KR19990064096A - 차량용 유압 브레이크 시스템을 위한 전자기적으로 작동하는 밸브 - Google Patents

차량용 유압 브레이크 시스템을 위한 전자기적으로 작동하는 밸브 Download PDF

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귄터 호흘
노르베르트 미트볼렌
디에트마르 좀머
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클라우스 포스, 게오르그 뮐러
로베르트 보쉬 게엠베하
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Abstract

이 밸브(10)에는 속이 빈 밸브 시트(28)가 있는 시트 밸브(41)와 구면대 형태의 밸브체(37)가 있다. 밸브 시트(28) 안으로 유체 입구(26)와 연결된 유입구(29)가 중심을 지나도록 이어진다. 시트 밸브(41)를 닫는 역할을 하는 전기자(19)와 시트 밸브(41)를 여는 역할을 하는 재조정 스프링(23)이 밸브체(37)를 포함한 태핏(20)에 작용한다.
원칙적으로 파일럿 밸브로서 제작되는 밸브(10)는 다음과 같은 조치를 통해 안정된 중간 위치로 제어할 수 있다:
유입구(29)의 직경이 밸브 시트(28)의 밀착 직경과 거의 같고, 밸브 시트(28)의 테이퍼 각이 최대 90。이다. 자력은 무단계로 조절이 가능한데, 이때 자력의 추이는 밸브 개방 리프트가 진행될수록 단조 감소한다. 유체와 재조정 스프링(23)에서 기인한, 밸브체(37)에 가해지는 힘은 밸브 개방 리프트가 진행할수록 단조 감소하는 추세를 보이는데, 그 역피치가 자력 추이의 역피치보다 크다.

Description

차량용 유압 브레이크 시스템을 위한 전자기적으로 작동하는 밸브
시트 밸브가 재조정 스프링의 힘이 작용하면 개방 위치에 놓이고, 전자력이 작용하면 유체가 통과하지 못하도록 차단하는 위치로 전환할 수 있는 이런 유형의 밸브는 이미 공지되어 있다(DE 44 12 648 A1). 종래의 밸브의 구조는 가격이 저렴한 2/2 방향 밸브(2/2-way valve) 형태의 파일럿 밸브(pilot valve)이다. 또한, 압력차가 충분히 큰 상태에서 유체의 힘에 의해 시트 밸브가 폐쇄 위치에서 자동으로 일부만 닫힌 위치로 전환됨으로써 체적 흐름(volume flow)이 감소되도록 밸브체와 태핏에 구조적인 조치를 취했다. 그 결과, 종래의 밸브를 가령 슬립이 조정되는 유압 브레이크 등에서 브레이크 슬립 조정기의 압력을 높일 때 사용하면 제어 능력이 향상되고, 소음이 감소되어 유리하다.
본 발명은 청구범위 제 1 항의 특징에 따라 전자기적으로 작동하는 밸브에 관한 것이다.
도 1은 시트 밸브를 구비하고, 전자기적으로 작동하는 밸브의 종단면을 도시하는 도면.
도 2는 도 1의 세부도로서 폐쇄 위치에 있는 시트 밸브를 도 1에 비해 확대해서 도시한 도면.
도 3은 밸브 개방 리프트 동안 시트 밸브에 작용하는 힘들을 도시하는 다이어그램.
이에 비해 본 발명에 의해 청구범위에 제시된 특징을 갖는 밸브는 프로포셔닝 밸브와 유사하면서도 프로포셔닝 밸브의 막대한 제작 비용을 들이지 않고서도 자력을 조절함으로써 밸브 리프트가 작을 때에도 밸브가 임의로 다양한 중간 위치로 전환하도록 할 수 있다는 장점이 있다. 이같은 기능은 재조정 스프링이 주로 태핏에 작용하는 유체의 힘의 추이를 결정하는 반면에, 밸브체에 작용하는 유체의 힘은 유입구와 밸브 시트의 기하학적인 관계에 근거해서 그리 큰 영향을 미치지 않기 때문에 가능한 것이다. 그 결과, 본 발명에 의한 밸브에서는 연속적인 흐름 제어가 가능해진다. 적지않은 용도에 프로포셔닝 밸브 대신 사용할 수 있다. 슬립이 조정되는 브레이크 장치에 본 발명에 의한 밸브를 사용하면 종래의 밸브를 사용할 때에 비해 제어 능력이 향상되고 소음이 감소된다.
하위 청구범위에 제시된 조치들을 통해 청구범위 제 1 항에 제시된 밸브를 유리하게 응용, 개선할 수 있다.
