KR101902697B1 - 압력 보상형 유량 제어 기능을 갖는 정유압 무단 변속기용 중립밸브 및, 중립밸브에 구비되는 스풀 시트 설계방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 기존의 중립 밸브와 비교하여 운전자의 조작감과 운전 안정성을 향상시켰다는 특징을 갖고 있다. 또한, 본 발명은 기존의 중립 밸브에 구비되던 댐퍼 기구부가 불필요하므로, 구성 요소가 적고 구조가 단순하여 중립 밸브를 소형화 및 경량화시킬 수 있으며, 생산 단가와 유지 보수 비용을 낮출 수 있고, 고장 발생을 크게 감소시킬 수 있다. 본 발명은 농기계, 건설기계 뿐만 아니라, 정유압 무단 변속기 및 유사 변속장치가 적용되는 모든 기계 장치에 적용될 수 있다.

Description

압력 보상형 유량 제어 기능을 갖는 정유압 무단 변속기용 중립밸브 및, 중립밸브에 구비되는 스풀 시트 설계방법{Neutral valve for continuously variable hydrostatic transmission with Pressure compensated flow control and, design methods for spool seat provided in the neutral valve}

본 발명은 정유압 무단 변속기용 중립밸브에 대한 것으로서, 더욱 구체적으로는 (i) 기존의 중립 밸브와 비교하여 운전자의 조작감과 운전 안정성이 향상되고, (ii) 기존의 중립 밸브에 구비되던 댐퍼 기구부가 불필요하므로, 구성 요소가 적고 구조가 단순하여 중립 밸브를 소형화 및 경량화시킬 수 있으며, (iii) 생산 단가와 유지 보수 비용을 낮출 수 있고, 고장 발생을 크게 감소시킬 수 있으며, (iv) 농기계, 건설기계 뿐만 아니라, 정유압 무단 변속기 및 유사 변속장치가 적용되는 모든 기계 장치에 적용될 수 있는, 압력 보상형 유량 제어 기능을 갖는 정유압 무단 변속기용 중립밸브에 대한 것이다.

아울러, 본 발명은 이러한 중립밸브에 구비되는 스풀시트의 설계 방법에 대한 것이기도 한다.

일반적으로, 트랙터, 콤바인 등과 같은 유압 장비에는 정유압 무단 변속기가 많이 사용되고 있다. 정유압 무단 변속기는 경사판의 경사 각도가 변함에 따라 토출유량이 가변되는 사판식 가변 용량형 유압펌프와, 고압측 메인 유로와 저압측 메인 유로로 이루어지는 1쌍의 메인 유로를 통하여 가변용량형 유압펌프에 연결되어 가변용량형 유압펌프의 토출유량에 따라 회전속도가 가변되는 유압 모터를 포함한다.

이러한 정유압 무단 변속기에서 유압장비의 작동(예를 들어, 주행)을 정지시키기 위해서는 경사판의 각도를 0˚로 전환하여 유압모터로 공급되는 유량을 0으로 하여야 한다. 그러나, 운전자가 경사판 각도를 정확하게 0˚로 조정하는 것이 사실상 불가능하여 모터를 정지 상태로 유지하는 것이 매우 어렵다.

이러한 문제점을 해결하기 위해서 정유압 무단 변속기에 중립 밸브를 설치하는 방안이 제안되었다. 도 1은 중립밸브를 구비하는 정유압 무단 변속기의 구성을 보여준다.

유압 펌프(P)는 엔진, 전기 모터 등과 같은 동력원에 의해 회전 구동되어 유압 모터(M)의 회전을 위한 유량을 공급한다. 유압 펌프(P)가 공급하는 유량은 경사판의 각도에 따라 변한다.

유압 모터(M)는 유압 펌프(P)로부터 공급되는 유량에 의해 회전되어 휠 또는 회전 부하를 구동한다. 유압 모터(M)의 회전 속도는 상기 유량에 따라 변한다.

압력 릴리프 밸브(R)는 유압 펌프(P)의 초과 압력을 방지하여 장치를 보호하기 위한 밸브로서, 소정 압력을 초과하는 유압이 작용하면 작동유를 탱크(T2)로 배출하도록 작동한다.

중립밸브(10)는 중립 구간(기준 압력 미만)에서 유압 모터(M)의 정지상태를 유지하기 위한 밸브이다. 구체적으로 설명하면, 중립밸브(10)는 경사판의 각도가 기준 각도 미만(즉, 중립 구간 내)이어서 유압 펌프(P)로부터 공급되는 작동유의 압력이 기준 압력(P^*) 미만인 경우에는 모든 작동유가 오리피스를 통해 탱크(T1)로 귀환되도록 한다. 그리고, 중립밸브(10)는 경사판의 각도가 증가되어 유압 펌프(P)로부터 공급되는 작동유의 압력이 기준 압력(P^*) 이상인 경우에는 모든 작동유가 유압 모터(M)로 공급되도록 한다.

중립밸브(10)의 내부 구조는 공지된 것으로서, 당업자에게 잘 알려져 있다. 도 2a는 상기 중립밸브(10)의 구조를 보여주는 단면도이다. 경사판 각도가 정확히 0˚를 이루지 못하되 중립 구간 내에 있으면 유압 펌프(P)로부터 작동유가 공급되고, 이 작동유는 공급 유로(11)와 유입구(21)를 통해서 내부 공간(22)으로 유입된다.

내부 공간(22)의 작동유로 인한 힘(F1)이 리턴 스프링(54)의 탄성 복원력(F2) 보다 작으면 스풀(40)이 움직이지 않고(도 2b), 이에 따라 스풀 오리피스(41)와 배출구(32)가 연통되어 모든 작동유가 드레인 유로(12)를 통해서 탱크(T1)로 귀환된다.

