KR101781155B1

KR101781155B1 - 전자 유압식 서보 밸브

Info

Publication number: KR101781155B1
Application number: KR1020147025433A
Authority: KR
Inventors: 죤 콥
Original assignee: 무그 인코포레이티드
Priority date: 2012-02-09
Filing date: 2012-02-09
Publication date: 2017-09-22
Also published as: CN104185740B; KR20140125852A; WO2013119240A1; EP2812585A1; US9309900B2; US20150069278A1; JP5981567B2; CA2862416A1; BR112014019492A8; CA2862416C; JP2015511302A; BR112014019492A2; CN104185740A

Abstract

모터 축선을 중심으로 배향되는 모터 출력 샤프트를 갖는 모터, 제1 위치로부터 제2 위치로 이동하도록 구성되는 밸브 구동 스풀, 모터 출력 샤프트에 기계적으로 커플링되는 슬리브를 갖는 밸브 구동 스풀과 모터 출력 샤프트 사이의 기계적 결합부, 모터 축선에 일반적으로 수직인 방향으로 슬라이딩 맞물림을 위해 구성되는 폴 샤프트, 피봇 조인트에 의해 폴 샤프트에 연결되는 링크, 링크에 커플링되고 구동 축선을 중심으로 회전 가능하며, 밸브 구동 스풀에 맞물리고 힘을 가하기 위해 단부 부분을 갖는 구동 샤프트, 및 구동 축선과 가해지는 힘 사이의 거리에 의해 곱해지는 모터 축선과 피봇 조인트 사이의 거리가 구동 축선과 피봇 조인트 사이의 거리보다 더 작도록, 폴 샤프트와 슬리브 사이에 바이어스를 제공하기 위한 스프링을 포함하는 밸브 시스템이 개시된다.

Description

전자 유압식 서보 밸브{ELECTRO-HYDRAULIC SERVO VALVE}

본 발명은 일반적으로 유압식 서보 밸브의 분야, 더 상세하게는 전기적으로 제어되는 유압식 서보 밸브들에 관한 것이다.

수많은 서보 밸브 구성들이 종래 기술에 공지되어 있다. 발명의 명칭이 "사다리꼴 구동부를 갖는 서보밸브(Servovalve Having a Trapezoidal Drive)" 인 미국 특허 제6,199,588호는 바이어스 스프링에 부착된 밸브 스풀에 전기 모터를 인터페이싱하기 위해 사다리꼴 형상의 구동부 요소를 갖는 서보 밸브를 개시한다.

발명의 명칭이 "직접 구동 서보밸브용 모터/스풀 인터페이스(Motor/Spool Interface for Direct Drive Servovalve)" 인 미국 특허 제6,000,678호는 밸브 부재가 샤프트의 회전에 의해 왕복하는 것을 야기하는 맞물림 부재를 구비한 모터 샤프트를 갖는 직접 구동 서보 밸브에 관한 것이다.

발명의 명칭이 "회전 포스 모터를 구비한 직접 구동 서보 밸브(Direct Drive Servovalve with Rotary Force Motor)" 인 미국 특허 제4,742,322호는 제한된 각도의 회전 포스 모터를 갖는 직접 구동 서보 밸브를 교시한다. 모터는 밸브 스풀과 인터페이싱하기 위해 볼(ball)을 구비한 편심 아암을 구비한 출력 샤프트를 갖는다.

발명의 명칭이 "상호 교환 가능한 고정자 조립체를 포함하는 직접 구동 밸브 및 포스 모터 조립체 및 정렬 시스템 또는 방법(Direct Drive Valve and Force Motor Assembly Including Interchangeable Stator Assembly and Alignment System or Method)" 인 미국 특허 제4,641,812호는 회전 운동을 선형 운동으로 전환하기 위해 편심부를 구비한 가요성 구동 샤프트 및 자기 스프링을 갖는 직접 구동 서보 밸브를 개시한다. 밸브 조립체는 유압식 밸브의 중립(null)을 자기 스프링의 중립에 대해 조정하기 위한 교정 너트를 포함한다.

발명의 명칭이 "단일 스테이지 서보밸브를 위한 상이한 실린더 압력 이득 보상(Differential Cylinder Pressure Gain Compensation for Single Stage Servovalve)" 인 미국 특허 제4,951,549호는 모터 회전을 유압식 4-방 스풀 밸브의 변위로 전환하기 위해 볼 스크류 메커니즘에 연결되는 전기 DC 스테핑 모터를 갖는 디지털 서보 밸브를 개시한다. 조립체는 밸브 스풀 커플링 저널에 고정되는 비틀림 바(torsion bar)를 포함한다.

발명의 명칭이 "단일 스테이지 서보밸브를 위한 상이한 실린더 압력 이득 보상(Differential Cylinder Pressure Gain Compensation for Single Stage Servovalve)" 인 미국 특허 제5,031,653호는 기계적 피드백 스프링들에 부착되는 단일 스테이지 왕복 밸브 스풀을 개시한다. 밸브 스풀은 전기적으로 제어되는 토크 모터에 의해 구동된다.

발명의 명칭이 "회전-선형 직접 구동 밸브용 모터-스풀 커플링(Motor-To-Spool Coupling for Rotary-To-Linear Direct Drive Valve)" 인 미국 특허 제5,263,680호는 회전을 선형 운동으로 전환하기 위해 전기 모터와 밸브 스풀 사이에 커플링을 갖는 밸브를 개시한다. 모터는 편평하고 아치형 표면들을 갖는 성형된, 외향으로 팽창 가능한 부싱에 밀접하게 커플링되는 핀을 구비한 샤프트를 갖는다.

본 발명은 전기적으로 제어되는 유압식 서보 밸브를 제공하기 위한 것이다.

단순히 비제한적인 예시의 목적으로 개시된 실시예의 대응하는 부품들, 부분들 또는 표면들에 괄호를 사용하여 참조 부호를 붙여 설명하게 되는데, 본 발명은 전자 유압식 밸브 시스템(210)을 제공하며, 이 전자 유압식 밸브 시스템은 모터 축선(23)을 중심으로 배향되는 모터 출력 샤프트(231)를 갖는 회전 전기 모터, 밸브 실린더(238)에 대하여 제1 위치로부터 제2 위치로 이동하도록 구성되고 배열되는 밸브 구동 스풀(224), 모터 출력 샤프트(231)와 밸브 구동 스풀(224) 사이에 있는 기계적 결합부(222)를 포함하며, 이 기계적 결합부는 모터 출력 샤프트(231)에 기계적으로 커플링되는 모터 출력 샤프트 슬리브(232), 일반적으로 모터 축선에 수직인 방향으로 모터 출력 샤프트 슬리브에 대해 슬라이딩 맞물림하도록 구성되고 배열되는 폴(pole) 샤프트(233), 피봇 조인트에 의해 폴 샤프트에 연결되는 링크(235), 링크에 커플링되고 구동 축선(240)을 중심으로 회전하도록 구성되고 배열되며, 밸브 구동 스풀에 맞물리고 힘을 가하도록 구성되고 배열되는 단부 부분을 갖는 구동 샤프트(252), 및 폴 샤프트와 모터 출력 샤프트 슬리브 사이에 바이어스를 제공하도록 구성되고 배열되는 스프링(223)을 가지며, 상기 기계적 결합부는 모터 축선과 피봇 조인트 사이의 거리(R1)와 구동 축선과 힘을 가하는 구동 샤프트의 단부 부분 사이의 거리(R3)를 곱한 값이 구동 축선과 피봇 조인트 사이의 거리(R2)보다 더 작도록 구성되고 배열되어, 회전 전기 모터의 회전은 밸브 구동 스풀이 제1 위치로부터 제2 위치로 이동되는 것을 야기한다.

회전 전기 모터는 토크 모터, 토로이달(toroidal) 모터, 또는 고체형(solid state) 액추에이터일 수 있다. 제1 위치는 폐쇄 위치일 수 있고 제2 위치는 개방 위치일 수 있다. 단부 부분은 퀼(quill)일 수 있다. 구동 샤프트는 베어링(236) 내에 유지될 수 있다. 스프링은 모터 출력 샤프트 슬리브에 대하여 폴 샤프트를 강제이동시키도록 구성되고 배열될 수 있어서 모터 축선과 피봇 조인트 사이의 거리를 감소시킨다. 스프링은 밸브 구동 스풀이 제1 위치에 있을 때 압축된 상태에 있도록 그리고 밸브 구동 스풀이 제2 위치에 있을 때 압축된 상태에 있도록 구성되고 배열될 수 있다. 스프링은 기계적 결합부의 백래시(backlash)를 감소시키도록 구성되고 배열될 수 있다. 구동 샤프트는 압축식 맞물림에 의해 링크에 커플링될 수 있고 압축은 세트 스크류(251)에 의해 조정 가능할 수 있다.