청구범위 제 2 항과 제 3 항에 제시된 구조를 이용해서, 밸브를 개방한 다음 밸브체와 밸브 시트로부터 유체를 정확하게 분사할 수 있다. 이로써 유체의 힘이 불안정해지지 않는다.
청구범위 제 4 항에 제시된 본 발명의 응용 형태는 밸브체와 밸브 시트로부터 분사된 유체가 더 이상 태핏과 부딪히지 않게 된다는 장점이 있다. 그 결과 유체의 힘에 의해 야기되는 유해한 영향이 방지된다.
청구범위 제 5 항에 제시된 본 발명의 형태를 이용하면 가령 시트 밸브가 닫혔을 때 슬리브의 위치를 약간 태핏 쪽으로 옮김으로써 재조정 스프링의 탄성을 간단하게 조절할 수 있다.
본 발명의 한 실시예가 도면에 간단하게 도시되어 있고, 하기의 설명 부분에서 보다 자세히 설명된다.
도면에서 도 1에 도시된 전자기적으로 작동하는 밸브(10)에는 밸브 박스(11)가 있어서, 밸브(10)가 이 밸브 박스(11)와 함께 밸브 블록(12)에 포함되어 있다. 밸브 박스(11)는 밸브 블록(12)의 외부에서 극심(pole core; 13) 내부로 이어진다. 극심(13)에는 슬리브 모양의 밸브 돔(14)이 고정되어 압력이 빠져 나가지 못하도록 밀폐한다. 밸브 돔(14)과 극심(13) 위에, 자속을 전달하는 케이스(15)로 둘러싸인 고리 모양의 자력 코일(16)이 꽂혀져 있다.
밸브 돔(14)에는 세로 방향으로 이동하는 전기자(19)가 있다. 전기자(19)는 위로 슬리브(21)가 눌려져 있는 태핏(20)에 작용한다. 태핏(20)과 슬리브(21)가 극심(13)과 밸브 박스(11)의 세로 구멍(22)에 세로로 이동이 가능하도록 수용되어 있다. 재조정 스프링(23)은 슬리브(21)의 정면에 있는 지지면(supporting surface; 24)에 전기자와 반대 방향으로 작용한다(도 2).
재조정 스프링(23)은 밸브 박스(11)에 삽입되고 세로로 관통하는 구멍이 있는 밸브 몸체(valve body; 25)에 기대어져 있다. 밸브 몸체(25)는 밸브(10)의 유체 입구(26)와 연결되어 있고, 유체 입구(26)는 밸브 블록(12)의 안내구(guiding hole; 25)와 통한다.
밸브 몸체(25)는 태핏이 있는 면으로 속이 빈 구형의 밸브 시트(28)가 있는데, 밸브 시트(28)의 테이퍼 각(α)은 최대 90。이다(도 2). 밸브 시트(28) 내부로 유체 입구(26)와 연결된 직경(D1)의 유입구(29)가 중심을 지나도록 이어진다. 밸브 시트(28)는 반경 방향으로 바깥쪽으로 모서리가 각이 지면서 한 정면(30)에서 끝나는데, 이 정면(30)은 밸브실(31)에 대해 밸브 몸체(25)의 경계를 짓고, 밸브 몸체(25) 및 밸브 시트(28), 슬리브(21)가 있는 태핏(20), 전기자(19)가 놓인 축과 직각을 이루며 이어진다. 밸브실(31)은, 밸브(10)의 유체 출구(33)를 형성하고 밸브 블록(12)의 안내구(34)와 통하는 가로 구멍(32)과 연결되어 있다. 세로 구멍(22)과 밸브 돔(14)은 밸브실(31)과 연결되어 유체를 안내한다. 이로써 전기자(19)와 슬리브(21)가 있는 태핏(20)이 유체에 의해 씻기게 된다.