힘(F1)이 탄성 복원력(F2) 보다 크면 스풀(40)이 우측으로 이동하고(도 2c), 이에 따라 스풀(40)이 배출구(32)를 밀폐함으로써 모든 작동유가 유압모터(M)로 공급된다. 그리고, 이 상태에서 힘(F1)이 탄성 복원력(F2) 보다 작아지면 스풀(40)이 좌측으로 이동됨으로써 스풀 오리피스(41)와 배출구(32)가 연통되어 모든 작동유가 드레인 유로(12)를 통해서 탱크(T1)로 귀환된다.

그런데, 위와 같이, 중립 구간의 끝단을 전후해서 유압 모터(M)로 공급되는 유량이 급격하게 변하게 되므로, 유압 장비의 급전진, 급후진 등의 문제가 발생하게 되고 운전자의 조작감이 저하되며 안정적인 운전이 방해된다는 문제점이 있다.

도 3a ~ 3c는 중립 구간의 끝단을 전후한 유압 모터(M)의 회전속도, 유압 모터(M)에 공급되는 작동유 유량, 중립 밸브(10)를 통과하는 유량을 각각 보여준다. 도면에서 P^*는 유압 모터(M)를 회전시키기 위한 최소 압력 또는 그 보다 약간 큰 압력을 의미하고, Q^*는 중립 유지를 위한 경사판 각도의 최대 허용치(θ^*)와 대응되거나 θ^* 보다 약간 큰 각도에 대응하는 유량으로 설정된 값이다.

도 3c에 나타난 바와 같이, 기준 압력(P^*)에서 중립밸브 통과 유량이 최대로 되고, 그 이후에는 급격히 감소하는데, 이것은 스풀(40)이 배출구(32)를 밀폐함으로써 모든 작동유가 유압모터(M)로 공급되기 때문이다. 아울러, 경사각도가 θ^*일 때 유압 모터(M)로 공급되는 유량이 급격하게 증가하고(도 3b), 이에 따라 유압 모터(M)의 회전 속도도 급격하게 증가한다(도 3a).

한편, 댐퍼 기구부는 스풀(40)의 급격한 이동을 방지하기 위한 것으로서, 밸브 몸체(30)의 후단에 설치된다. 댐퍼 기구부는 오리피스(52)가 형성된 피스톤(51)과, 체크 플레이트(53)와, 리턴 스프링(54)을 포함하는데, 댐퍼 기구부는 아래와 같은 문제점을 갖고 있다.

스풀(40)이 우측으로 이동할 때에는 체크 플레이트(53)가 피스톤(51)으로부터 분리되므로 피스톤 오리피스(52)가 개방되고, 스풀(40)이 좌측으로 이동할 때에는 체크 플레이트(53)에 의해서 피스톤 오리피스(52)가 밀폐된다.

그런데, 저온 환경인 경우, 체크 플레이트(53)가 피스톤(51)에 결빙되어 고착되는 경우가 있는데, 이렇게 결빙되면 스풀(40)이 우측으로 이동할 때 후방 배압실(56)의 작동유가 전방 배압실(55)로 이동하지 못하게 되어 스풀(40)이 배출구(32)를 밀폐하지 못하게 됨으로써 중립 밸브(10)의 기능을 할 수 없게 된다는 문제점이 있다.

그리고, 고온 환경인 경우, 체크 플레이트(53)가 배압실(55)(56) 내의 고온 작동유에 의해서 열변형되는 경우가 있고, 이런 경우에는 체크 플레이트(53)가 피스톤(51)에 면접촉할 수 없기 때문에 피스톤 오리피스(52)를 차단하지 못하게 되는 문제점이 있다.

아울러, 도 2c의 상태에서 스풀(40)이 좌측으로 이동할 경우, 체크 플레이트(53)가 피스톤 오리피스(52)를 밀폐하므로, 전방 배압실(55)의 작동유는 피스톤(51)과 밸브 몸체(30) 내주면 사이의 미세한 틈을 통해서 후방 배압실(56)로 이동한다. 따라서, 피스톤(51)과 밸브 몸체(30) 및 스풀(40)을 매우 정밀하게 가공해야 하므로, 원가 상승의 원인이 된다.

본 발명은 상기 문제점들을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 기존 중립밸브의 중립 구간의 양쪽 끝단에서 유량이 급격하게 변하는 문제를 해결함으로써, (i) 기존의 중립 밸브와 비교하여 운전자의 조작감과 운전 안정성이 향상되고, (ii) 기존의 중립 밸브에 구비되던 댐퍼 기구부가 불필요하므로, 구성 요소가 적고 구조가 단순하여 중립 밸브를 소형화 및 경량화 시킬 수 있으며, (iii) 생산 단가와 유지 보수 비용을 낮출 수 있고, 고장 발생을 크게 감소시킬 수 있으며, (iv) 농기계, 건설기계 뿐만 아니라, 정유압 무단 변속기 및 유사 변속장치가 적용되는 모든 기계 장치에 적용될 수 있는, 압력 보상형 유량 제어 기능을 갖는 정유압 무단 변속기용 중립밸브를 제공하는 것에 그 목적이 있다.

본 발명의 또 다른 목적은, 위 (i) ~ (iv)의 성능을 가짐과 동시에, 중립밸브를 통해 탱크로 배출되는 누유량을 감소시킬 수 있는 중립밸브 및, 이러한 중립밸브에 구비되는 스풀시트의 설계 방법을 제공하는 것에 있다.

본 발명의 제1 실시예에 따른 중립밸브(100)는, 삽입 홀(111)과 공급 유로(112) 및 드레인 유로(113)가 형성된 밸브 블록(110); 삽입 홀(111)에 삽입되어 설치되고, 그 선단이 개방되어 있으며, 상기 선단에서부터 길이방향을 따라 내부 유로(121)가 형성된 밸브 몸체(120); 상기 선단에 슬라이딩 가능하도록 설치되고, 상기 선단과 함께 내부 공간(131)을 형성하며, 내부 공간(131)에 작동유를 공급하는 유입구(135)를 갖는 체크 밸브(130); 및, 내부 유로(121)에 슬라이딩 가능하도록 설치된 스풀(140);을 포함한다.