다른 양태에서, 전자 유압식 밸브 시스템이 제공되며, 이 전자 유압식 밸브 시스템은 모터 축선(230)을 중심으로 회전 가능하도록 구성되고 배열되는 모터 출력 샤프트(231)를 갖는 액추에이터, 밸브 본체(220)에 대해 제1 위치로부터 제2 위치로 이동하도록 구성되고 배열되는 밸브 구동 스풀(224), 모터 출력 샤프트와 밸브 구동 스풀 사이에 있는 기계적 결합부를 포함하며, 이 기계적 결합부는 모터 출력 샤프트에 기계적으로 커플링되는(232) 제1 링크(233), 기준부에 대하여 구동 축선(240)을 중심으로 회전가능하고 제1 기계적 인터페이스에서 제1 링크에 연결되며 제2 기계적 인터페이스에서 밸브 구동 스풀에 기계적으로 커플링되는 제2 링크, 및 모터 축선과 제1 링크 사이에 작용하는 바이어스 메커니즘을 가지며, 상기 기계적 결합부는 모터 축선과 제1 기계적 인터페이스 사이의 거리(R1)와 구동 축선과 제2 기계적 인터페이스 사이의 거리(R3)를 곱한 값이 제1 기계적 인터페이스와 구동 축선 사이의 거리(R2)보다 더 작도록 구성되고 배열되며, 액추에이터의 가동은 밸브 구동 스풀이 제1 위치로부터 제2 위치로 이동되는 것을 야기한다.

액추에이터는 토크 모터, 토로이달 모터, 고체형 모터 또는 MEMS 마이크로밸브 제어형 유압식 모터일 수 있다. 제1 위치는 폐쇄 위치일 수 있고 제2 위치는 개방 위치일 수 있다. 제1 링크는 슬라이딩 맞물림을 통하여 모터 출력 샤프트에 기계적으로 커플링될 수 있다. 슬라이딩 맞물림은 일반적으로 모터 축선에 수직인 방향일 수 있다. 제1 링크는 모터 출력 샤프트 슬리브를 통하여 모터 출력 샤프트에 기계적으로 커플링될 수 있다. 제1 기계적 인터페이스는 피봇 조인트를 포함할 수 있다. 제1 기계적 인터페이스는 기어형 인터페이스를 포함할 수 있다. 제2 기계적 인터페이스는 제2 링크에 부착되고 밸브 구동 스풀에 맞물리고 힘을 가하도록 구성되고 배열된 퀼을 포함할 수 있다. 제2 링크는 베어링(236)을 통하여 밸브 본체에 커플링될 수 있다. 밸브 본체는 서보 밸브 하우징을 포함할 수 있다. 전자 유압식 밸브 시스템은 제1 위치를 향하여 밸브 구동 스풀을 강제이동시키하도록 구성되고 배열되는 바이어스 메커니즘을 더 포함할 수 있다. 바이어스 메커니즘은 스프링일 수 있다. 스프링은 제1 링크를 강제이동시키하도록 구성되고 배열될 수 있어서 모터 축선과 제1 기계적 인터페이스 사이의 거리를 감소시킬 수 있다. 스프링은 밸브 구동 스풀이 제1 위치 및 제2 위치에 있을 때 압축된 상태에 있도록 구성되고 배열될 수 있다. 바이어스 메커니즘은 기계적 결합부에서 백래시를 감소시키도록 구성되고 배열될 수 있다. 기계적 결합부는 제2 링크와 제2 기계적 인터페이스 사이에 구성되고 배열되는 구동 샤프트(252)를 포함할 수 있다. 구동 샤프트는 제2 링크 및 세트 스크류(251)에 의해 압축식으로 맞물릴 수 있다.

다른 양태에서, 전자 유압식 밸브 시스템이 제공되며, 이 전자 유압식 밸브 시스템은 모터 축선(230)을 중심으로 회전 가능하도록 구성되고 배열되는 모터 출력 샤프트(231)를 갖는 액추에이터, 밸브 본체(220)에 대해 제1 위치로부터 제2 위치로 이동하도록 구성되고 배열되는 밸브 구동 스풀(224), 모터 출력 샤프트와 밸브 구동 스풀 사이의 기계적 결합부를 포함하며, 이 기계적 결합부는 모터 출력 샤프트 슬리브에 의해 모터 출력 샤프트에 기계적으로 커플링되는(232) 샤프트를 포함하는 제1 링크(233), 샤프트와 모터 출력 샤프트 슬리브 사이에 작용하는 바이어스 메커니즘, 받침점(fulcrum point)(240)을 중심으로 레버를 형성하도록 구성되고 배열되며 받침점의 일 측 상에 제1 레버 아암을 그리고 받침점의 대향 측 상에 제2 레버 아암을 갖는 제2 링크(235, 252)를 가지며, 제1 레버 아암은 제1 링크에 대해 제1 기계적 연결부를 갖고 제2 레버 아암은 밸브 구동 스풀 접촉 인터페이스를 가지며, 제2 링크는 받침점을 중심으로 기계적 이득을 제공하도록 구성되고 배열되며, 액추에이터의 가동은 밸브 구동 스풀이 제1 위치로부터 제2 위치로 이동하는 것을 야기한다.

제1 링크는 모터 출력 샤프트 슬리브를 통하여 모터 출력 샤프트에 기계적으로 커플링되는 폴 샤프트를 포함할 수 있다. 제1 링크는 헤드 단부(239) 및 피봇 단부를 포함할 수 있고, 제1 기계적 연결부는 제1 링크의 피봇 단부와 제1 레버 아암 사이에 플로팅 피봇 조인트를 포함할 수 있다. 전자 유압식 밸브 시스템은 폴 샤프트 헤드 단부와 모터 출력 샤프트 슬리브 사이에 구성되고 배열되는 스프링을 더 포함할 수 있다. 스프링은 밸브 구동 스풀이 제1 위치 및 제2 위치에 있을 때 압축될 수 있다. 제2 링크는 베어링 내에 장착될 수 있다. 받침점은 피봇 조인트를 포함할 수 있다. 밸브 구동 스풀 접촉 인터페이스는 퀼을 포함할 수 있다.

도 1은 서보 밸브 시스템의 일반적인 제1 실시예의 객체 다이어그램(object diagram)이다.
도 2는 도 1에 도시된 서보 밸브의 특정 제1 실시예의 사시도이다.
도 3은 도 2에 도시된 서보 밸브의 분해도이다.
도 4는 도 2에 도시된 서보 밸브의 저면 사시도이다.
도 5는 도 2에 도시된 서보 밸브의 평면도이다.
도 6은 도 5의 선 6-6을 따라 일반적으로 취해진 중립 구성 상태의 도 5에 도시된 서보 밸브의 수직 단면도이다.
도 7은 도 6의 선 7-7을 따라 일반적으로 취해진 도 6에 도시된 서보 밸브의 수평 단면도이다.
도 8은 도 7의 선 8-8을 따라 일반적으로 취해진 중립 구성 상태의 도 7에 도시된 서보 밸브의 수직 단면도이다.
도 9는 중립 구성 상태의 도 6에 도시된 서보 밸브의 부분 평면도이다.
도 10은 도 7의 선 8-8을 따라 일반적으로 취해진 작동 구성의 도 7에 도시된 서보 밸브의 수직 단면도이다.
도 11은 작동 구성의 도 10에 도시된 서보 밸브의 부분 평면도이다.
도 12는 서보 밸브의 특정 제2 실시예의 부분 평면도이다.
도 13은 서보 밸브의 특정 제3 실시예의 부분 평면도이다.
도 14는 도 9에 도시된 시스템의 자유 본체 다이어그램 기계적 모델이다.
도 15는 도 11에 도시된 시스템의 자유 본체 다이어그램 기계적 모델이다.
도 16은 전기 액추에이터 출력 샤프트의 회전 각도의 함수로서 제1 실시예의 바이어스 메커니즘에 의해 발생되는 토크를 도시하는 그래프이다.
도 17은 액추에이터 출력 샤프트의 회전 각도의 함수로서 액추에이터에 의해 제공될 필요가 있는 토크를 도시하는 그래프이다.

