 곡선을 조정하는 것은 극심의 기하 구조 변형에 의해 실행된다. 이를 위해, 통상적으로 성형 기술로 제조된 극심은 고비용의 추가 처리 과정을 거쳐야 한다.
따라서 본 발명의 목적은 액추에이팅 유닛의 특성 곡선 조정에 극심의 추가 처리가 필요하지 않은 전자기 액추에이팅 유닛을 제공하는 것이다. 오히려 특선 곡선 조정은 간단하게 구현될 구조상의 처리에 의해 가능해야 한다. 전자기 액추에이팅 유닛은 바람직한 특성 곡선 조정에도 불구하고 저렴한 가격으로 제조되어야 한다.
본 발명에 따른 목적을 달성하기 위해, 첨부된 청구 범위 제1항에 따른 전자기 액추에이팅 유닛 및 첨부된 청구범위 제11항에 따른 전자기 액추에이팅 유닛의 제조 방법이 사용된다. 본 발명에 따른 전자기 액추에이팅 유닛은, 아마추어의 기하 구조가 변경됨으로써 자기 액추에이팅 유닛의 특성 곡선이 조정되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 방법의 경우 아마추어의 기하 구조에 의해 구현된 특성 곡선 에 대한 영향이 매우 바람직하다. 아마추어는 기존의 절삭 가공, 예컨대 통상 CNC 기계를 이용한 선삭에 의해 제조되기 때문에, 요구되는 각각의 기하학적 변경은 아마추어의 제조 중에 처리될 CNC 프로그램 내에 이미 통합될 수 있다. 그 결과 처리 시간이 실질적으로 연장되는 일은 발생하지 않는다. 이제까지 극심에서 요구되었던, 비용이 많이 드는 후처리는 생략될 수 있다. 따라서 극심은 순전히 성형 기술만으로도 제조될 수 있으므로, 특성 곡선 조정에 드는 시간 및 비용이 종래의 제조 방법에 비해 현저히 절약된다.
액추에이팅 유닛의 각각의 사용 목적에 맞게 조정된 아마추어의 기하 구조가 우선적으로 고려되어야 한다. 자속을 안내하는 부품의 기하 구조에 따르는 전자기 액추에이팅 유닛의 특성 곡선 경로의 종속성을 맵핑할 수 있는 계산 모델은 당업자에게 공지되어 있다. 이제까지 일반적이었던 극심의 형태 변경 대신에 본 발명에 따라 이제 극심 형태는, 성형 기술에 의한 극심의 제조 이후 극심의 절삭 후처리가 더 이상 실행되지 않는 대신 아마추어의 기하 구조가 조정되도록 선택된다.
바람직한 실시예에서 아마추어는 극심 쪽 단부에 톱니 형태의 순환형 홈을 포함한다. 다른 실시예에서는 극심 쪽 단부에 V자 형태의 순환형 홈이 제공되는 아마추어가 사용된다. 극심 쪽 단부에 원호 형태의 순환형 홈을 갖는 아마추어도 바람직한 것으로서 입증되었다. 그러나 아마추어는 언급한 아마추어의 실시예에 국한되지 않는다. 아마추어의 다른 구성도 전적으로 고려해볼 수 있다. 특성 곡선에 대한 영향의 이유로 종래의 아마추어 형태에 비해 조정된 기하 구조는 절삭 가공에 의해 규칙적으로 제조될 수 있다. 그러나 변형예의 경우 성형에 의해 아마추어를 제조하는 것도 고려할 수 있다.
특히 바람직한 실시예에 따르면, 내연 기관용 캠 샤프트 조절기의 유압 방향 제어 밸브를 제어하기 위해 전자기 액추에이팅 유닛이 사용된다. 바람직한 다른 실시예의 경우 전자기 액추에이팅 유닛은 내연 기관에서 전환 가능한 밸브 유격 보상 요소의 제어에도 사용될 수 있다. 전환 가능한 이러한 밸브 보상 요소들은 예컨대 전환 가능한 버킷 태핏, 전환 가능한 롤러 태핏 또는 전환 가능한 캠 팔로우어이다. 전자기 액추에이팅 유닛이 내연 기관의 실린더 헤드에 배치되는 것이 바람직한 것으로 입증되었다.
전자기 액추에이팅 유닛은 바람직하게 4/3, 4/2 또는 3/2 방향 제어 밸브의 제어에 사용된다. 또한 전자기 액추에이팅 유닛이 비례 밸브 자석으로서 구현되어 비례 방향 제어 밸브의 제어에 사용되는 것이 바람직하다.