구면대(spherical segment)의 형태를 가진 밸브체(37)가 밸브 시트(28)와 협응한다. 밸브실(31) 내부에 있는 태핏(20)의, 직경이 감소된 원통형 세그먼트(38)의 정면에 밸브체(37)가 있다. 밸브 시트(28)의 테이퍼 각(α)과 밸브체(37)의 반경(R)은 밸브 시트의 밀착 직경(dense diameter; D2)이 유입구(29)의 직경(D1)과 같거나 약간 크도록 서로 조정된다. 이에 비해 태핏 세그먼트(38)의 직경(D3)은 최소한 밸브 시트(28)의 밀착 직경(D2)에 근사한 수치로 정해진다. 다시 말해 태핏 세그먼트(38)가 밀착 직경보다 약간 크다. 밸브체(37)에서 태핏 세그먼트(38)로 넘어가는 접합부위는 모서리가 각이 지도록 제작된다. 밸브체(37)를 포함한 태핏 세그먼트(38)의 축방향 길이(L)는 최소한 밸브 시트(28)의 밀착 직경(D2)과 같다. 태핏 세그먼트(38)는 원뿔형을 이루는 밸브 시트(28)가 있는 접합 세그먼트(39)를 지나 태핏(20)으로 이어진다. 도 2로부터 알 수 있듯이 밸브 시트(28)의 유출구는 정면에서 직경(D4)를 가지고, 직경(D4)은 최소한 밸브 시트의 밀착 직경(D2)의 두 배에 해당한다.
밸브 몸체(25)의 밸브 시트(28)와 태핏(20)의 밸브체(37)는 시트 밸브(41)를 형성하는데, 시트 밸브(41)는 자력 코일(16)에 전기가 통하지 않았을 때 재조정 스프링의 힘이 작용하면 개방 위치로 전환된다. 전기가 통하면 시트 밸브(41)가 폐쇄 위치가 되도록 밸브(10)가 전환된다. 따라서 전자기적으로 작동하는 밸브(10)는 2/2 방향 밸브 형태의 파일럿 밸브이다. 서두에 언급한 책자 DE 44 12 648 A1에 언급되고, 책자 DE 41 19 662 A1에서 배선도와 기능이 자세히 설명되어 있듯이 이 밸브는 차량의 유압 브레이크에 사용할 수 있다. 이 밸브를 차량의 유압 브레이크에 사용할 경우 밸브(10)의 유체 입구(26)는 브레이크 장치에서 압축 작용을 하는 메인 브레이크 실린더와 연결되고, 그리고, 유체 출구(33)는 압력을 소비하는 휠 브레이크와 연결된다.
종래의 파일럿 밸브는 예를 들어 시트 밸브의 경우 테이퍼 각(α)이 90。보다 큰 각도로 선택됨으로써 밸브체(37)로서 직경이 보다 큰 볼을 사용해도 태핏(20)에 조립할 때 취급이 용이해진다는 점이 본 발명에 의한 밸브와 다르다. 종래의 밸브의 경우 밸브체(37)의 구면과 태핏(20) 사이의 접합부위가 각이 지지 않도록 제작하려고 시도했다. 그리고, 종래의 밸브에서 전기자는 폐쇄 위치로 전환할 때 자력이 점차 급상승하도록 제작된다.
이에 비해 본 발명에 의한 밸브(10)는 다음과 같은 특징을 갖는다.
시트 밸브(41)가 폐쇄 위치(도 2)에 있을 때 유입면의 압력(p1)은 밀착 직경(D2)에 외접한 태핏 세그먼트(38)의 작용 면적(active area)에 작용하고, 태핏(20)에 여는 힘을 가한다. 밸브실(31)과 밸브 돔(14)에 작용하는 유출면의 압력(p2)은 압력(p1)보다 낮고, 태핏(20)에 닫는 힘을 가한다. 그 결과, 이 두 힘으로부터 기인하는 유체의 힘(Fp)이 태핏(20)이 열리도록 작용한다. 코일 압력 스프링(coil pressure spring)의 형태로 제작되는 재조정 스프링(23)의 힘(FF)도 태핏(20)을 열도록 작용한다.
시트 밸브(41)를 폐쇄 위치로부터 열 때 낮은 수준의 압력(p2)이 약간 유입구(29)를 향해 밀고 나온다. 그러나 유입구가 밸브 시트(28)의 밀착 직경(D2)과 거의 같기 때문에 압력(p1)에 의해 태핏 세그먼트(38)의 작용 면적에 가해지는 여는 힘이 그리 많이는 감소되지 않는다. 압력(p1)과 압력(p2) 간의 압력차가 일정하다는 전제 하에 여기서 기인하는 유체의 힘(Fp)은 밸브 개방 리프트(H)가 진행하는 동안 약간의 역피치(reverse pitch)를 나타내며 단조 감소 추세를 보인다. 이에 비해 태핏(20)에서의 힘의 평형을 위해서는 재조정 스프링(23)이 매우 중요하다. 재조정 스프링(23)은 비교적 용수철 강성(spring rigidity)이 높고, 따라서 용수철의 힘(FF)이 밸브 개방 리프트(H)가 진행될수록 큰 역피치를 나타내며 단조 감소한다. 시트 밸브(41)를 닫는 경우에는 이와 반대이다.