먼저, 동일한 참조 번호들은 몇몇의 도면의 도들에 걸쳐서 일관되게 동일한 구조적 요소들, 부분들 또는 표면들을 식별하는 것이 의도됨이 명백하게 이해되어야 하며, 그러한 요소들, 부분들 또는 표면들은 전체의 기록된 명세서에 의해 추가로 묘사되거나 설명될 수 있으며, 이들의 이러한 상세한 묘사들은 필수적인 부분이다. 달리 나타내지 않는다면, 도면들은 명세서와 함께 읽는 것이 의도되며(예컨대, 크로스-해칭, 부품들의 배열, 비율, 정도 등), 본 발명의 전체의 기록된 설명의 부분으로서 고려된다. 이후의 설명에서 사용되는 것과 같은, 용어들 "수평", "수직", 좌측", "우측", "위" 및 "아래", 뿐만 아니라 그의 형용사적 및 부사적 변형들(예컨대, "수평적", "우측으로", "상방으로" 등)은 단순히 특별한 도면의 도가 독자와 대면할 때 예시된 구조의 배향을 나타낸다. 유사하게는, 용어들 "내향으로" 및 "외향으로"는 일반적으로 그의 신장의 축선에 대해, 또는 회전의 축선에 대한 표면의 배향을 나타낸다.

이제 도면들, 더 특별하게는 도 1을 참조하면, 본 발명은 개선된 전자 유압식 밸브 시스템을 제공하며, 그의 제1 실시예는 일반적으로 210으로 표시된다. 도 1에 도시된 것과 같이, 전자 유압식 밸브 시스템(210)은 일반적으로 제어기(212), 유압식 펌프(213), 유압 액추에이터(214), 피동 대상(215), 및 위치 센서(216)를 포함하는 더 큰 서보 시스템(100)에서 통상적으로 사용된다. 서보 시스템(100)은, 유압 액추에이터(214)에 연결되는 유압 제어 포트(228 및 229)를 제어하기 위해 전자 유압식 밸브 시스템(210)에 명령을 내림으로써 피동 대상(215)의 위치를 제어하도록 구성된다.

도시된 것과 같이, 전자 유압식 밸브 시스템(210)은 일반적으로 회전 액추에이터(221), 기계적 결합부(222), 밸브 구동 스풀(224), 및 바이어스 스프링(223)을 포함한다. 전자 유압식 밸브 시스템(210)은 유압 공급 라인(226)과 유압 복귀 라인(225)을 통하여 유압식 펌프(213)에 연결된다. 전자 유압식 밸브 시스템(210)은 또한 유압 제어 포트(228)와 유압 제어 포트(229)를 통하여 유압 액추에이터(214)에 연결된다.

제어기(212)는 전자 유압식 밸브 시스템(210)에 서보 명령(217)을 제공한다. 명령(217)은 바람직한 설정 지점과 상호 관련된다. 설정 지점은 통상적으로 피동 대상(215)의 바람직한 위치 또는 피동 대상(215)의 바람직한 이동 속도이다. 전자 유압식 밸브 시스템(210)은 제어기(212)로부터 수신되는 명령(217)에 기반하여 유압식 펌프(213)로부터 유압 액추에이터(214)로의 유압 동력을 제어한다.

유압 액추에이터(214)는 제어 포트(228)와 제어 포트(229) 사이의 유압 압력에 차이가 있을 때 피동 대상(215)을 기계적으로 구동하도록 배열된다. 피동 대상(215)의 위치는 위치 센서(216)에 의해 검출되고 위치 센서(216)의 출력은 피드백(218)으로서 제어기(212)에 제공된다. 피드백 루프는 수신되는 피드백(218)의 크기의 함수로서 제어기(212)가 명령(217)을 조정하도록 제어기(212)를 통하여 실행된다.

정상 작업에서, 제어기(212)는 회전 액추에이터(221)에 아날로그 전류 형태의 명령(217)을 능동적으로 제공한다. 회전 액추에이터(221)는 일반적으로 명령(217)에 비례하는 토크를 그의 모터 출력 샤프트(231) 상에서 발생한다. 모터 출력 샤프트(231) 상의 토크는 기계적 결합부(222)에 의해 선형 힘으로 전환되고, 이는 밸브 구동 스풀(224)에 작용한다.

전자 유압식 밸브 시스템(210)은 유압식 펌프(213)로부터 유압 공급 라인(226)을 수용하고 유압식 펌프(213)로 유압 복귀 라인(225)을 복귀시킨다. 밸브 구동 스풀(224)은 제어 포트(228) 및 제어 포트(229)에 연결되어, 밸브 구동 스풀(224)의 위치가 변경될 때, 상이한 압력이 제어 포트(228)와 제어 포트(229) 사이에서 발생된다. 이러한 압력 차이는 유압 액추에이터(214)가 피동 대상(215)을 구동하는 것을 야기한다.

바이어스 스프링(223)은 밸브 구동 스풀(224)이 제어 포트(228) 및 제어 포트(229)에서, 또한 중립 위치 또는 중립 구성이라고 불리는 대략 동일한 압력들을 야기하는 위치를 향해 기계적 결합부(222)를 강제이동시킨다.

도 2는 제1 실시예의 전자 유압식 밸브 시스템(210)의 등각 평면도이다. 도 4는 유압 공급 포트(225p), 유압 복귀 포트(226p), 유압 제어 포트(228) 및 유압 제어 포트(229)를 도시하는, 전자 유압식 밸브 시스템(210)의 등각 저면도이다.

도 3은 전자 유압식 밸브 시스템(210)의 분해 등각도이다. 도 3에 도시된 것과 같이, 전자 유압식 밸브 시스템(210)은, 함께 볼트 결합된 하우징 상부 부분(220)과 본체(227)로부터 형성되는 밀봉된 공동 내에 그의 주요 요소들을 수납한다. 밀봉된 공동 내에 배열된 것은, 회전 액추에이터(221); 모터 출력 샤프트(231) 및 모터 출력 샤프트 슬리브(232); 폴 샤프트(233) 및 바이어스 스프링(223); 구동 링크(235) 및 피봇 조인트 핀(234); 퀼 구동 샤프트(252) 및 퀼(237); 그리고 밸브 구동 스풀(224)이다.

회전 액추에이터(221)는 축선(230)을 중심으로 회전하도록 구동되는 모터 출력 샤프트(231)를 갖는 회전 토크 모터이다. 하지만, 회전 토크 모터가 도시되고 설명되지만, 토로이달 모터, 스테퍼 모터, 유도 모터, 하이브리드 모터 또는 다른 유사한 액추에이터들과 같은 다른 타입들의 모터들을 사용하는 것을 고려할 수 있다.

모터 출력 샤프트(231)는 모터 출력 샤프트 슬리브(232)와 동일한 금속 주조 주형으로부터 함께 형성되어 이들은 단일 통합 부재로서 함께 이동된다. 대안적으로, 모터 출력 샤프트(231)와 모터 출력 샤프트 슬리브(232)는 별개의 피스들로 형성되어 함께 용접될 수 있다.

도 3 및 도 6에 도시된 것과 같이, 모터 출력 샤프트 슬리브(232)는 일반적으로 축선(244)을 중심으로 발생되는 원통형 관형 부재이고, 축선은 일반적으로 모터 출력 샤프트 축선(230)에 수직으로 배향된다. 모터 출력 샤프트 슬리브(232)는 폴 샤프트(233)가 안에 배열되는 중공 원통형 개구(232a)를 형성한다. 중공 실린더(232a)의 내경은 모터 출력 샤프트 슬리브(232) 및 폴 샤프트(233)가 최소의 공차를 가지고 축선(244)을 따라 서로 슬라이딩 맞물림하도록 폴 샤프트(233)를 수용하는 크기이다.

폴 샤프트(233)는 일 단부에 헤드(239)를 포함한다. 바이어스 스프링(223)은 모터 출력 샤프트 슬리브(232)와 폴 샤프트 헤드(239) 사이에서 작용하여, 슬라이딩 축선(244)을 따라 2개를 따로 강제이동시킨다. 핀 조인트 개구(233a)는 헤드(239)로부터 폴 샤프트(233)의 다른 단부에 위치된다. 피봇 조인트 핀(234)은 구동 링크(235) 내의 개구(235a) 안으로 폴 샤프트(233) 내의 대응하는 조인트 개구(233a)에 슬라이딩 가능하게 끼워져서 피봇 조인트를 생성한다. 핀 조인트 개구(233a), 피봇 조인트 핀(234) 및 링크 개구(235a)는 플로팅 피봇 조인트를 형성하도록 구성된다. 이러한 실시예에서, 피봇 조인트 핀 (234)은 리스 트 핀(wrist pin)이다. 하지만, 다른 대안적인 피봇 조인트 핀들이 사용될 수 있다.