본 발명의 추가의 장점, 세부 사항 및 개선예는 도면을 참조로 하여 이하의 바람직한 실시예들의 상세한 설명에 기재되어 있다.
도 1은 본 발명에 따른 전자기 액추에이팅 유닛을 구비한 유압 4/3 방향 제어 밸브의 종단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 전자기 액추에이팅 유닛에서 사용된 아마추어의 제1 실시예의 부분도이다.
도 3은 본 발명에 따른 전자기 액추에이팅 유닛에서 사용된 아마추어의 제2 실시예의 부분도이다.
도 4는 본 발명에 따른 전자기 액추에이팅 유닛에서 사용된 아마추어의 제3 실시예의 부분도이다.
도 5는 본 발명에 따른 전자기 액추에이팅 유닛을 구비한 유압 3/2 방향 제어 밸브의 종단면도이다.
도 1은 본 발명에 따른 전자기 액추에이팅 유닛을 구비한 유압 4/3 방향 제어 밸브를 종단면도로 도시하고 있다. 상기 방향 제어 밸브의 바람직한 사용예는 유압 캠 샤프트 조절기의 위치 조절에 있다.
유압 방향 제어 밸브는 전자기 액추에이팅 유닛(01) 및 밸브 섹션(02)으로 구성된다. 밸브 섹션(02)은 밸브 하우징(04) 및 제어 피스톤(05)으로 구성된다. 밸브 하우징(04)은 1개의 공급 포트(P)와, 2개의 작동 포트(A, B) 및 1개의 배출 포트(T)를 포함한다. 제어 피스톤(05)은 축방향으로 변위 가능하게 밸브 하우징(04) 내부에 배치된다. 밸브 하우징(04)에 대해 제어 피스톤(05)이 적절하게 위치 설정됨으로써, 각각의 작동 포트(A, B)는 공급 포트(P) 또는 배출 포트(T)에 연결될 수 있다. 작동 포트(A, B)는 (도시되지 않은) 압력 매체 라인을 통해 (도시되지 않은) 캠 샤프트 조절기의 압력 챔버에 유압식으로 연결된다. 밸브 하우징(04) 내부에서 제어 피스톤(05)이 상응하게 위치 설정됨으로써, 선택적으로 캠 샤프트 조절기의 개별 압력 챔버에 압력 매체가 제공되거나 압력 챔버로부터 배출될 수 있으므로 캠 샤프트의 위상 위치는 크랭크 샤프트에 대해 조정될 수 있다.
전자기 액추에이팅 유닛(01)은 밸브 섹션(02)에 대해 축방향으로 오프셋되게 배치된다. 전자기 액추에이팅 유닛(01)으로서 바람직하게는 비례 밸브 자석이 사용된다. 전자기 액추에이팅 유닛(01)은 하우징(07) 내부에 배치된 코일 보빈(08)을 포함한다. 코일 보빈(08)은 복수의 와이어 권선으로 구성된 코일(09)을 지지하며, 비자성 재료로 구성된 코일의 압출 성형 외피(10)에 의해 적어도 부분적으로 둘러싸인다. 코일 보빈(08)에는 자석 요크(11)가 배치된다. 아마추어 가이드 튜브(13)는 자석 요크(11)에 대해 반경 방향으로 연장된다. 전자기 액추에이팅 유닛(01)은 수용부(15)에 의해 하우징(07)에 고정된 극심(14)을 또한 포함한다.
아마추어 가이드 튜브(13) 및 극심(14)은 축방향으로 변위 가능한 아마추어(18)가 내부에 배치되어 있는 아마추어 챔버(17)를 제한한다. 아마추어(18)의 기하 구조가 변경됨으로써 전자기 액추에이팅 유닛(01)의 특성 곡선은 해당 요건에 맞게 조정될 수 있다. 구체적인 사용예에 필요한 아마추어(18)의 기하 구조가 고려되어야 한다. 특성 곡선에 영향을 미칠 수 있다는 것은 비례 밸브 자석을 사용하는 전자기 액추에이팅 유닛(01)에서 특히 중요하다. 이 경우 전체 밸브 행정 동안 상기 특성 곡선이 가급적 일정한 선형의 경로를 갖는 것이 보장되어야 한다.
