KR19990010175A - 감압(pressure reducing) 밸브 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유압펌프와 릴리프 밸브로 조합된 유압원을 이용하여 2차제어압력을 소정의 압력으로 감압시켜 사용할 때 쓰이는 감압밸브에 관한 것으로, 비례솔레노이드와 밸브몸체가 조립되고 밸브몸체에는 슬리브와 스풀이 내장되어 있고 스풀에는 압력제어용 핀을 내장하는 형태로 유압원으로 부터의 압력을 솔레노이드의 전자력(솔레노이드 힘) 및 솔레노이드 스프링 힘과 스풀의 유체력 및 스풀 스프링 힘, 스풀에 내장된 핀의 단면적에 의한 힘에 비례한 2차제어압력을 얻는 밸브로 유압펌프의 사판제어, 클러치 분리.체결력 제어등 산업계에 이용분야가 매우 넓은 감압 밸브에 관한 것이다.

Description

감압(PRESSURE REDUCING) 밸브

본 발명은 유압펌프와 릴리프 밸브로 조합된 유압원을 이용하여 2차제어압력을 소정의 압력으로 감압시켜 사용할 때 쓰이는 감압밸브에 관한 것으로, 비례 솔레노이드와 밸브 몸체가 조립되고 밸브몸체에는 슬리브와 스풀이 내장되어 있고 스풀에는 압력제어용 핀을 내장하는 구조로 이루어져 있다.

비례감압밸브라 함은 도 1(다)에 표시한 바와 같이 비례솔레노이드의 전자력(솔레노이드 힘)에 비례한 2차 제어압력을 얻을 수 있는 밸브로 유압원으로 부터의 압력을 솔레노이드의 전자력(솔레노이드 힘) 및 솔레노이드 스프링 힘과 스풀의 유체력 및 스풀 스프링 힘, 스풀에 내장된 핀의 단면적에 의한 힘이 등가되는 지점에서 입력 전류와 비례되는 2차제어압력을 얻는 밸브로 유압펌프의 사판제어, 클러치 분리, 체결력 제어등 산업계에 이용분야가 매우 넓은 감압밸브에 관한다.

종래의 감압밸브로는 비례솔레노이드의 사용없이 스프링의 힘만으로 일정압력을 제어하는 수동조작 감압밸브의 형태가 많이 이용되어 왔으나 현재에는 도 1의 (가)와(나)의 경우와 같이 비례솔레노이드를 이용하여 2차제어압력의 제어 범위가 매우 넓으며, 전자제어 방식에 의하여 융통성 있는 제어 영역을 구축하고 있다.

도 1의 (가)는 종래 발명 제 1실시예의 단면도를 나타내는 것으로, 솔레노이드 코일(5)에 전류가 가해지지 않는 초기 상태에서는 다음과 같은 힘의 평형이 이루어지며, 제어압력은 0이 된다.

K_sol× X_sol= K_spl× X_spl........................................(1)

여기서, K_sol, X_sol: 솔레노이드부 스프링(6)의 상수 및 변위

K_spl, X_spl: 스풀부 스프링(7)의 상수 및 변위

그러나 솔레노이드코일(5)에 임의의 전류가 가해지면 가동자(8)가 전진(왼쪽방향)하게 되고 동시에 스풀(2)이 왼쪽으로 밀려, 유로 A와 제어실(10)이 서로 통하게 되어 유압원(7)으로 부터의 압력을 가진 기름은 유로 A, 제어실(10), 유로 B를 통하여 실린더(4)로 공급되며, 이 때의 힘의 평형은 식(1)에서 다음과 같이 수정된 식을 적용하게 된다.

F_sol+ F_f+ K_sol× X_sol= A_spl× P₂+ K_spl× X_spl.................(2)

여기서, F_sol: 솔레노이드 힘, F_f: 유체력

A_spl: 스풀의 횡단면적, P₂: 2차제어압력

식(2)에서 F_sol과 P₂를 제외하고는 모두 상수로 취급할 수 있기 때문에 결국은 F_sol∝ P₂의 관계가 성립하며, 도 1(다)와 같이 솔레노이드의 힘에 비례한 2차제어압력(P₂)이 얻어지게 된다.