구동 링크(235)는, 도 6에 도시된 것과 같이 퀼 구동 샤프트(252)가 세트 스크류(251)에 의해 압축식으로 유지되는 제2 개구(235b)를 갖는다. 정상 작업 동안, 구동 링크(235) 및 퀼 구동 샤프트(252)는 커플링되어 단일 유닛으로서 이동한다. 하지만, 퀼 구동 샤프트(252)에 구동 링크(235)를 유지하는 세트 스크류(251)는 구동 링크(235)와 퀼 구동 샤프트(252) 사이의 상대 회전 및 수직 위치를 조정하는 것이 요구됨에 따른 교정 동안 느슨해질 수 있다. 퀼 구동 샤프트(252)는 또한 퀼 샤프트(252)가 수직 축선(240)을 중심으로 본체(227)에 대해 회전하도록 하우징 본체(227)와의 회전 맞물림을 위해 상부 및 하부 저널 표면들을 갖는다.

퀼(237)은 퀼 구동 샤프트(252)의 바닥 단부 상에 위치된다. 퀼(237)은 밸브 구동 스풀(224)과 접촉하기 위해 일반적으로 구 형상의 외부 표면을 갖는다. 밸브 구동 스풀(224)은 종래의 유압식 스풀 밸브이다. 퀼(237)은 퀼 샤프트(252)의 중앙 샤프트(240)를 따라 배열되지 않는다. 이러한 오프셋의 결과로서, 퀼 샤프트(252)가 본체(227)에 대해 회전할 때, 이는 축선(240)을 중심으로 아치형으로 이동한다. 이러한 실시예에서 밸브 구동 스풀(224)에 대한 접촉 요소가 퀼이지만, 제한 없이 구동 노브(knob), 다이아몬드 표면 또는 다른 유사한 힘 전달 요소들을 포함하는 대안적인 접촉 요소들이 사용될 수 있다.

밸브 구동 스풀(224)은 밸브 본체(227)의 밸브 실린더(238)의 슬라이딩 가능한 맞물림을 위해 구성되고 배열된다. 퀼 샤프트(252)가 회전될 때, 퀼(237)은 밸브 구동 스풀(224)이 밸브 실린더(238) 내에서 이동하는 것을 야기한다. 밸브 구동 스풀(224)은 복수의 원통형 랜드(241a 내지 241f)들을 가지며, 이들은 각각의 랜드에 걸쳐 유체의 유압 누수를 최소화하기 위해 밸브 실린더(238)와 타이트한 방사상의 공차를 갖도록 구성된다.

회전 액추에이터(221)가 모터 출력 샤프트(231)가 회전하는 것을 야기할 때, 모터 출력 샤프트 슬리브(232)는 폴 샤프트(233)가 또한 회전하는 것을 야기한다. 폴 샤프트(233)가 회전할 때, 이는 핀 조인트 핀(234) 상에 푸시되고, 이는 구동 링크(235) 상에 푸시된다. 구동 링크(235)는 이에 의해 회전하도록 야기된다. 퀼 샤프트(252)는 구동 링크(235)에 단단하게 커플링되고 따라서 구동 링크(235)와 함께 회전한다. 퀼 샤프트(252)가 회전할 때, 이는 퀼(237)이 이동하고 밸브 구동 스풀(224)에 대하여 힘을 가하는 것을 야기하여, 밸브 구동 스풀(224)이 밸브 실린더(238) 내에서 슬라이드하는 것을 야기한다.

도 5는 밸브가 오프되는 제1 중립 구성 상태의 제1 실시예의 전자 유압식 밸브 시스템(210)의 평면도이다. 도 6은 도 5의 선 6-6을 따라 취해진 수직 단면도이고, 도 7은 도 6의 선 7-7을 따라 취해진 수평 단면도이다. 도 6에 도시된 것과 같이, 회전 액추에이터(221)는 하우징(220) 및 밸브 본체(227)에 의해 형성되는 챔버 내에 배열된다. 전기 모터는 회전 축선(230)을 갖는 회전 모터이다. 고정자(253) 및 로터 영역(257)은 양자가 일반적으로 회전 축선(230)을 중심으로 대칭이다. 고정자(253)는 하우징(220)에 커플링되고 코일들을 갖는다. 로터(257)는 회전 축선(230)을 중심으로 고정자(253)에 대한 회전 운동을 위해 장착된다. 로터(257)는 그의 외부 둘레를 따라 영구 자석 영역(254)을, 영구 자석 영역(254)의 방사상의 내측의 철 코어 영역(255)을, 그리고 중앙식으로 배열되는 모터 출력 샤프트(231)를 갖는다. 모터 출력 샤프트(231)는 환형 베어링(256a 및 256b)을 통하여 밸브 본체(227)에 회전식으로 커플링된다. 모터 출력 샤프트 슬리브(232)는 모터 출력 샤프트(231)와 동일한 금속 주조로부터 형성된다.

도 6에 도시된 것과 같이, 폴 샤프트(233)는 모터 출력 샤프트 슬리브(232) 내에 동심으로 배열된다. 폴 샤프트(233)는 축선(244)을 따라 모터 출력 샤프트 슬리브(232)와 좌측 및 우측 슬라이딩 맞물림을 위해 구성되고 배열된다. 바이어스 스프링(223)은 압축된 나선형 코일 스프링이고, 폴 샤프트(233)의 외부 원통형 표면을 따라 동심으로 배열되며, 폴 샤프트 헤드(239)의 좌측으로 향하는 수직 환형 표면과 모터 출력 샤프트 슬리브(232)의 우측으로 향하는 수직 환형 표면 사이에서 작용한다.

폴 샤프트(233) 및 구동 링크(235)는 피봇 조인트 핀(234)에 의해 기계적으로 커플링된다. 피봇 조인트 핀(234)은 그의 회전 축선이 밸브 본체(227)에 대해 고정되지 않기 때문에 플로팅 피봇 조인트라고 불린다. 피봇 조인트 핀(234)은 모터 출력 축선(230)으로부터 거리(R1) 만큼 변위되는 중심선(260)을 갖는다. 구동 링크(235)는 퀼 구동 샤프트(252)를 압축식으로 유지하기 위한 세트 스크류(251)를 포함한다. 퀼 구동 샤프트(252)는 환형 상부 및 하부 베어링(236a 및 236b)들에 의해 지지되며, 이들은 퀼 구동 샤프트(252)가 퀼 구동 샤프트 축선(240)을 중심으로 밸브 본체(227)에 대해 회전하는 것을 가능하게 한다. 퀼 구동 샤프트 축선(240)은 피봇 조인트 핀 중심선(260)으로부터 수평 거리(R2) 만큼 변위된다.

퀼(237)의 중심선(250)은 퀼 구동 샤프트 회전 축선(240)으로부터 거리(R3) 만큼 변위된다. 퀼(237)은 밸브 구동 스풀(224)과 접촉하게 된다. 밸브 구동 스풀(224)은 축선(244)에 수직인 방향으로 밸브 본체(227)의 밸브 실린더(238)와 슬라이딩 맞물림을 위해 배열되고 배향된다.

도 7은 모터 출력 샤프트(231) 중심과 피봇 조인트 핀(234) 사이의 거리(R1)를 도시한다. 또한 피봇 조인트 핀(234)과 중심 구동 샤프트(252) 중심 사이의 거리(R2)가 도시된다. 폴 샤프트(233)는 모터 출력 샤프트 슬리브(232)에 대해 축선(244)을 따라 좌측으로 및 우측으로 이동한다. 단면 절단 선 8-8은 퀼 중심선(250)을 통과한다.

도 8은 도 7의 선 8-8을 따라 취해진 전자 유압식 밸브 시스템(210)의 수직 단면이다. 도 8의 수직 단면은 퀼(237)의 중심을 통하여 취해진 것에 주의해야 한다. 도 8에 도시된 구성은 밸브가 폐쇄된 중립 구성이다. 밸브 구동 스풀(224)은 랜드(241a, 241b, 241c, 241d, 241e 및 241f)들을 갖는다. 퀼(237)은 랜드(241c)의 상부 우측면과 랜드(241d)의 상부 좌측면 사이에 수평으로 배열된다. 퀼(237)과 랜드(241c 및 241d)들 사이에 최소의 공차 또는 공차가 없는 것이 유지된다. 이하에 더 상세하게 설명되는 것과 같이, 퀼(237)이 퀼 샤프트 회전을 통하여 이동하는 것이 야기될 때, 퀼(237)은 랜드(241c) 또는 랜드(241d)에 대항하여 푸시되며, 이는 밸브 구동 스풀(224)이 밸브 실린더(238) 내에서 좌측 또는 우측으로 이동하는 것을 야기한다. 밸브 구동 스풀의 랜드(241c, 241d)들 및 퀼(237) 사이의 슬라이딩 마찰에 의해 야기되는 마모를 최소화하기 위해, 퀼(237)은 다이아몬드와 같은 경질 물질로 만들어질 수 있다.