도 2, 도 3 및 도 4는 아마추어(18)의 다양한 실시예에 대한 예시를 도시하고 있다. 도 2에 도시된 실시예의 경우 아마추어(18)는 극심(14) 쪽 단부에 톱니 형태의 순환형 홈(20)을 포함한다. 도 3에 도시된 실시예는, 아마추어가 극심(14) 쪽 단부에 V자 형태의 순환형 홈(21)을 포함하는 것을 특징으로 한다. 도 4에 도시된 실시예에서 아마추어(18)는 극심(14) 쪽 단부에 원호 형태의 순환형 홈(22)을 갖는다. 아마추어 기하 구조를 해당 요건에 맞게 조정하는 데 필요한 기하학적 변경은 아마추어 제조에 사용된 CNC 프로그램 내에 통합될 수 있으므로, 추가의 처리 단계는 필요하지 않다.
아마추어(18)에는 푸시 로드(24)가 연결된다. 푸시 로드(24)는 극심(14)에 형성된 개구에 의해 연장된다. 푸시 로드(24)의 하나의 단부는 밸브 섹션(02)의 제어 피스톤(05)에 접한다. 개구 내에 미끄럼 베어링(25)이 제공될 수 있으므로 상기 지점에서의 마찰 손실이 최소화된다.
내연 기관의 작동 중 전자기 액추에이팅 유닛(01) 내에는 코일(09)의 전류 공급에 의해 자계가 생성된다. 이 경우 극심(14), 하우징(07), 자석 요크(11) 및 아마추어(18)는 아마추어(18)와 극심(14) 사이의 에어 갭에 의해 보완되는 흐름 경로로서 사용된다. 이때 코일(09)의 전류 공급에 따라 좌우되는 자력은 극심(14)의 방향으로 아마추어(18) 상에 작용한다. 아마추어(18)에 작용하는 자력 및, 스프링(26)에 의해 제어 피스톤(05)에 작용하는 스프링력이 균형을 이룸으로써, 아마추어(18) 및 이로써 제어 피스톤(05)은 2개의 단부 위치들 사이의 각각의 임의의 위치에 위치 설정될 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 전자기 액추에이팅 유닛을 구비한 유압 3/2 방향 제어 밸브를 종단면도로 도시하고 있다. 바람직하게 3/2 방향 제어 밸브는 예컨대 전환 가능한 버킷 태핏, 전환 가능한 롤러 태핏 또는 전환 가능한 캠 팔로우어와 같이 전환 가능한 밸브 유격 보상 요소를 제어하기 위해 사용된다.
유압 3/2 방향 제어 밸브는 다시 전자기 액추에이팅 유닛(01) 및 밸브 섹션(02)으로 구성된다. 밸브 섹션(02)은 밸브 하우징(04)을 포함한다. 밸브 하우징 내에는 폐쇄 부재(29) 및 밀봉 본체(30)가 배치된다. 밸브 하우징(04)은 공급 포트(P), 작동 포트(A) 및 배출 포트(T)를 포함한다. 작동 포트(A)는 (도시되지 않은) 압력 매체 라인을 통해 (도시되지 않은) 전환될 밸브 유격 보상 요소에 유압식으로 연결된다.
전자기 액추에이팅 유닛(01)은 밸브 섹션(02)에 대해 축방향으로 오프셋되게 배치된다. 전자기 액추에이팅 유닛(01)으로서는 바람직하게 비례 밸브 자석이 사용된다. 전자기 액추에이팅 유닛(01)은 다시 하우징(07), 코일(09) 및 자석 요크(11)를 포함한다. 아마추어 가이드 튜브(13)는 자석 요크(11)에 대해 반경 방향으로 연장된다. 전자기 액추에이팅 유닛(01)은 하우징(07)에 고정된 극심(14)과, 아마추어(18)를 또한 포함한다.
도 1에서 이미 설명한 바와 같이, 상기 실시예에서도 아마추어(18)의 기하 구조가 변경될 수 있으므로 전자기 액추에이팅 유닛(01)의 특성 곡선은 해당 요건에 맞게 조정될 수 있다. 아마추어(18)는 밸브 섹션(02)의 폐쇄 부재(29)에 연결된다. 작동 시 2개의 밸브 상태 즉, "개방"과 "폐쇄"만이 있다. 이는 전압력(full pressure)이 형성되거나 압력이 전혀 형성되지 않는 것을 의미한다.