그런데 도 1(가)와 같은 밸브에 있어서는 스풀의 횡단면적이 매우 크기 때문에 이와 비례하여 큰 솔레노이드가 필요하게 되고 가격면이나 장착 공간 확보면에서 경쟁력이 저하되는 결점을 가지고 있다.

도 1(나)는 종래발명 제 2실시예의 단면도를 나타내는 것으로 작동방식이나 제어 방식이 도 1(가)의 경우와 동일하지만 도 1(가)에서는 피드백 유로(B)를 이용하여 2차제어압력(P₂)을 스풀의 횡단면적(A_spl)에 작용시켜 식(2)를 만족시키는 반면, 도 1(나)는 단면적 A₁과 단면적 A₂의 차이를 이용하여 직접 2차 제어압력(P₂)을 제어하는 형식으로 힘의 평형식은 다음과 같이 쓸 수 있다.

F_sol+ F_f+ K_sol× X_sol= (A₁- A₂) × P₂+ K_spl× X_spl.............(3)

도 1(나)는 단면적의 차이를 직접 이용하는 방식으로 응답성이 비교적 우수하지만 정상상태의 안정된 2차제어압력(P₂)이 얻어지는 시간이 매우 길고 안정된 상태의 압력을 얻기까지 비교적 기시간 동안 떨림현상이 일어나는 결점을 가지고 있다.

본원 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위하여 스풀내에 핀을 삽입하고 핀의 단면적을 이용하여 유압원의 압력을 소정의 2차제어압력으로 제어하는 동시에 매우 작은 핀을 삽입하므로써 핀의 수압면적과 비례한 소형의 솔레노이드를 사용할수 있는 장점과 핀의 수압부에 오리피스를 설치하여 과도압력이 핀 수압부에 전달되어 떨림현상이 일어나지 않으며, 응답성의 저하를 일으키지 않는 감압밸브를 제공함을 그 목적으로 한다.

도 1 은 종래 발명 실시예로서

(가)는 종래 발명 제 1실시예의 단면도

(나)는 종래 발명 제 2실시예의 단면도

(다)는 종래 발명 실시예의 솔레노이드 힘 특성을 나타내는 것이고,

도 2 는 본원 발명 실시예의 단면도

도 3 은 본원 발명 실시예의 성능 특성을 나타내는 것으로,

(가)는 히스테리시스 특성

(나)는 스텝응답 특성을 나타내는 것이고,

도 4는 본원 발명 감압밸브의 응용 유압회로로써,

(가)는 유압펌프 사판제어 유압회로

(나)는 클러치 제어 유압회로를 나타내는 것으로,

도 5 는 본원 발명 제 2실시예의 확장성을 나타내는 것으로,

(가)는 오리피스 직경 변화에 의한 확장성

(나)는 핀 단면적 변화에 의한 확장성을 나타내는 것이다.

도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

(1) : 밸브 몸체 (2) : 스풀

(3) : 솔레노이드 (5) : 솔레노이드 코일

(6) : 솔레노이드부 스프링 (7) : 스풀부 스프링

(8) : 가동자 (9) : 유압원

(11a)(11b) : 유압탱크 (12) : 압력핀

(13) : 오리피스 (14)(15) : 제1 및 제2 스풀랜드

(16)(17) : 제1 및 제2 슬리브랜드

본원 발명의 상기한 목적을 달성하기 위하여 이하 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본원 발명 실시예의 단면도로써 도 2에 의하여 본 발명의 전체적인 구성을 설명하기로 한다.

본 발명의 감압밸브는 밸브몸체(1)와 비례솔레노이드(3)가 결합되어 일체로 작동하며 밸브몸체(1)에는 스풀(2)과 슬리브(18)가 내장되어 있고, 스풀(2)에는 압력핀(12)이 내장되어 있는 형태로 솔레노이드 코일(5)에 전류를 가하면 왼쪽방향으로 솔레노이드 힘이 발생하고 가동자(8)를 밀게 된다.