도 8의 중립 구성에 도시된 것과 같이, 유압 제어 포트(228)와 밸브 실린더(238) 사이의 유압 유동은 랜드(241b)에 의해 차단된다. 유사하게, 유압 제어 포트(229)와 밸브 실린더(238) 사이의 유압 유동은 랜드(241e)에 의해 차단된다.

유압 공급 라인(225)은 도 8에 도시된, 좌측 유압 공급 챔버(225a)와 우측 유압 공급 챔버(226b)와 연통한다. 유압 공급 챔버(225a 및 225b)들은 고압 상태이다. 도 8에 도시된 중립 구성에서, 챔버(226a) 내의 고압 유압 유체는 밸브 구동 스풀의 랜드(241a)에 의해 좌측으로 유동하는 것이 방지되고 랜드(241b)에 의해 우측으로 유동하는 것이 방지된다. 유사하게, 챔버(226b) 내의 고압 유압 유체는 랜드(241e)에 의해 좌측으로 유동하는 것이 방지되고 밸브 구동 스풀의 랜드(241f)에 의해 우측으로 유동하는 것이 방지된다.

유압 복귀 라인(226)은 좌측 유압 복귀 챔버(226a)와 우측 유압 복귀 챔버(226b)와 연통한다. 유압 복귀 챔버(226a 및 226b)들은 낮은 유압 압력 상태이다. 도 8에 도시된 중립 구성에서, 유압 유체는 밸브 구동 스풀의 랜드(241b)에 의해 좌측으로부터 챔버(225a) 안으로 유동하는 것이 방지되고 랜드(241e)에 의해 우측으로부터 챔버(225b) 안으로 유동하는 것이 방지된다.

밸브 구동 스풀(224)이 좌측 또는 우측으로 이동될 때, 밸브 구동 스풀 랜드(241b 및 241e)들은 각각 제어 포트(228 및 229)들을 따라 더 이상 정렬되지 않으며, 이는 밸브 구동 스풀(224)이 이동되는 방향에 의존하여 유체가 고압 및 저압 챔버들로부터 또는 제어 포트(228 및 229)들로 또는 이들로부터 유동하는 것을 가능하게 한다.

도 9는 중립 구성 상태의 밸브 시스템의 부분 평면도이다. 밸브 구동 스풀(224)은 축선(282)을 따라 위로 그리고 아래로 슬라이딩한다. 밸브 구동 스풀(224)의 하부 단부는 중립 구성 상태에 있을 때 위치(280)에 정렬된다. 또한, 도 9에 도시된 것과 같이, 폴 샤프트(233), 모터 출력 샤프트 슬리브(232) 및 구동 링크(235)는 중립 위치에 있을 때 수평으로(축선(282)에 수직) 배향된다. 압축된 바이어스 스프링(223)은 길이(L)를 갖고, 폴 샤프트 헤드(239)와 모터 출력 샤프트 슬리브(232) 사이로 제약된다. 퀼(237)이 도 9에서 퀼 구동 샤프트(237)에 의해 시야로부터 가려지지만, 퀼(237)을 대표하는 "그림자"가 도 9 및 도 11에 237a로 도시된다.

모터 출력 샤프트(231)의 중심과 피봇 조인트 핀(234)의 중심 사이의 거리는 R1이다. 피봇 조인트 핀(234)의 중심과 퀼 구동 샤프트(252) 회전 축선 사이의 거리는 R2이다. 퀼(237)(도 9에 도시되지 않음)은 축선(282)을 따라 중심맞춤된다. 퀼 구동 샤프트(252) 회전 축선과 퀼(237)의 중심 사이의 거리는 R3이다.

도 10 및 도 11은 작동 구성 상태의 전자 유압식 밸브 시스템(210)을 도시하며 여기서 시스템 요소들은 대응하는 도 8 및 도 9에 도시된 중립 구성으로부터 가동되었다.

도 10 및 도 11에 도시된 것과 같이, 퀼 구동 샤프트는 각도(θ2) 만큼 시계방향으로 회전되었다. 도 10에 도시된 것과 같이, 퀼(237) 및 밸브 구동 스풀(224) 양자는 좌측으로 이동되었다. 도 11에 도시된 것과 같이, 퀼(237) 및 밸브 구동 스풀(224) 양자는 상방으로 이동되었다.

도 10을 다시 참조하면, 퀼(237)의 중심선은 X 의 크기의 수평 변위 만큼 퀼 샤프트 회전 축선(240)과 수평으로 정렬된 것으로부터 위치(250)로 이동되었다. 유사하게, 도 11을 참조하면, 밸브 구동 스풀(224)의 우측 단부는, 또한 X의 크기의 수직 변위로 위치(280)로부터 위치(281)로 상방으로 이동되었다.

도 10에 도시된 작동 구성에서, 밸브 구동 스풀의 랜드(241b 및 241e)들은 각각 제어 포트(228 및 229)들을 더 이상 커버하지 않는다. 갭이 좌측 유압 공급 챔버(225a)와 유압 제어 포트(228) 사이에 형성되고, 이는 유압 유체가 공급 챔버(225a)로부터 유압 제어 포트(228)로 유동하는 것을 가능하게 한다. 유사하게, 갭이 우측 유압 복귀 챔버(226b)와 유압 제어 포트(229) 사이에 형성되고, 이는 유압 유체가 유압 제어 포트(229)로부터 유압 복귀 챔버(226b)로 유동하는 것을 가능하게 한다.

도 11에 도시된 것과 같이, 모터 출력 샤프트(231)는 각도(θ1) 만큼 반시계방향으로 회전되었다. 모터 출력 샤프트 슬리브(232) 및 폴 샤프트(233)는 또한 각도(θ1)만큼 반시계방향으로 회전되었다. 폴 샤프트(233)는 양(dL) 만큼 모터 출력 샤프트 슬리브(232)에 대해(도 11에 도시된 것과 같이 좌측 및 하방으로) 슬라이딩 되었다. 대응적으로, 피봇 조인트 핀(234)의 중심과 모터 출력 샤프트(231)의 중심 사이의 거리는 R1로부터 R1'로 감소되었고, 감소량은 dL이다.

도 11에 도시된 것과 같이, 구동 샤프트(235) 및 커플링된 퀼 구동 샤프트(252)는 퀼 샤프트 회전 축선(240)을 중심으로 각도(θ2) 만큼 시계방향으로 회전되었다(퀼 샤프트 회전 축선(240)에 대하여 도 10 참조). 퀼(237)의 그림자는 237s 로부터 237s' 로 이동되었다. 밸브 구동 스풀(224)의 바닥 단부는 또한 X 크기의 수직 변위만큼 위치(280)로부터 위치(281)로 이동되었다.

모터 출력 샤프트(231)와 밸브 구동 스풀(224) 사이의 기계적 결합부는 단일 자유도의 결합부이다. 삼각 방정식들이 모터 출력 샤프트 회전(θ1)과 밸브 구동 스풀의 선형 변위(X) 사이의 함수적 관계를 발견하는 데 사용될 수 있다. 유사하게, 바이어스 스프링(223)의 길이의 변화(dL)는 θ1의 함수로서 또한 표현될 수 있다.

도 11을 관찰함으로써, 압축된 바이어스 스프링(223)의 길이는 전자 유압식 밸브 시스템(210)이 도 8 및 도 9에 도시된 중립 구성 상태에 있을 때 최대인 것이 명백하게 된다. 중립 구성으로부터 작동된 구성 상태에서 바이어스 스프링(223)을 더 짧은 길이(L')로 압축하기 위해 에너지가 소비되어야만 하기 때문에, 바이어스 스프링(223) 외의 시스템 내의 임의의 구동 토크 또는 외부 힘들이 없는 것이 뒤따르면, 전자 유압식 밸브 시스템(210)이 바이어스 스프링(223)에 의해 중립 구성으로 구동될 것이다.

이하, 전자 유압식 밸브 시스템(210)의 작동을 설명하는데, 이는 도 8 및 도 9에 도시된 중립 구성으로부터 도 10 및 도 11의 작동 구성으로 작동된다.