밸브 몸체(120)는 내부 유로(121)와 연통되는 배출구(123)를 가지며, 유입구(135)는 공급 유로(112)와 연통되고, 공급 유로(112)는 고압측 메인 유로와 연통된다.

스풀(140)은, 내측에 유로가 형성된 스풀 몸체(141); 및, 스풀 몸체(141)에게 탄성 복원력을 제공하는 스프링 부재;를 포함한다.

내부 공간(131)의 작동유 유압에 의한 힘(F1)이 탄성 복원력(F2) 보다 작으면 스풀 몸체(141)는 정지된 상태로 유지되고, 이에 따라 공급 유로(112)와 유입구(135)를 통해서 유입된 작동유 전부가 배출구(123)와 드레인 유로(113)를 통해서 탱크(T1)로 귀환된다.

상기 경사 각도가 중립 구간의 끝단에 해당되면 배출구(123)를 통한 작동유 배출은 최대량(Q^*)이 되고, 이어서 상기 경사 각도가 더 증가하여 중립 구간을 벗어나서 힘(F1)이 탄성 복원력(F2) 보다 커지면 스풀 몸체(141)는 후방으로 이동하여 배출구(123)의 개구 면적을 줄임으로써 압력에 관계없이 일정한 유량이 배출구(123)를 통해서 탱크(T1)로 귀환되도록 한다.

본 발명의 제2 실시예에 따른 중립밸브(200)는, 제1 실시예의 중립밸브(100)와 비교하여, 스풀 시트(148)를 더 구비한다. 스풀 시트(148)는 스풀 몸체(141)의 내측에 설치되고, 그 선단이 원뿔 형상으로 형성된다.

상기 경사 각도가 중립 구간의 끝단에 해당되면 배출구(123)를 통한 작동유 배출은 최대량(Q^*)이 되고, 상기 경사 각도가 증가하여 중립 구간을 벗어나서 힘(F1)이 탄성 복원력(F2) 보다 커지면 스풀 몸체(141)가 후방으로 이동하여 가압 링(145)과 스풀 시트(148) 사이의 개구 면적(제어 오리피스의 개구 면적)이 작아짐으로써 배출구(123)를 통해 배출되는 유량이 서서히 감소한다. 한편, 가압 링(145)이 없고 스풀 스프링(144)이 지지부(142)에 직접 접하는 경우에는 지지부(142)와 스풀 시트(148) 사이의 개구 면적(제어 오리피스의 개구 면적)이 유량을 결정한다.

이 때, 제어 오리피스의 개구 면적 감소량은 배출구(123)의 개구면적 감소량 보다 작다.

본 발명에 따른 중립밸브(100)(200)는 댐퍼 기구부가 필요하지 않다. 이에 따라, 백 플레이트(147)는 밸브 캡(160)에 의해서 직접 지지된다.

그리고, 스풀 몸체(141)의 선단과 대응되는 내부 유로(121)의 측벽에는 스냅 링(146)이 설치된다. 스냅 링(146)은 스풀 몸체(141)의 전진을 제한한다.

한편, 본 발명은 중립밸브(200)에 구비된 스풀 시트(148)의 형상을 설계하는 방법을 제공한다. 상기 설계 방법은, (a) 유압 펌프(P)의 공급 압력에 따른 배출구(123)의 유량 곡선을 gamma값에 따라 계산하는 단계; (b) 원하는 유량 곡선을 결정하고, 이 유량 곡선을 만족하는 gamma값을 (a) 단계의 계산 결과를 이용하여 역산출하는 단계; 및, (c) 상기 (b) 단계에서 구한 gamma값을 이용하여 스풀 시트의 형상을 결정하는 단계;를 포함한다.

상기 gamma값은 다음 식으로 계산된다.

[식]

본 발명은 다음과 같은 효과를 갖는다.

첫째, 기존의 중립 밸브와 비교하여 운전자의 조작감과 운전 안정성이 향상된다.

둘째, 기존의 중립 밸브에 구비되던 댐퍼 기구부가 불필요하므로, 구성 요소가 적고 구조가 단순하여 중립 밸브를 소형화 및 경량화시킬 수 있다.

셋째, 생산 단가와 유지 보수 비용을 낮출 수 있고, 고장 발생을 크게 감소시킬 수 있다.

넷째, 농기계, 건설기계 뿐만 아니라, 정유압 무단 변속기 및 유사 변속장치가 적용되는 모든 기계 장치에 적용될 수 있다.

다섯째, 중립밸브를 통해 탱크로 배출되는 누유량을 감소시킬 수 있다.

여섯째, 이러한 중립밸브에 구비되는 스풀시트의 설계 방법을 제공한다.