이때 스풀(2)은 가동자와 밀착되어 있는 형태이기 때문에 가동자의 운동과 동일한 방향으로 움직이게 되며, 그 결과로 유압원(9)으로 부터의 압력유가 유로 A를 통하여 제어실(10)로 유입되고 유로 B를 통하여 실린더(4)를 구동하게 된다.

제어실(10)내의 압력은 제어실(10)내 압력유의 일부가 제어 오리피스(13)를 통하여 압력핀(12)의 단면적 A_pin에 작용하게 되고 이때 반발력 즉, F_R(반발력) = P₂× A_pin이 생겨서 스풀을 오른쪽으로 밀게 된다.

결국 일정한 시간이 지나면 평형조건이 이루어져 솔레노이드 힘에 비례하는 2차 제어압력(P₂)을 얻게 되는데, 이 때의 힘의 평형 관계식은 다음과 같다.

F_sol+ F_f+ K_sol× X_sol= A_pin× P₂+ K_spl× X_spl...................(4)

식(4)와 같이 정적인 힘의 평형관계가 이루어지기까지 스풀(2)의 동작은 2차제어압력(P₂)에 의한 반발력이 솔레노이드 힘보다 크면 반발력이 스풀(2)을 오른쪽으로 밀어 제 1스풀랜드(14)와 제 1슬리브랜드(16)가 서로 닫히고 제 2스풀랜드(15)와 제 2슬리브랜드(17)가 열려 일부의 압력유가 유로 C를 통하여 탱크(11a)로 빠져나가게 되고, 이로 인하여 2차제어압력(P₂)이 떨어지면 솔레노이드 힘이 핀(12) 수압부 단면적 A_pin에 의한 반발력보다 크기 때문에 스풀(2)을 다시 왼쪽으로 밀어 제 1스풀랜드(14)와 제 1슬리브랜드(16)를 열어 유로 A로부터 압력유가 흐르게 되고 제 2스풀랜드(15)와 제 2슬리브랜드(17)는 닫히는 방향으로 작용하게 되어 2차제어압력(P₂)을 형성하게 된다.

정적인 평형상태가 되기 전까지는 상기 기술한 일련의 과정을 반복하게 되고 결국에는 식(4)와 같은 힘의 평형을 이뤄 소정의 2차제어압력(P₂)을 얻는 것이 가능하게 된다.

종래 발명에서는 상기한 바와 같이 도 1의 (가)와 (나)의 감압밸브 유형으로 대별할 수 있는데, 전자는 핀(12)을 삽입하지 않고 직접 스풀(2) 끝단부에 2차제어압력(P₂)을 작용시켜 반발력을 얻으려 했기 때문에 매우 큰 반발력이 생겨 이에 대응하는 솔레노이드도 비례하여 커져 가격면이나 장착 공간확보면에서 결점이 있었고, 후자는 스풀의 단면적 차(A₁- A₂)를 이용하여 응답성을 향상시키려 했으나 정상상태가 이루어지기 전까지는 2차제어압력(P₂)에 떨림 현상이 발생하는 단점이 있었으나 전자의 단점은 압력 핀(7)으로 해결하고, 후자의 단점은 오리피스(13)로 해결하고자 한다.

도 3 (가)는 본원 발명 감압밸브의 스텝응답 특성을 나타내는 것으로 입력전류를 스텝으로 솔레노이드에 인가하였을 때, 최종 2차제어압력의 응답선도를 보이는 것으로 퍼센트 오버슈트가 3.35[%] 정도이고 정착시간이 140[ms]이며, 떨림 현상이 거의 발생하지 않음이 확인되었다.

도 3(나)는 본원 발명 감압밸브의 히스테리시스 특성을 나타내는 것으로 밸브시스템의 동적인 영향을 받지 않는 속도로 입력전류를 일정한 기울기로 상승시켰다가 상기 기울기로 하강시켰을 때의 최종 2차제어압력의 응답선도를 보이는 것으로 직선성이 2.77[%] 정도이고, 히스테리시스가 2.8[%] 정도의 특성을 갖는 밸브임을 확인하였다.