전자 유압식 밸브 시스템(210)이 중립 구성 상태인 기계적 모델을 도시하는 도 14를 참조하면, 회전 액추에이터(221)가 모터 출력 샤프트(231)에 반시계방향 토크(T1)를 가할 때, 기계적 결합부(222)는 토크(T1)를 밸브 구동 스풀(224)에 가해지는 상방 힘(F3)으로 변환한다. 동등한 시스템이 도 14에 도시된다. 모터 출력 샤프트(231)의 중심의 좌측인 폴 샤프트(233)의 부분은 "링크 1" 에 의해 표시된다. 구동 링크(235) 및 퀼 구동 샤프트(252)는 이들이 함께 커플링되기 때문에 단일 강성 부재를 효과적으로 형성하며 "링크 2"로서 표시된다. 받침점이 퀼 구동 샤프트(252)의 중심과 동심으로 위치된다. 링크 1 및 링크 2는 피봇 조인트 핀(234)에 대응하여 접촉을 통해 상호 작용한다.

회전 액추에이터(221)는 링크 1 상에 토크(T1)를 가한다. 링크 1은 링크 2 상에 하방 힘을 가하고, 이 링크 2는 상방 힘(F1)과 반작용해야만 한다. 링크 1 상에 작용하는 모멘트들을 상쇄하면 다음과 같이 된다:

T1 - F1 x R1 = 0

F1 = T1/R1

레버로서 작용하는 링크 2는 밸브 구동 스풀(224) 상에 상방 힘(F2)을 가한다. 링크 2 상의 모멘트들을 상쇄하면 다음과 같이 된다:

F2 x R3 - F1 x R2 = 0

F2 = F1 x R2/R3

상기 2 개의 식들을 조합하면 다음과 같이 된다:

F2 = (T1/R1) x R2/R3

F2 = T1 x R2/R1/R3

따라서, 기계적 결합부(222)의 기계적 이득은 R1, R2 및 R3에 의해 영향을 받는다. 기계적 이득은 R2를 증가시킴으로써, 또는 R1 또는 R3를 감소시킴으로써 증가될 수 있다. R2 > (R1 x R3)인 경우에는 언제나, 기계적 결합부(222)의 기계적 이득이 1보다 더 클 것이다.

요약하면, 모터 출력 샤프트 축선(230)에 받침점을 갖는 레버로서 작용하는 폴 샤프트(233)는 그의 토크를 피봇 조인트 핀(234) 상에 작용하는 힘을 통하여 전달한다. 피봇 조인트 핀(234)는 이러한 하방 힘을 구동 링크(235)에 전달한다. 구동 링크(235)는 또한 퀼 구동 샤프트 축선(240)을 중심으로 중심맞춤된 받침점을 갖는 레버로서 작용한다. 피봇 조인트 핀(234)과 축선(240) 사이의 길이(R2)는 구동 링크(235)의 제1 레버 아암으로서 작용하고, 축선(240)과 퀼(237) 사이의 길이(R3)는 구동 링크(235)의 제2 레버 아암으로서 작용한다. 구동 링크(235)에 가해지는 힘은 밸브 구동 스풀(224)에 퀼(237)에 의해 가해지는 상방 힘으로서 전달된다.

중립 구성에서, 피봇 조인트 핀(234)은 폴 샤프트(233) 상에 작용하는 바이어스 스프링(223)에 의해 우측으로 당겨진다. 이 힘은 완전히 수평이고 중립 구성에서의 토크 계산들에 영향을 미치지 않기 때문에 피봇 조인트 핀(234) 상의 이러한 힘은 상기 계산에서 무시한다. 하지만, 압축된 바이어스 스프링(223)은 수평 힘이 기계적 결합부(222)의 모든 조인트들에 걸쳐 유지되는 것을 야기할 수 있으며, 이는 백래시를 감소시키기 위해 작용한다는 것에 주의해야 한다. 예컨대, 모터 출력 샤프트 슬리브(232) 및 모터 출력 샤프트(231)는 바이어스 스프링(223)에 의해 좌측으로 푸시된다. 반작용 힘이 샤프트(231) 상의 밸브 본체(227)의 베어링들에 의해 가해진다. 피봇 조인트 핀(234)은 폴 샤프트(233)에 의해 우측으로 당겨지고 구동 링크(235)의 반작용 힘에 의해 좌측으로 당겨진다. 퀼 샤프트(252)를 유지하는 베어링들은 또한 구동 링크(235)에 의해 퀼 샤프트(252) 상에서 당기는 우측 힘에 반작용한다. 이러한 조인트들은 프리텐셔닝되거나 또는 예비 압축되기 때문에, 이들은 모터 출력 샤프트(231)가 회전 액추에이터(221)에 의해 가동될 때 현저한 백래시를 나타내지 않을 것이다.

상기 식들은 전자 유압식 밸브 시스템(210)이 중립 구성 상태일 때에만 시스템을 완전히 설명한다. 모터 출력 샤프트(231)가 회전할 때, 식들은 반드시 조정되어야만 한다. 부가적으로, 모터 출력 샤프트(231)가 회전할 때, 토크에 대한 스프링(233)의 효과들은 고려되기 시작해야 한다.

도 11에 도시된 것과 같이, 회전 액추에이터(221)는 모터 출력 샤프트(231)가 각도(θ1) 만큼 반시계방향으로 구동되는 것을 야기하였다. 모터 출력 샤프트 슬리브(232)는 모터 출력 샤프트(231)와 함께 회전된다. 모터 출력 샤프트 슬리브(232)는 폴 샤프트(233)에 회전 토크를 가한다. 폴 샤프트(233)가 반시계방향으로 회전할 때, 피봇 조인트 핀(234)은 하방으로 힘을 받는다. 하지만, 피봇 조인트 핀(234)과 퀼 구동 샤프트(252)의 중심 사이의 거리가 고정된 값(R2)으로 제약되기 때문에, 피봇 조인트 핀(234)은 폴 샤프트(233)가 이에 하방으로 힘을 가할 때 좌측으로 이동해야만 한다. 다시 말하면, 피봇 조인트 핀(234)이 하방으로 이동할 때, 구동 링크(235)는 피봇 조인트 핀(234)을 좌측으로 당긴다.

피봇 조인트 핀(234)이 좌측으로 이동하게 하기 위해, 폴 샤프트(233)를 또한 좌측으로 당겨야만 하며, 이는 폴 샤프트(233)가 모터 출력 샤프트 슬리브(232)에서 하방으로 그리고 좌측으로 슬라이딩하는 것을 야기한다. 폴 샤프트(233)가 모터 출력 샤프트 슬리브(232)에서 슬라이딩할 때, 바이어스 스프링(223)은 더욱더 길이(L')로 압축된다. 바이어스 스프링(223)의 압축 힘은 피봇 조인트 핀(234) 상에 상방으로 그리고 좌측으로 당긴다.

도 15는 도 11의 시스템의 기계적 모델을 도시한다. 링크 1은 각도(θ1) 만큼 반시계방향으로 회전되었다. 링크 1의 길이는 dL 만큼 증가되었고, 이는 폴 샤프트(233)가 모터 출력 샤프트 슬리브(232)에서 슬라이딩된 길이이다. 링크 2는 피봇 조인트 핀(234)이 링크 1의 회전에 의해 하방으로 당겨질 때 θ2 만큼 시계방향으로 회전되었다.

링크 2는 Fs로 나타낸 힘인, 폴 샤프트(233) 상에 작용하는 스프링 힘에 반작용해야만 한다. 힘(F2)에 의해 링크 2 상에 생성된 모멘트를 상쇄하기 위해, 수직 반응 힘(Fr)이 링크 1 상에 링크 2에 의해 가해져야만 한다. 이러한 반작용 힘(Fr)은 링크 1 상에 복원 토크를 생성한다. 효과적으로, 이는 바이어스 스프링(223)으로부터의 힘이 어떻게 모터 출력 샤프트(231)를 중립 구성으로 구동하는 모터 출력 샤프트(231) 상의 복원 토크를 야기하는지를 도시한다. 도 16은 전자 유압식 밸브 시스템(210)에 사용된 주어진 스프링 상수에 대한 모터 출력 샤프트 각도의 함수로서 모터 출력 샤프트(231)에 가해지는 예시적인 스프링 토크를 도시한다.

밸브 구동 스풀(224)에 가해지는 힘(F2)을 계산할 때, 주어진 회전 각도(θ1)에 대해 전기 모터(231)에 의해 가해지는 토크로부터 스프링 토크를 빼야만 한다.

또한, 도 15에 도시된 것과 같이, 기계적 이득 계산을 위한 식이 조정된 것을 볼 수 있다. 스프링 힘을 고려하지 않고(Fs = 0) 결합부의 기계적 이득을 분석하는 것이 가장 쉽다.