도 1은 종래기술에 따른 정유압 무단 변속기를 보여주는 유압 회로도.
도 2a는 도 1의 정유압 무단 변속기에 구비된 중립 밸브를 보여주는 단면도.
도 2b는 도 2a의 II 부분을 확대한 도면.
도 2c는 도 2a의 II 부분을 확대한 도면으로서 밸브 스풀이 우측으로 이동한 것을 보여주는 도면.
도 3a는 경사판 각도에 따른 유압 모터의 회전속도를 보여주는 그래프.
도 3b는 경사판 각도에 따른 유압 모터 공급 유량을 보여주는 그래프.
도 3c는 기준 압력(P^*) 전후로 중립 밸브를 통과하는 유량을 보여주는 그래프.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 중립 밸브를 구비하는 정유압 무단 변속기를 보여주는 유압 회로도.
도 5a는 도 4의 유압 회로도에서 기준 압력 미만일 때 작동유의 흐름을 보여주는 유압 회로도.
도 5b는 도 4의 유압 회로도에서 기준 압력 이상일 때 작동유의 흐름을 보여주는 유압 회로도.
도 6은 도 4의 중립 밸브를 보여주는 단면도.
도 7a는 도 6의 VII 부분을 확대한 도면.
도 7b는 도 6의 VII 부분을 확대한 도면으로서 밸브 스풀이 우측으로 이동한 것을 보여주는 도면.
도 8a는 종래 기술과 제1 실시예에 대해서, 경사판 각도에 따른 유압 모터의 회전속도를 비교한 그래프.
도 8b는 종래 기술과 제1 실시예에 대해서, 경사판 각도에 따른 유압 모터 공급 유량을 비교한 그래프.
도 8c는 종래 기술과 제1 실시예에 대해서, 기준 압력(P^*) 전후로 중립 밸브를 통과하는 유량을 비교한 그래프.
도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 중립 밸브의 주요 부분을 보여주는 단면도.
도 10a는 도 9의 X 부분을 확대한 도면.
도 10b는 도 9의 X 부분을 확대한 도면으로서, 밸브 스풀이 우측으로 이동한 것을 보여주는 도면.
도 11a는 종래 기술과 제1,2 실시예에 대해서, 경사판 각도에 따른 유압 모터의 회전속도를 비교한 그래프.
도 11b는 종래 기술과 제1,2 실시예에 대해서, 경사판 각도에 따른 유압 모터 공급 유량을 비교한 그래프.
도 11c는 종래 기술과 제1,2 실시예에 대해서, 기준 압력(P^*) 전후로 중립 밸브를 통과하는 유량을 비교한 그래프.
도 12a는 작동유의 공급 압력에 따른 스풀 변위 비율을 각각의 제어 오리피스 개구면적 비율에 대해서 도시한 그래프.
도 12b는 작동유의 공급 압력에 따른 배출 유량의 비율을 각각의 제어 오리피스 개구면적 비율에 대해서 도시한 그래프.

이하, 첨부된 도면들을 참조로 본 발명에 대해서 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 실시예들에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

본 발명은 기존 중립밸브의 구조를 변경하여 개량한 것으로서, 정유압 무단 변속기의 구성요소 중 중립 밸브를 제외한 나머지 구성요소는 기존 정유압 무단 변속기의 그것과 동일하다. 따라서, 아래에서는 중립 밸브를 중심으로 설명을 하고, 중립 밸브를 제외한 정유압 무단 변속기의 구성에 대해서는 간단히 설명하거나 설명을 생략하기로 한다.

그리고, 본 명세서에서, 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 도면 참조부호가 부여된다. 따라서, 여러 도면들에서 동일한 도면 참조부호를 갖는 구성요소는 동일한 구성요소로 이해되어야 한다.

[제1 실시예]

도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 중립 밸브를 구비하는 정유압 무단 변속기를 보여주는 유압 회로도이다.

도면에 나타난 바와 같이, 상기 정유압 무단 변속기는 작동유를 공급하는 유압 펌프(P)와, 유압 펌프(P)로부터 공급된 작동유에 의해서 회전되는 유압 모터(M)와, 중립밸브(100)와, 작동유의 압력이 소정 압력을 초과하면 작동유를 탱크(T2)로 배출하도록 작동하는 압력 릴리프 밸브(R)를 포함한다.

상기 구성 요소 중에서, 유압 펌프(P), 유압 모터(M) 및, 압력 릴리프 밸브(R)는 기존 정유압 무단 변속기(도 1)의 유압 펌프(P), 유압 모터(M) 및, 압력 릴리프 밸브(R)와 각각 동일하다. 그리고, 작동유가 메인 유로(L1)(L2)를 통해서 유압모터(M)와 중립밸브(100)에 공급되는 것도 기존 정유압 무단 변속기(도 1)와 동일하다.

중립 밸브(100)는 메인 유로(L1)(L2)에 각각 하나씩 설치된다. 각각의 메인 유로(L1)(L2)에 설치된 중립 밸브(100)는 동일한 구조를 갖는다. 중립 밸브(100)는 작동유의 압력에 관계없이 일정한 유량을 배출구(123)를 통해서 배출하는 특징을 갖는다. 즉, 중립 밸브(100)는 압력 보상형 유량 제어 기능을 갖는데, 이 점에 대해서는 아래에서 더 상세히 설명될 것이다.

도 5a는 경사판 각도가 정확히 0˚를 이루지 못하되 중립 구간 내에 위치하는 경우, 즉, 유압 펌프(P)의 공급 압력이 기준 압력(P^*) 미만인 경우의 작동유 흐름을 보여준다. 도 5a에서 작동유의 흐름은 초록색 점선으로 표시되었다.

유압 펌프(P)로부터 공급된 모든 작동유는 중립 밸브(100)를 경유하여 탱크(T1)로 귀환되고 유압 모터(M)로는 공급되지 아니한다. 따라서, 경사판 각도가 정확히 0˚를 이루지 못하더라도 유압 모터(M)가 작동하지 아니한다.

도 5b는 경사판 각도가 증가하여 유압 펌프(P)의 공급 압력이 기준 압력(P^*)을 초과하는 경우의 작동유 흐름을 보여준다. 도 5b에서 유압 모터(M)로 공급되는 작동유는 초록색 실선으로 표시되었고 중립 밸브(100)를 통과하여 탱크(T1)로 귀환되는 작동유 흐름은 초록색 점선으로 표시되었다.