추가적으로, 서로 연계된 힘들(Fp+ FF)이 밸브 개방 리프트(H)가 진행되는 동안 변화하는 추이가 도 3에 다이어그램으로 제시되어 있다. 여기서 가로 좌표는 밸브 리프트(H)를 나타내고, 세로 좌표는 힘(F)을 나타낸다. 이 누적 힘(summation force)의 특성 곡선은 비교적 큰 역피치를 나타낸다. 밸브(10)가 주로 재조정 스프링(23)의 특성 곡선의 영향을 받고, 밸브 리프트(H)가 진행되는 동안 유체의 힘(Fp)의 변화의 영향을 별로 받지 않기 때문에, 본 발명에 의해 밸브(10)가 작동할 경우 용수철의 힘을 매우 정확하게 조절하는 것이 필요하다. 용수철의 힘은 밸브 시트(28)에 힘을 가하는 태핏 세그먼트(38)에서 시트 밸브(41)의 밸브 리프트(H)시 필요한 용수철의 힘에 도달할 때까지 슬리브(21)를 약간 태핏(20) 쪽으로 이동시킴으로써 매우 정확하게 조절할 수 있다. 태핏(20)과 슬리브(21) 사이를 압축 접속(compression joint)하기 때문에 이같은 조절이 지속된다.
이같은 시트 밸브(41)의 구조 때문에 다이어그램에 그려진 특성 곡선의 추이(Fp+ FF)에 유해한 영향이 미치지 않게 된다. 따라서, 밸브 시트(28)의 테이퍼 각(α)을 비교적 작게 함으로써 시트 밸브(41)에서 유체가 분사되는 방향을 약간 변경할 수 있게 된다. 그 결과, 특히 많은 양의 유체가 통과할 때 나타나는 충격력(impulse force)이 거의 발생하지 않는다. 따라서, 밸브 특성이 유체의 차압과 온도에 의해 좌우되는 현상이 감소한다. 또한 밸브체(37)와 태핏 세그먼트(38) 간의 접합부위를 각이 지게 함으로써 유체의 흐름이 이곳에서 중단되고, 그 결과 밸브체(37)가 균일한 유체의 힘을 받게 된다. 밸브 몸체(25)의 정면에 있는 밸브 시트(28)의 각이 진 유출구 역시 유체의 흐름이 안정되게 하는데 기여한다. 이로써 유체의 흐름이 재조정 스프링(23)의 코일에 작용할 때 유해한 영향이 미치지 않게 된다. 또한 축방향으로 후퇴한 접합부위 세그먼트(39)에 의해 분사된 유체가 태핏(20)에 부딪히지 않게 된다.
자력 코일(16)을 여기시킬 때 발생하고 시트 밸브(41)가 닫히도록 작용하는 자력(FM)이 상기 유체의 힘(Fp)과 용수철의 힘(FF)에 대치된다. 자력(FM)은 최소한 유체의 힘(Fp)과 용수철의 힘(FF)에 대항해서 시트 밸브(41)를 폐쇄 위치로 전환하고 이 상태를 유지할 수 있는 정도의 크기여야 한다. 도 3의 다이어그램에 제시된 자력(FM)의 특성 곡선에서 알 수 있듯이 자기 회로를 제작하는 경우 전문가들이 익히 알고 있는 조치들을 통해, 특정한 여자 전류(I)=일정 일때 밸브 개방 리프트(H)가 진행되는 동안 자력(FM)이 마찬가지로 단조 감소 추세를 보이는 반면 힘의 추이(Fp+ FF)는 이보다 작은 역피치를 나타내도록 할 수 있다. 특성 곡선(FM)의 기울기는, 특히 밸브(10)가 닫힌 위치에서 비교적 큰 잔류 공기틈이 전기자(19)와 극심(13) 사이에 남아 있거나 전기자와 극심이 솔레노이드 단계로서 제작되어 있을 경우에, 예를 들어, 자기 회로의 구조를 적당하게 조정함으로써 완만하게 할 수 있다. 도면에 그려진 자력 특성 곡선은 특정한 여자 전류(I)=일정 일때 전형적으로 나타난다. 여자 전류를 확산시키면 특성 곡선이 세로 좌표 방향으로 이동된다. 변화된 여자 전류는 전류 제어(current control)나 펄스폭 전압 제어를 비롯해서 기존의 방법으로 조절할 수 있다.