전기 모터(231)가 토크(T1)를 링크 1에 가한다면, 평형에서, 이러한 토크는 링크 2에 의해 가해지는 힘(Fr) 만큼 반작용되어야만 한다. Fr이 링크 2와 이루는 각도는 θ3이다. Fr은 링크 1에 수직이기 때문에, 아래의 식이 얻어진다.

θ3 = 180 - θ1 - θ2 - 90

θ3 = 90 - θ1 - θ2

링크 1에 대한 모멘트 균형 식은 아래와 같다.

T1 - Fr x (R1 + dL) = 0

Fr = T1/(R1 + dL)

따라서 링크 2에 대한 모멘트 균형 식은 아래와 같다.

Fr x sin(θ3) - F2 x sin(θ2) = 0

Fr x sin(90 - θ1 - θ2) - F2 x sin(θ2) = 0

Fr x sin(90 - θ1 - θ2) = F2 x sin(θ2)

F2 = Fr x sin(90 - θ1 - θ2)/sin(θ2)

Fr을 치환하면 아래의 식이 제공된다.

F2 = T1/(R1 + dL)/sin(90 - θ1 - θ2)/sin(θ2)

또한, 사인 법칙은 아래의 식을 제공한다.

sin(θ2)/(R1 + dL) = sin(θ1)/R2 = sin(180 - θ1 - θ2)/(R1 + R2)

이러한 연립 방정식들을 풀고 주어진 스프링 상수에 대한 결과들을 그래프로 도 16에 나타내며, 이는 모터 출력 샤프트(231)의 회전 각도(θ1)의 함수로서 바이어스 스프링(223)에 의해 발생된 토크를 그래프적으로 묘사한다. 그래프에 도시된 것과 같이, 단지 모터 출력 샤프트 각도가 0 일 때, 또는 다시 말하면 밸브가 중립 위치에 있을 때 토크가 0 이다. 임의의 다른 밸브 위치에서, 바이어스 스프링(223)은 모터 출력 샤프트(231)에 토크를 제공할 것이며, 이는 밸브를 중립 위치로 강제이동시킨다.

유압식 밸브들에 베르누이 힘(Bernoulli force)의 영향들 및 마찰 계수를 가하는 것이 도 17에 도시된 예시적인 그래프에 나타난다.

개시된 전자 유압식 밸브 시스템은 몇몇의 놀랄만한 이점들을 초래하였다. 개시된 전자 유압식 밸브 시스템은 현재의 유압식 밸브들보다 더 작고, 더 가볍고 더 빠르다. 현재의 유압식 밸브들은 통상적으로 작은 힘으로 큰 유압 힘을 제어하기 위해 다중 유압식 스테이지를 이용한다. 이러한 부가적인 유압식 스테이지들의 각각은 전체 밸브에 현저한 중량을 부가한다. 또한, 부가적인 유압식 스테이지들은 밸브의 전체 유압 누수를 증가시킨다. 개시된 전자 유압식 밸브 시스템은 단지 단일 스테이지 유압식 밸브 부분을 갖는다. 부가적인 유압식 스테이지들에 대한 요구가 없기 때문에, 개시된 전자 유압식 밸브 시스템은 더 작고 더 가볍다. 부가적으로, 개시된 전자 유압식 밸브 시스템은 단지 하나의 유압식 스테이지를 갖기 때문에, 현재 이용 가능한 다중 스테이지 유압식 밸브들보다 더 적은 누수를 겪는다.

또한, 종래의 전자 유압식 밸브들은 밸브 구동 스풀을 이동시키기 위해 필요한 힘들을 발생하기 위해 매우 큰 전기 액추에이터를 사용하거나, 대안적으로 현저한 백래시를 갖는 기계적 구조물들을 사용해야만 하는 반면, 개시된 전자 유압식 밸브 시스템은 비교적 작은 전기 액추에이터를 필요로 하는데 이는 그의 기계적 누수가 밸브 구동 스풀의 구동에서 현저한 기계적 이득을 제공하기 때문이다.

부가적으로, 개시된 전자 유압식 밸브 시스템은 최소의 백래시를 발생하는 특유의 기계적 결합부를 포함한다. 기계적 결합부가 기어들을 갖지 않기 때문에, 그리고 스프링으로부터 일정한 구조적 바이어스 하에 있기 때문에, 기계적 결합부는 거의 백래시를 겪지 않는다.

또한, 개시된 전자 유압식 밸브 시스템은 그의 바이어스 메커니즘의 디자인으로 인해 고유의 피드백 메커니즘 및 안티-백래시 메커니즘의 이점을 갖는다.

개시된 전자 유압식 밸브시스템의 다양한 대안적인 실시예들이 가능하다. 예컨대, 도 12는 전자 유압식 밸브 시스템의 제2 실시예(310)를 도시하며 여기서 전기 액추에이터는 유압식 증폭기 스테이지를 제어하는 전자적으로 제어된 MEMS(microelectromechanical system) 밸브(391)이다. MEMS 밸브(391)는 유압 공급 라인(395) 및 유압 복귀 라인(396)을 수용한다. 유압 유동은 제1 마이크로 유압 액추에이터(392) 및 제2 마이크로 유압 액추에이터(393)로 제어된다. 마이크로 유압 액추에이터(392 및 393)들은 모터 출력 샤프트(331) 상에 장착되는 구동 아암(394)에 연결되는 이들의 출력부들을 갖는다.

도 13에서 도면 부호 310으로 도시된 또 다른 대안에서, 전기 액추에이터는 고체형 액추에이터(421)이다. 프리로드된 스프링(498)이 액추에이터(421)가 모터 출력 샤프트 슬리브(432)를 시계방향 및 반시계방향 양쪽으로 이동시킬 수 있게 하기 위해 고체형 액추에이터(421)에 대향하여 장착된다.

따라서, 전자 유압식 밸브 시스템의 현재의 바람직한 형태가 도시되고 설명되었고, 몇몇의 수정들이 논의되었지만, 당업자는 다양한 부가적인 변경들이 본 발명의 범주로부터 벗어나지 않으면서 이루어질 수 있다는 것을 바로 이해할 수 있을 것이다.