위에서 설명한 바와 같이, 유압 펌프(P)의 공급 압력이 기준 압력(P^*) 미만이면 모든 작동유가 중립밸브(100)를 통과하여 탱크(T1)로 귀환되고, 유압 펌프(P)의 공급 압력이 기준 압력(P^*)을 초과하면 작동유 중 일부는 중립밸브(100)를 통과하여 탱크(T1)로 귀환되고 나머지는 유압 모터(M)로 공급된다. 따라서, 중립 구간의 끝단을 전후로 유압 모터(M)로 공급되는 작동유 유량이 점진적으로 서서히 변하게 된다. 그러므로, 기존 정유압 무단 변속기에서 발생하던 순간적인 전,후진, 운전자의 조작감 저하 및, 불안정한 운전 등을 해결할 수 있다.

도 6은 이러한 중립 밸브(100)를 보여주는 단면도이다.

중립 밸브(100)는 밸브 블록(110)과, 밸브 블록(110)에 삽입되어 설치되는 밸브 몸체(120)와, 밸브 몸체(120)의 선단에 설치된 체크 밸브(130)와, 밸브 몸체(120)의 내부 유로(121)에 슬라이딩 가능하도록 설치된 스풀(140) 및, 밸브 몸체(120)의 후단에 설치된 밸브 캡(160)을 포함한다.

밸브 블록(110)에는 삽입홀(111)과, 공급 유로(112)와, 드레인 유로(113)가 형성된다. 삽입홀(111)에는 밸브 몸체(120)가 삽입되어 설치된다. 그리고, 고압측 메인유로를 통해서 공급된 작동유는 공급 유로(112)와 유입구(135)를 통해서 내부 공간(131)에 공급된다.

드레인 유로(113)는 밸브 몸체(120)의 배출구(123)와 연통되어 있다. 따라서, 배출구(123)를 통해 배출된 작동유는 드레인 유로(113)를 경유하여 탱크(T1)로 귀환된다.

밸브 몸체(120)의 내부에는 내부 유로(121)가 형성되어 있다. 내부 유로(121)는 밸브 몸체(20)의 길이 방향을 따라 밸브 몸체(120)를 관통하도록 형성된다. 내부 유로(121)의 선단(즉, 밸브 몸체의 선단)에는 체크 밸브(130)와 스프링(133)이 설치된다. 밸브 몸체(120)의 선단과 체크 밸브(130)에 의해서 내부 공간(131)이 형성되는데, 내부 공간(131)은 내부 유로(121)와 연통되어 있다. 그리고, 체크 밸브(130)에는 유입구(135)가 형성되어 있는데, 공급 유로(112)의 작동유가 유입구(135)를 통해서 내부 공간(131)으로 공급될 수 있다.

내부 유로(121)의 후단(즉, 밸브 몸체의 후단)에는 밸브 캡(160)이 설치된다. 밸브 캡(160)은 내부 유로(121)의 후단을 밀폐하고 스풀 스프링(144)과 백 플레이트(147)를 지지한다.

경사판의 경사각도가 중립 구간 내에 있지만 정확히 0˚를 이루지 못하는 경우, 공급 유로(112)를 통해 공급된 작동유에 의해서 체크 밸브(130)가 좌측으로 이동하여 차징 유로(114)를 밀폐하게 된다. 그리고, 상기 작동유는 유입구(135)와 내부 공간(131)과 내부 유로(121) 및 배출구(123)를 경유해서 드레인 유로(113)로 이동한 후 탱크(T1)로 귀환된다.

스풀(140)은 내측에 유로가 형성된 스풀 몸체(141) 및, 스풀 몸체(141)에게 탄성 복원력을 제공하는 스프링 부재를 포함한다.

스풀 몸체(141)는 선단과 후단이 개방된 원통 형상을 갖되, 선단이 내측으로 벤딩되어 링 형상의 지지부(142)를 형성한다.

그리고, 스프링 부재는 백 플레이트(147)와, 스풀 몸체(141)의 내측에 설치된 스풀 스프링(144) 및, 스풀 스프링(144)의 선단에 설치된 가압 링(145)을 포함한다.

백 플레이트(147)는 밸브 캡(160)에 설치된다. 백 플레이트(147)는 스풀 스프링(144)의 후단을 지지한다.

스풀 스프링(144)은 스풀 몸체(141)를 좌측(도 6 ~ 7b의 좌측)으로 미는 힘(탄성 복원력, F2)을 인가한다. 그리고, 가압 링(145)은 지지부(142)와 접하도록 스풀 스프링(144)의 선단에 설치된다. 스풀 스프링(144)의 탄성 복원력(F2)에 의해서 가압 링(145)은 지지부(142)를 좌측으로 미는 힘을 인가한다.

바람직하게, 스풀 몸체(141)의 선단과 대응되는 내부 유로(121)의 측벽에는 스냅 링(146)이 설치된다. 상술한 바와 같이, 스풀 스프링(144)은 스풀 몸체(141)를 좌측으로 미는 힘(탄성 복원력, F2)을 인가하는데, 스냅 링(146)은 스풀 몸체(141)의 전진을 제한한다.

도 7b는 내부 공간(131)의 작동유에 의한 힘(F1)이 탄성 복원력(F2) 보다 커서 스풀 몸체(141)가 우측(후방)으로 약간 이동한 상태를 보여준다. 이 경우, 스풀 몸체(141)의 선단은 스냅 링(146)과 이격되고 배출구(123)의 밀폐 면적이 증가(개구 면적이 감소)하게 된다.

한편, 도 8a ~ 8c는 종래 기술(도 2a ~ 2c)과 제1 실시예를 비교한 그래프로서, 도 8a는 경사판 각도에 따른 유압 모터의 회전속도를 비교한 그래프이고, 도 8b는 경사판 각도에 따른 유압 모터 공급 유량을 비교한 그래프이며, 도 8c는 기준 압력(P^*) 전후로 중립 밸브를 통과하는 유량을 비교한 그래프이다. 도 8a ~ 8c에서 붉은 선은 제1 실시예를 나타내고 파란 선은 종래 기술을 나타낸다.