01 : 전자기 액추에이팅 유닛
02 : 밸브 섹션
03 : -
04 : 밸브 하우징
05 : 제어 피스톤
06 : -
07 : 하우징
08 : 코일 보빈
09 : 코일
10 : 코일 압출부
11 : 자석 요크
12 : -
13 : 아마추어 가이드 튜브
14 : 극심
15 : 수용부
17 : 아마추어 챔버
18 : 아마추어
20 : 톱니형 홈
21 : V자형 홈
22 : 원호형 홈
24 : 푸시 로드
25 : 미끄럼 베어링
26 : 스프링
29 : 폐쇄 부재
30 : 밀봉 본체
A, B : 작동 포트
P : 공급 포트
T : 배출 포트

Claims (11)

  1. 축방향으로 변위 가능하게 아마추어 챔버(17) 내부에 배치된 아마추어(18)와, 수용부(15) 내에 배치되어 아마추어(18)의 운동 방향으로 아마추어 챔버(17)를 제한하는 극심(14)을 구비한 솔레노이드 밸브의 전자기 액추에이팅 유닛(01)에 있어서,
    아마추어(18)의 기하 구조는 전자기 액추에이팅 유닛(01)의 힘 경로 특성 곡선의 비선형성이 감소하도록 선택되고,
    아마추어(18)는 극심(14) 쪽 단부 외주면에 형성된 순환형 홈(20)을 갖는 것을 특징으로 하는 솔레노이드 밸브의 전자기 액추에이팅 유닛(01).
  2. 제1항에 있어서, 상기 순환형 홈(20)은 극심(14) 쪽 단부의 톱니 형태의 순환형 홈(20)인 것을 특징으로 하는 솔레노이드 밸브의 전자기 액추에이팅 유닛(01).
  3. 제1항에 있어서, 상기 순환형 홈(20)은 극심(14) 쪽 단부의 V자 형태의 순환형 홈(20)인 것을 특징으로 하는 솔레노이드 밸브의 전자기 액추에이팅 유닛(01).
  4. 제1항에 있어서, 상기 순환형 홈(20)은 극심(14) 쪽 단부의 원호 형태의 순환형 홈(20)인 것을 특징으로 하는 솔레노이드 밸브의 전자기 액추에이팅 유닛(01).
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 내연 기관용 캠 샤프트 조절기의 유압 방향 제어 밸브의 부분인 것을 특징으로 하는 솔레노이드 밸브의 전자기 액추에이팅 유닛(01).
  6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 내연 기관에서 전환 가능한 밸브 유격 보상 요소의 제어를 위한 솔레노이드 밸브의 부분인 것을 특징으로 하는 솔레노이드 밸브의 전자기 액추에이팅 유닛(01).
  7. 제6항에 있어서, 전환 가능한 밸브 유격 보상 요소들은 전환 가능한 버킷 태핏, 전환 가능한 롤러 태핏 또는 전환 가능한 캠 팔로우어인 것을 특징으로 하는 솔레노이드 밸브의 전자기 액추에이팅 유닛(01).
  8. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 4/3, 4/2 또는 3/2 방향 제어 밸브의 부분인 것을 특징으로 하는 솔레노이드 밸브의 전자기 액추에이팅 유닛(01).
  9. 제5항에 있어서, 내연 기관의 실린더 헤드에 배치되는 것을 특징으로 하는 솔레노이드 밸브의 전자기 액추에이팅 유닛(01).
  10. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 비례 밸브 자석을 포함하며, 비례 방향 제어 밸브의 부분인 것을 특징으로 하는 솔레노이드 밸브의 전자기 액추에이팅 유닛(01).
  11. 축방향으로 변위 가능하게 아마추어 챔버(17) 내부에 배치된 아마추어(18)와, 수용부(15) 내에 배치되어 아마추어(18)의 운동 방향으로 아마추어 챔버(17)를 제한하는 극심(14)을 구비한 유압 방향 제어 밸브의 전자기 액추에이팅 유닛(01)의 제조 방법에 있어서,
    전자기 액추에이팅 유닛(01)의 원하는 힘 경로 특성 곡선을 지정하는 단계와,
    자기적으로 작용하는 액추에이팅 유닛(01)의 다른 부품들과 관련하여 지정된 특성 곡선을 유도하는 아마추어(18)의 기하 구조를 결정하는 단계와,
    앞서 결정된 기하 구조로 아마추어(18)를 제조하는 단계와,
    전자기 액추에이팅 유닛(01)을 조립하는 단계를 포함하고,
    상기 기하 구조는 아마추어(18)의 극심(14) 쪽 단부 외주면에 그루브를 형성하는 순환형 홈(20)을 갖는 것을 특징으로 하는 전자기 액추에이팅 유닛(01)의 제조 방법.
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