Claims

전자 유압식 밸브 시스템으로서,
모터 축선을 중심으로 배향되는 모터 출력 샤프트를 포함하는 회전 전기 모터;
밸브 실린더에 대해 제1 위치로부터 제2 위치로 이동하도록 구성되고 배열되는 밸브 구동 스풀; 및
상기 모터 출력 샤프트와 상기 밸브 구동 스풀 사이의 기계적 결합부를 포함하며,
상기 기계적 결합부는,
상기 모터 출력 샤프트에 기계적으로 커플링되는 모터 출력 샤프트 슬리브;
상기 모터 축선에 수직인 방향으로 상기 모터 출력 샤프트 슬리브에 대해 슬라이딩 맞물림하도록 구성되고 배열되는 폴 샤프트;
피봇 조인트에 의해 상기 폴 샤프트에 연결되는 링크;
상기 링크에 커플링되고 구동 축선을 중심으로 회전하도록 구성되고 배열되며, 상기 밸브 구동 스풀에 맞물리고 힘을 가하도록 구성되고 배열되는 단부 부분을 가지는 구동 샤프트;
상기 폴 샤프트와 상기 모터 출력 샤프트 슬리브 사이에 바이어스를 제공하기 위해 구성되고 배열되는 스프링을 포함하며;
상기 기계적 결합부는 상기 모터 축선과 상기 피봇 조인트 사이의 거리와 상기 구동 축선과 상기 힘을 가하는 상기 구동 샤프트의 상기 단부 부분 사이의 거리를 곱한 값이 상기 구동 축선과 상기 피봇 조인트 사이의 거리보다 더 작도록 구성되고 배열되며;
상기 회전 전기 모터의 회전은 상기 밸브 구동 스풀이 상기 제1 위치로부터 상기 제2 위치로 이동되는 것을 야기하는, 전자 유압식 밸브 시스템.
제1항에 있어서,
상기 회전 전기 모터는 토크 모터, 토로이달 모터 및 고체형 액추에이터로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는, 전자 유압식 밸브 시스템.
제1항에 있어서,
상기 제1 위치는 폐쇄 위치이고 상기 제2 위치는 개방 위치인, 전자 유압식 밸브 시스템.
제1항에 있어서,
상기 단부 부분은 퀼(quill)인, 전자 유압식 밸브 시스템.
제1항에 있어서,
상기 구동 샤프트는 베어링에서 지지되는, 전자 유압식 밸브 시스템.
제1항에 있어서,
상기 스프링은 상기 모터 출력 샤프트 슬리브에 대해 상기 폴 샤프트를 강제이동시키도록 구성되고 배열되어 상기 모터 축선과 상기 피봇 조인트 사이의 상기 거리를 감소시키는, 전자 유압식 밸브 시스템.
제6항에 있어서,
상기 스프링은 상기 밸브 구동 스풀이 상기 제1 위치에 있을 때 압축 상태에 있고 상기 밸브 구동 스풀이 상기 제2 위치에 있을 때 압축 상태에 있도록 구성되고 배열되는, 전자 유압식 밸브 시스템.
제1항에 있어서,
상기 스프링은 상기 기계적 결합부의 백래시를 감소시키기 위해 구성되고 배열되는, 전자 유압식 밸브 시스템.
제1항에 있어서,
상기 구동 샤프트는 압축 맞물림에 의해 상기 링크에 커플링되고 상기 압축은 세트 스크류에 의해 조정 가능한, 전자 유압식 밸브 시스템.
전자 유압식 밸브 시스템으로서,
모터 축선을 중심으로 회전 가능하도록 구성되고 배열되는 모터 출력 샤프트를 포함하는 액추에이터;
밸브 본체에 대해 제1 위치로부터 제2 위치로 이동하도록 구성되고 배열되는 밸브 구동 스풀; 및
상기 모터 출력 샤프트와 상기 밸브 구동 스풀 사이의 기계적 결합부를 포함하며,
상기 기계적 결합부는,
상기 모터 출력 샤프트에 기계적으로 커플링되는 제1 링크;
상기 밸브 본체에 대해 구동 축선을 중심으로 회전 가능하고 제1 기계적 인터페이스에서 상기 제1 링크에 연결되고 제2 기계적 인터페이스에서 상기 밸브 구동 스풀에 기계적으로 커플링되는 제2 링크; 및
상기 모터 축선과 상기 제1 링크 사이에 작용하는 바이어스 메커니즘을 포함하며,
상기 기계적 결합부는 상기 모터 축선과 상기 제1 기계적 인터페이스 사이의 거리와 상기 구동 축선과 상기 제2 기계적 인터페이스 사이의 거리를 곱한 값이 상기 제1 기계적 인터페이스와 상기 구동 축선 사이의 거리보다 더 작도록 구성되고 배열되며,
상기 액추에이터의 가동은 상기 밸브 구동 스풀이 상기 제1 위치로부터 상기 제2 위치로 이동하는 것을 야기하는, 전자 유압식 밸브 시스템.
제10항에 있어서,
상기 액추에이터는 토크 모터, 토로이달 모터, 고체형 모터, 및 MEMS 마이크로밸브 제어형 유압식 모터로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는, 전자 유압식 밸브 시스템.
제10항에 있어서,
상기 제1 위치는 폐쇄 위치이고 상기 제2 위치는 개방 위치인, 전자 유압식 밸브 시스템.
제10항에 있어서,
상기 제1 링크는 슬라이딩 맞물림에 의해 상기 모터 출력 샤프트에 기계적으로 커플링되는, 전자 유압식 밸브 시스템.
제13항에 있어서,
상기 슬라이딩 맞물림은 상기 모터 축선에 수직인 방향인, 전자 유압식 밸브 시스템.
제10항에 있어서,
상기 제1 링크는 모터 출력 샤프트 슬리브에 의해 상기 모터 출력 샤프트에 기계적으로 커플링되는, 전자 유압식 밸브 시스템.
제10항에 있어서,
상기 제1 기계적 인터페이스는 피봇 조인트를 포함하는, 전자 유압식 밸브 시스템.
제10항에 있어서,
상기 제1 기계적 인터페이스는 기어형 인터페이스를 포함하는, 전자 유압식 밸브 시스템.
제10항에 있어서,
상기 제2 기계적 인터페이스는 상기 제2 링크에 부착되고 상기 밸브 구동 스풀에 맞물리고 힘을 가하도록 구성되고 배열되는 퀼을 포함하는, 전자 유압식 밸브 시스템.
제10항에 있어서,
상기 제2 링크는 베어링에 의해 상기 밸브 본체에 커플링되는, 전자 유압식 밸브 시스템.
제10항에 있어서,
상기 밸브 본체는 서보 밸브 하우징을 포함하는, 전자 유압식 밸브 시스템.
제10항에 있어서,
상기 바이어스 메커니즘은 상기 제1 위치를 향하여 상기 밸브 구동 스풀을 강제이동시키도록 구성되고 배열되는, 전자 유압식 밸브 시스템.
제10항에 있어서,
상기 바이어스 메커니즘은 스프링을 포함하는, 전자 유압식 밸브 시스템.
제22항에 있어서,
상기 스프링은 상기 제1 링크를 강제이동시키도록 구성되고 배열되어서 상기 모터 축선과 상기 제1 기계적 인터페이스 사이의 상기 거리를 감소시키는, 전자 유압식 밸브 시스템.
제10항에 있어서,
상기 바이어스 메커니즘이, 상기 밸브 구동 스풀이 상기 제1 위치 및 상기 제2 위치에 있을 때 압축 상태가 되도록 구성되고 배열되는 스프링을 포함하는, 전자 유압식 밸브 시스템.
제10항에 있어서,
상기 바이어스 메커니즘은 상기 기계적 결합부의 백래시를 감소시키도록 구성되고 배열되는, 전자 유압식 밸브 시스템.
제10항에 있어서,
상기 기계적 결합부는 상기 제2 링크와 상기 제2 기계적 인터페이스 사이에 구성되고 배열되는 구동 샤프트를 포함하는, 전자 유압식 밸브 시스템.
제26항에 있어서,
상기 구동 샤프트는 압축 맞물림에 의해 상기 제2 링크에 커플링되고 상기 압축은 세트 스크류에 의해 조정될 수 있는, 전자 유압식 밸브 시스템.
전자 유압식 밸브 시스템으로서,
모터 축선을 중심으로 회전 가능하도록 구성되고 배열되는 모터 출력 샤프트를 포함하는 액추에이터;
밸브 본체에 대해 제1 위치로부터 제2 위치로 이동하도록 구성되고 배열되는 밸브 구동 스풀; 및
상기 모터 출력 샤프트와 상기 밸브 구동 스풀 사이의 기계적 결합부를 포함하며,
상기 기계적 결합부는,
모터 출력 샤프트 슬리브에 의해 상기 모터 출력 샤프트에 기계적으로 커플링되는 샤프트를 포함하는 제1 링크;
상기 샤프트와 상기 모터 출력 샤프트 슬리브 사이에 작용하는 바이어스 메커니즘;
받침점을 중심으로 레버를 형성하도록 구성되고 배열되며 상기 받침점의 일 측 상에 제1 레버 아암을 갖고 상기 받침점의 대향 측 상에 제2 레버 아암을 갖는 제2 링크를 포함하며;
상기 제1 레버 아암은 상기 제1 링크에 대해 제1 기계적 연결부를 갖고 상기 제2 레버 아암은 밸브 구동 스풀 접촉 인터페이스를 가지며,
상기 제2 링크는 상기 받침점을 중심으로 기계적 이득을 제공하도록 구성되고 배열되며;
상기 액추에이터의 가동은 상기 밸브 구동 스풀이 상기 제1 위치로부터 상기 제2 위치로 이동하는 것을 야기하는, 전자 유압식 밸브 시스템.
삭제
제28항에 있어서,
상기 제1 링크는 헤드 단부 및 피봇 단부를 포함하고, 상기 제1 기계적 연결부는 상기 제1 링크의 상기 피봇 단부와 상기 제1 레버 아암 사이에 플로팅 피봇 조인트를 포함하는, 전자 유압식 밸브 시스템.
제30항에 있어서,
상기 바이어스 메커니즘이, 상기 제1 링크의 상기 헤드 단부와 상기 모터 출력 샤프트 슬리브 사이에 구성되고 배열되는 스프링을 포함하는, 전자 유압식 밸브 시스템.
제31항에 있어서,
상기 스프링은 상기 밸브 구동 스풀이 상기 제1 위치 및 상기 제2 위치에 있을 때 압축되는, 전자 유압식 밸브 시스템.
제28항에 있어서,
상기 제2 링크는 베어링에 의해 지지되는, 전자 유압식 밸브 시스템.
제28항에 있어서,
상기 받침점은 피봇 조인트를 포함하는, 전자 유압식 밸브 시스템.
제28항에 있어서,
상기 밸브 구동 스풀 접촉 인터페이스는 퀼을 포함하는, 전자 유압식 밸브 시스템.