도 8a ~ 8c에 나타난 바와 같이, 종래 기술은 중립 구간의 끝단을 전후해서 모터 회전 속도, 유압 모터에 공급되는 유량 및, 중립 밸브를 통과하는 유량이 급격하게 변함에 비해, 제1 실시예는 중립 구간의 끝단을 전후해서 이러한 급격한 변화가 없다.

유압 펌프(P)의 작동유 공급량이 증가하면 중립 구간 내에서는 배출구(123)를 통한 배출량이 증가하다가 작동유 유압이 기준 압력(P^*)에 도달(중립 구간의 끝단에 도달)하면 배출구(123)를 통해서 배출될 수 있는 최대 유량(Q^*)에 도달하고, 이어서 경사판 각도가 계속 증가하여 작동유 유압이 계속 증가하더라도 배출구(123)의 개구 면적이 감소하므로 배출구(123)를 통해서 배출되는 유량은 동일하게 유지된다.

유압 모터(M)에 공급되는 작동유 유량은 전체 작동유 유량에서 배출구(123)를 통한 배출량을 뺀 유량이다. 그리고, 중립 구간의 끝단에서 배출구(123)의 개구 면적이 0으로 되는 것이 아니라, 중립 구간의 끝단 및 중립 구간을 벗어난 상태에서도 배출구(123)가 개구된 상태를 유지하므로(더욱 정확하게는 작동유 유압이 증가함에 따라 개구 면적이 감소되다가 일정한 값에 수렴함), 중립 구간의 끝단을 전후해서 유압 모터(M)에 공급되는 작동유 유량이 급격하게 변하지 않고, 이에 따라 유압 모터(M)의 회전 속도도 급격하게 변하지 않는다.

통상적으로, 경사판의 최대 경사각도는 16˚ ~ 18˚이고, 중립 유지를 위한 최대 각도 편차(θ^*, 중립 구간의 끝단에 해당하는 경사각도)는 0.5˚ 정도이다. 그리고, 유압 펌프(P)의 유량은 tan(θ)에 비례하므로, 기존의 중립밸브(10)와 비교하여 누유 손실은 다음과 같이 계산될 수 있다.

누유 손실 = tan(0.5˚)/tan(17˚) x 100(%) = 2.85%

즉, 대략 3% 이내의 유량 손실을 감수하여 중립 구간 끝단 전후의 동작 특성을 안정적으로 할 수 있다.

한편, [발명의 배경이 되는 기술]에서 설명한 바와 같이, 기존의 중립 밸브(10)는 댐퍼 기구부를 구비하는데, 댐퍼 기구부는 스풀의 급격한 이동을 방지하기 위한 것이다.

이에 비해서, 본 발명에 따른 중립 밸브(100)는 배출구(123)가 개방된 상태를 유지하므로 스풀의 급격한 이동이 발생하지 않고, 이에 따라 댐퍼 기구부가 필요하지 않다. 이에 따라, 중립 밸브(100)는 구조가 단순하고 크기가 작아지므로 소형화 및 경량화에 유리하다. 그리고, 유지보수 비용과 고장유발 인자가 감소한다는 장점도 갖는다.

[제2 실시예]

도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 중립 밸브의 주요 부분을 보여주는 단면도이고, 도 10a는 도 9의 X 부분을 확대한 도면이다.

상기 중립 밸브(200)는, 제1 실시예의 중립 밸브(100)와 비교하여, 스풀 시트(148)를 구비한다는 점에서 다르고 나머지 구성은 동일하다.

스풀 시트(148)는 스풀 몸체(141)의 내측 유로에 설치된다. 스풀 시트(148)는 원기둥 형상을 가지되, 그 선단이 원뿔 형상으로 형성된다. 스풀 시트(148)의 둘레에는 스풀 스프링(144)이 설치된다.

스풀 시트(148)의 후단은 백 플레이트(147)에 설치되고, 그 선단은 가압 링(145)의 후방에 위치한다. 따라서, 스풀 시트(148)의 선단과 가압 링(145) 사이는 제어 오리피스를 형성한다. 한편, 스풀(140)이 가압 링(145)을 구비하지 않는 경우에는 스풀 시트(148)의 선단과 지지부(142) 사이의 공간이 제어 오리피스를 형성한다.

경사판의 경사각도가 증가하여 중립 구간을 벗어나게 되면, 도 10b에 나타난 바와 같이, 스풀 몸체(141)가 후진하여 배출구의 개구면적이 감소하고, 이와 동시에 제어 오리피스의 개구면적도 감소한다.

도 11a ~ 11c는 종래 기술(도 2a ~ 2c)과 제1,2 실시예를 비교한 그래프로서, 도 11a는 경사판 각도에 따른 유압 모터의 회전속도를 비교한 그래프이고, 도 11b는 경사판 각도에 따른 유압 모터 공급 유량을 비교한 그래프이며, 도 11c는 기준 압력(P^*) 전후로 중립 밸브를 통과하는 유량(배출구를 통해 배출되는 유량)을 비교한 그래프이다. 도 11a ~ 11c에서 붉은 선은 제1 실시예를 나타내고, 검은 선은 제2 실시예를 나타내며, 파란 선은 종래 기술을 나타낸다.

도 11a ~ 11c에 나타난 바와 같이, 제2 실시예에서 유압 펌프(P)의 작동유 공급량이 증가하면 중립 구간 내에서는 배출구(123)를 통한 배출량이 증가하다가 작동유 유압이 기준 압력(P^*)에 도달하면(대략 중립 구간의 끝단에 도달하면) 배출구(123)를 통해서 배출될 수 있는 최대 유량(Q^*)에 도달한다. 이어서, 경사판 각도가 계속 증가하여 작동유 유압이 계속 증가하더라도 제어 오리피스의 개구 면적이 감소하므로 배출구(123)를 통해서 배출되는 유량은 서서히 감소하게 된다. 그리고, 서서히 감소되던 상기 유량은 일정한 값에 수렴하게 된다.