도 4는 본원 발명 감압밸브의 응용 유압회로로 본원 발명 감압밸브가 응용되는 일례를 보이는 것으로 도 4 (가)는 유압펌프의 사판을 제어하는 예이고, 도 4(나)는 수동 및 자동변속기 내 클러치의 분리 및 체결력을 제어하는 예를 보이는 것이다.

도 5는 본원 발명 제 2 실시예의 확장성을 나타내는 것으로 도 5(가)는 동일 솔레노이드를 사용하는 경우에 오리피스(13) 직경 변화에 의한 확장성을 나타내고, 도 5(나)는 동일 솔레노이드를 사용하는 경우에 압력핀(12)의 직경 변화에 의한 확장성을 나타내는 것으로 전자의 경우는 오리피스의 직경이 d₁d₂d₃d₄와 같이 된다면 제어목표값(2차제어압력)은 동일하지만 실린더(4)에 공급되는 2차제어압력의 기울기 및 응답성이 각각 다르다는 것으로 빠른 응답성을 원하느냐 혹은 느리지만 안정된 응답을 원하느냐에 따라서 동일한 솔레노이드지만 오리피스의 직경 변화만으로 상기의 결과를 얻어낼 수 있다.

후자의 경우는 핀의 직경 변화에 의한 제어 목표값(2차제어압력)의 변화를 얻어 낼 수 있는 것으로 핀의 직경 변화가 B₁B₂B₃B₄와 같이 변하게 되면 제어목표값(2차제어압력)은 b₄b₃b₂b₁의 형태를 얻어낼 수 있는 것으로 상기의 동일 솔레노이드를 이용하여서도 매우 넓은 영역의 확장이 가능하다는 것이다.

본 발명은 유압펌프와 릴리프 밸브로 조합된 유압원을 이용하여 2차제어압력을 소정의 압력으로 감압시켜 사용할 때 쓰이는 감압밸브로서, 비례솔레노이드와 밸브 몸체가 조립되고 밸브몸체에는 슬리브와 스풀이 내장되어 있고 스풀에는 압력제어용 핀을 내장하는 형태로 유압원으로 부터의 압력을 솔레노이드의 전자력(솔레노이드 힘) 및 솔레노이드 스프링 힘과 스풀의 유체력 및 스풀 스프링 힘, 스풀에 내장된 핀의 단면적에 의한 힘에 비례한 2차제어압력을 얻는 밸브로 유압펌프의 사판제어, 클러치 분리.체결력 제어등 산업계에 이용분야가 매우 넓은 감압 밸브로서 실용화 공급할 수 있는 것이다.

Claims (3)

1. 유압펌프 및 릴리프 밸브의 조합으로 이루어진 유압원을 구동원으로 하고, 밸브 몸체와 솔레노이드가 일체로 조립되고, 밸브 몸체에는 슬리브와 스풀 및 스프링을 내장하고, 스풀에는 압력핀을 내장하여 솔레노이드 힘에 비례한 반발력을 압력핀을 통하여 얻으며, 압력핀의 반발력과 솔레노이드 힘의 평형지점에서 목표로 하는 2차 제어압력을 제어하는 것을 특징으로 하는 감압밸브.
2. 제 1항에 있어서,

   스풀에는 제1 스풀랜드와 제2 스풀랜드를 가공하고, 슬리브에는 제1 슬리브랜드와 제2 슬리브랜드를 가공하여 밸브의 유량특성을 선형화하고, 솔레노이드의 힘에 비례하여 선형적이고 2차제어압력 제어가 간편한 것을 특징으로 하는 감압밸브.
3. 제 1항에 있어서,

   압력핀 전단부에 오리피스를 가공하여 2차제어압력의 기울기를 제어하고, 동일 솔레노이드에서 오피리스의 직경을 변화시켜 과도압력을 저감시키거나 응답성을 향상시키며, 상기한 압력핀에서 동일 솔레노이드 사용시에 압력핀의 단면적을 변화시켜 다양한 제어목표값(2차제어압력)을 얻을 수 있게 함을 특징으로 하는 감압밸브.