다이어그램에서 특성 곡선(Fp+ FF) 및 특성 곡선 (FM)은 한편으로 밸브를 여는 유체의 힘(Fp)과 용수철의 힘(FF)이, 다른 한편으로는 밸브를 여는 유체의 힘(Fp)과 밸브를 닫는 자력(FM)이 균형을 이루는 점에서 교차한다. 이 점을 작동점(operating point; AP)이라고 하는데, 이 점에서 시트 밸브(41)는 밸브 리프트(H) 동안 안정된 위치를 차지한다. 다이어그램에서 전류 제어를 통해 겹화살표의 방향으로 이동된 자력 특성 곡선은 작동점을 다른 밸브 개방 리프트로 옮긴다. 그 결과, 본 발명에 의한 밸브(10)의 개방 정도가, 밸브(10)가 파일럿 밸브의 구조임에도 불구하고 프로포셔닝 밸브와 유사하게 전류에 따라 무단계로 다양하게 조절된다. 최소한 밸브 개방 리프트가 작은 경우 이같은 조절 가능성이 주어진다. 본 발명에 의한 밸브(10)는 차량용 유압 브레이크에 가령 스키드 제어(skid control) 또는 구동 슬립 제어(driving slip control)를 위해, 또는, 유압 서보 압력 발생장치를 가진 브레이크 장치에 휠 브레이크 실린더의 브레이크 압력을 조절하기 위해 사용할 수 있다. 브레이크 장치에 적절한 센서와 전자 제어 장치가 장착되어 있으면, 밸브(10)로 압력 및 체적 흐름을 무단계로 조절할 수 있어 유리하다. 또한 픽업 압력(pick-up pressure)을 전류 제어함으로써 일정한 수치 또는 채용된 사례에 따라 가변적인 수치로 조절하면 밸브(10)를 압력 제어 밸브로 사용할 수도 있다.

Claims (5)

  1. 시트 밸브(41)가 유체 입구(26)와 유체 출구(33) 사이에 설치되어 있고, 시트 밸브(41)에 속이 빈 구형의 밸브 시트(28)와 구면대 형태의 밸브체(37)가 있으며, 밸브 시트(28) 안으로 유체 입구(26)와 연결된 유입구(29)가 중심을 지나도록 이어지고, 밸브체(37)가 태핏(20)의 원통형 세그먼트(38)의 정면과 각이 지게 접합되며, 태핏(20)에 시트 밸브(41)를 닫는 역할을 하는 전기자(19)와 여는 역할을 하는 재조정 스프링(23)의 힘이 작용하는, 차량용 유압 브레이크 시스템을 위한 전자기적으로 작동하는 밸브(10)에 있어서,
    유입구(29)의 직경(D1)이 밸브 시트(28)의 밀착 직경(D2)과 거의 동일하고,
    밸브 시트(28)의 테이퍼 각(α)이 최대 90。이고,
    밸브(10)의 자기 회로가 전기자(19)에 가해지고 밸브체(37)에 전달되는 자력이 무단계로 조절되며,
    이때 자력의 추이가 밸브 개방 리프트(H)가 진행할수록 단조 감소하도록 제작되고,
    유체와 재조정 스프링에서 기인한 밸브체(37)에 가해지는 힘(Fp+ FF)이 밸브 개방 리프트(H)가 진행할수록 단조 감소하는 추세를 보이며, 그 역피치가 자력 추이의 역피치보다 큰 것을 특징으로 하는 전자기적으로 작동하는 밸브.
  2. 제 1 항에 있어서, 태핏 세그먼트(38)의 직경(D3)이 최소한 밸브 시트(28)의 밀착 직경(D2)에 근사한 수치로 정해지는 것을 특징으로 하는 전자기적으로 작동하는 밸브.
  3. 제 1 항에 있어서, 밸브 시트(28)가 밸브 시트의 밀착 직경(D2)의 두 배 이상에 해당하는 직경(D4)으로 각이 지도록 이어지는 것을 특징으로 하는 전자기적으로 작동하는 밸브.
  4. 제 1 항에 있어서, 태핏 세그먼트(38)는 밸브 시트(28)의 밀착 직경(D2)과 동일한 길이(L)를 지나 원뿔형을 이루는 밸브 시트(28)가 있는 접합 세그먼트(39)에서 끝나는 것을 특징으로 하는 전자기적으로 작동하는 밸브.
  5. 제 1 항에 있어서, 태핏(20)에 슬리브(21)가 눌려져 있고, 슬리브(21)에 재조정 스프링(23)을 위한 지지면(24)이 있는 것을 특징으로 하는 전자기적으로 작동하는 밸브.
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