유압 모터(M)에 공급되는 작동유 유량은 전체 작동유 유량에서 배출구(123)를 통한 배출량을 뺀 유량이다. 기준 압력(P^*) 이상의 구간에서 배출구(123)를 통한 배출량이 서서히 감소하므로, 유압 모터(M)에 공급되는 작동유 유량이 제1 실시예의 경우보다 많고(도 11b) 그에 따라 유압모터(M)의 회전 속도도 제1 실시예의 경우보다 빠르다(도 11a).

이와 같이, 중립 밸브(200)는 기존 중립 밸브(10)의 문제점인 중립 구간 끝단에서의 순간적인 전,후진, 운전 조작감 저하, 불안정성을 방지함과 동시에, 유량 손실을 감소시킨다는 장점을 갖는다.

[스풀 시트의 설계 방법]

도 12a는 작동유의 공급 압력에 따른 스풀 변위 비율을 각각의 제어 오리피스 개구면적 비율에 대해서 도시한 그래프이고, 도 12b는 작동유의 공급 압력에 따른 배출 유량의 비율을 각각의 제어 오리피스 개구면적 비율에 대해서 도시한 그래프이다.

도 12a ~ 12b에서 x축, y축의 스케일은 각각 아래의 수학식 1로 계산된 값이다.

[수학식 1]

그리고, gamma는 스풀 변위에 따른 배출구(123)의 개구면적 대비 제어 오리피스의 개구면적 비율을 의미하는데, 아래의 수학식 2로 계산된다.

[수학식 2]

예를 들어, gamma_0는 스풀 시트(148)가 없는 경우(제1 실시예)를 의미하고, gamma_1/3은 제어 오리피스의 개구 면적이 배출구 오리피스 개구면적의 1/3인 경우를 의미한다. 그리고, gamma_shaping은 작동유 유압에 따라 개구면적 비율을 선형적으로 증가한 경우를 나타낸다.

도 12a ~ 12b에 나타난 바와 같이, 동일한 압력 하에서 gamma 값이 증가할수록 스풀의 변위가 크고 배출구(123)를 통해 배출되는 유량이 감소함을 알 수 있다. 따라서, 스풀 시트(148)의 형상을 적절히 설계하면 스풀(140)의 작동 범위에서 압력 증가에 따른 유량 손실을 제어할 수 있다.

그러므로, 원하는 '압력에 따른 유량 곡선'을 먼저 작성한 후, 이에 대응되는 gamma 값을 역산출하면 스풀 시트(148)의 형상을 설계할 수 있다. 여기서, 스풀 시트(148)의 형상은 제어 오리피스의 개구 면적과 관련되는 부분으로서, 주로 스풀 시트(148)의 선단 부분을 의미한다.

10, 100, 200 : 중립 밸브 11, 112 : 공급 유로
12, 113 : 드레인 유로 21, 135 : 유입구
22, 131 : 내부 공간 30, 120 : 밸브 몸체
32, 123 : 배출구 40, 140 : 스풀
41 : 스풀 오리피스 51 : 피스톤
52 : 피스톤 오리피스 53 : 체크 플레이트
54 : 리턴 스프링 55 : 전방 배압실
56 : 후방 배압실 110 : 밸브 블록
111 : 삽입 호 114 : 차징 유로
121 : 내부 유로 141 : 스풀 몸체
142 : 지지부 144 : 스풀 스프링
145 : 가압부 146 : 스냅 링
147 : 백 플레이트 148 : 스풀 시트
P : 유압 펌프 M : 유압 모터
R : 압력 릴리프 밸브 T1, T2 : 탱크
F1 : 내부 공간(22)(131)의 작동유 압력에 의한 힘
F2 : 스풀 스프링(144) 또는 리턴 스프링(54)에 의한 힘

Claims (9)

1. 경사판의 경사 각도가 변하면 토출유량이 변하는 사판식 가변용량형 유압펌프(P)와, 1쌍의 메인 유로(L1)(L2)를 통하여 유압펌프(P)에 연결되어 유압펌프(P)의 토출유량에 따라 회전속도가 변하는 유압모터(M)를 포함한 정유압 무단 변속기에서 메인 유로(L1)(L2) 중 유압펌프(P)의 작동유를 유압모터(M)로 공급하는 고압측 메인유로의 압력이 기준 압력(P^*) 미만인 경우에 고압측 메인유로의 작동유를 탱크(T1)로 귀환시키는 정유압 무단 변속기용 중립 밸브에 있어서,
   상기 중립밸브는,
   삽입 홀(111)과 공급 유로(112) 및 드레인 유로(113)가 형성된 밸브 블록(110);
   삽입 홀(111)에 삽입되어 설치되고, 그 선단이 개방되어 있으며, 상기 선단에서부터 길이방향을 따라 내부 유로(121)가 형성된 밸브 몸체(120);
   상기 선단에 슬라이딩 가능하도록 설치되고, 상기 선단과 함께 내부 공간(131)을 형성하며, 내부 공간(131)에 작동유를 공급하는 유입구(135)를 갖는 체크 밸브(130); 및,
   내부 유로(121)에 슬라이딩 가능하도록 설치된 스풀(140);을 포함하고,
   밸브 몸체(120)는 내부 유로(121)와 연통되는 배출구(123)를 가지며, 유입구(135)는 공급 유로(112)와 연통되고, 공급 유로(112)는 고압측 메인 유로와 연통되며,
   스풀(140)은,
   내측에 유로가 형성된 스풀 몸체(141); 및,
   스풀 몸체(141)에게 탄성 복원력을 제공하는 스프링 부재;를 포함하고,
   내부 공간(131)의 작동유 유압에 의한 힘(F1)이 탄성 복원력(F2) 보다 작으면 스풀 몸체(141)는 정지된 상태로 유지됨으로써 공급 유로(112)와 유입구(135)를 통해서 유입된 작동유 전부가 배출구(123)와 드레인 유로(113)를 통해서 탱크(T1)로 귀환되도록 하고,
   상기 경사 각도가 중립 구간의 끝단에 해당되면 배출구(123)를 통한 작동유 배출은 최대량(Q^*)이 되고, 이어서 상기 경사 각도가 더 증가하여 중립 구간을 벗어나서 힘(F1)이 탄성 복원력(F2) 보다 커지면 스풀 몸체(141)는 후방으로 이동하여 배출구(123)의 개구 면적을 줄임으로써 압력에 관계없이 일정한 유량이 배출구(123)를 통해서 탱크(T1)로 귀환되도록 하는 것을 특징으로 하는, 압력 보상형 유량 제어 기능을 갖는 정유압 무단 변속기용 중립밸브.
2. 제1항에 있어서,
   스풀 몸체(141)의 선단은 내측으로 벤딩되어 링 형상의 지지부(142)를 형성하며,
   스프링 부재는,
   스풀 몸체(141)의 내측에 설치된 스풀 스프링(144); 및,
   스풀 스프링(144)의 선단에 설치된 가압 링(145);을 포함하고,
   가압 링(145)은 스풀 스프링(144)의 탄성 복원력(F2)을 지지부(142)에 인가하는 것을 특징으로 하는, 압력 보상형 유량 제어 기능을 갖는 정유압 무단 변속기용 중립밸브.
3. 제1항에 있어서,
   스풀 몸체(141)의 선단과 후단이 개방되며, 스풀 몸체(141)의 선단은 내측으로 벤딩되어 링 형상의 지지부(142)를 형성하고,
   스풀 몸체(141)의 내측에는 스풀 시트(148)가 설치되며, 스풀 시트(148)의 선단은 원뿔 형상으로 형성되고,
   상기 경사 각도가 중립 구간의 끝단에 해당되면 배출구(123)를 통한 작동유 배출은 최대량(Q^*)이 되고, 상기 경사 각도가 증가하여 중립 구간을 벗어나서 힘(F1)이 탄성 복원력(F2) 보다 커지면 스풀 몸체(141)가 후방으로 이동하여 지지부(142)와 스풀 시트(148) 사이의 개구 면적이 작아짐으로써 배출구(123)를 통해 배출되는 유량이 서서히 감소하는 것을 특징으로 하는, 압력 보상형 유량 제어 기능을 갖는 정유압 무단 변속기용 중립밸브.
4. 제3항에 있어서,
   스프링 부재는,
   스풀 몸체(141)의 내측에서 스풀 시트(148)의 둘레에 설치된 스풀 스프링(144); 및,
   스풀 스프링(144)의 선단에 설치된 가압 링(145);을 포함하고,
   가압 링(145)은 탄성 복원력(F2)을 지지부(142)에 인가하며, 가압 링(145)은 지지부(142) 보다 그 직경이 작고, 이에 따라 가압 링(145)과 스풀 시트(148) 사이의 개구 면적이 유량을 조절하는 것을 특징으로 하는, 압력 보상형 유량 제어 기능을 갖는 정유압 무단 변속기용 중립밸브.
5. 제4항에 있어서,
   스풀 몸체(141)가 후방으로 이동함에 따라 가압 링(145)과 스풀 시트(148) 사이의 개구 면적이 감소하고, 가압 링(145)과 스풀 시트(148) 사이의 개구는 제어 오리피스를 이루며,
   제어 오리피스의 개구 면적 감소량은 배출구(123)의 개구면적 감소량 보다 작은 것을 특징으로 하는, 압력 보상형 유량 제어 기능을 갖는 정유압 무단 변속기용 중립밸브.
6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   스프링 부재는 밸브 캡(160)에 의해서 지지되고,
   스프링 부재와 밸브 캡(160) 사이에는 댐퍼 기구부가 없는 것을 특징으로 하는, 압력 보상형 유량 제어 기능을 갖는 정유압 무단 변속기용 중립밸브.
7. 제6항에 있어서,
   스풀 몸체(141)의 선단과 대응되는 내부 유로(121)의 측벽에는 스냅 링(146)이 설치되고,
   스냅 링(146)은 스풀 몸체(141)의 전진을 제한하는 것을 특징으로 하는, 압력 보상형 유량 제어 기능을 갖는 정유압 무단 변속기용 중립밸브.
8. 제3항 내지 제5항 중 어느 한 항의 중립밸브에 구비된 스풀 시트(148)의 형상을 설계하는 방법이고,
   (a) 유압 펌프(P)의 공급 압력에 따른 배출구(123)의 유량 곡선을 gamma값에 따라 계산하는 단계;
   (b) 원하는 유량 곡선을 결정하고, 이 유량 곡선을 만족하는 gamma값을 (a) 단계의 계산 결과를 이용하여 역산출하는 단계; 및,
   (c) 상기 (b) 단계에서 구한 gamma값을 이용하여 스풀 시트의 형상을 결정하는 단계;를 포함하고,
   gamma값은 다음 식으로 계산되는 것을 특징으로 하는, 스풀 시트의 형상 설계 방법.
   [식]
   

   

   
   제어 오리피스 = 지지부와 스풀 시트 사이의 개구면적, 또는 가압 링과 스풀 시트 사이의 개구면적
9. 제8항에 있어서,
   유압 펌프(P)의 공급 압력이 증가함에 따라 스풀 몸체(141)가 후방으로 이동하여 제어 오리피스의 개구면적과 배출구(123)의 개구 면적이 감소하고,
   제어 오리피스의 개구면적 감소량은 배출구(123)의 개구 면적 감소량 보다 작은 것을 특징으로 하는, 스풀 시트의 형상 설계 방법.

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