JP2013190039A - スプールバルブ - Google Patents

Abstract

【課題】 リニアアクチュエータで作動するスプールバルブによるオイルの流量の制御精度を高める。
【解決手段】 バルブハウジングのスプール孔の内部に摺動自在に嵌合するスプール２０のランドＬ４の外周面に形成した絞り溝３０の開口面積Ａを、リニアソレノイドに接続されて作動するスプール２０のストローク位置と圧力降下量との関係が略線形に変化するように設定したので、スプール２０のストローク位置を変化させることでオイルの流量を一定の比率で変化させることが可能になり、リニアソレノイドで作動するスプールバルブによるオイルの流量の制御精度が向上する。しかも絞り溝３０によってオイルの流量がゆっくりと増減するため、オイルの流量の急変によるショックの発生を防止することができる。
【選択図】 図６

Description

本発明は、外周面にランドおよびグルーブを形成したスプールと、前記スプールが摺動自在に嵌合するスプール孔の内周面に複数のポートを形成したバルブハウジングと、前記スプールを駆動するリニアアクチュエータとを備え、前記リニアアクチュエータにより前記スプールのストローク位置を変化させることで、前記ランドおよび前記グルーブにより前記複数のポート間の連通および遮断を制御するスプールバルブに関する。

主弁の位置を切り換えるための電磁パイロット切換弁のスプールのランドに絞り溝を形成し、前記スプールがスプリングに弾発力で中立位置に復帰するときに、主弁のパイロット圧力室から流出するオイルを前記絞り溝で絞ることで、主弁のスプールの中立位置への復帰速度を緩やかにしてショックの発生を抑制するものが、下記特許文献１により公知である。

またスプールバルブのスプールのランドの外周面に面取り状のノッチを形成することで、スプールのストローク位置に対するノッチの開口面積の関係を滑らかなＳ字状に変化させるものが、下記特許文献２により公知である。

特開平１１−２５７５０４号公報 特開２００５−１１４１３７号公報

ところで、ランドに絞り溝（ノッチ）を形成したスプールのストローク位置をリニアソレノイドで制御して絞り溝の開口面積を変化させれば、スプールバルブに絞り弁の機能を発揮させてオイルの流量を制御することが可能になるが、オイルの流量の制御精度を高めるには、リニアソレノイドでスプールをストロークさせたときに、そのストローク位置と絞り溝による圧力降下量（即ち、オイルの流量）との関係を線形に設定することが望ましい。

そのためには絞り溝の形状に特別の工夫が必要であるが、上記特許文献１に記載されたものは、スプールのストローク位置と絞り溝による圧力降下量との関係について何ら考慮していない。また上記特許文献２に記載されたものは、図３あるいは図１０でスプールのストローク位置と絞り溝の開口面積との関係を開示しているが、それらはオイルの流量の制御精度を高めるためのものではない。

本発明は前述の事情に鑑みてなされたもので、リニアアクチュエータで作動するスプールバルブによるオイルの流量の制御精度を高めることを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載された発明によれば、外周面にランドおよびグルーブを形成したスプールと、前記スプールが摺動自在に嵌合するスプール孔の内周面に複数のポートを形成したバルブハウジングと、前記スプールを駆動するリニアアクチュエータとを備え、前記リニアアクチュエータにより前記スプールのストローク位置を変化させることで、前記ランドおよび前記グルーブにより前記複数のポート間の連通および遮断を制御するスプールバルブにおいて、前記ランドの外周面には絞り溝が形成され、前記絞り溝の開口面積は、前記スプールのストローク位置と圧力降下量との関係が略線形に変化するように設定されることを特徴とするスプールバルブが提案される。

また請求項２に記載された発明によれば、請求項１の構成に加えて、前記絞り溝の形状は、前記ランドの径方向の深さが略一定で、前記ランドの周方向の幅が軸方向に沿って非線形に変化することを特徴とするスプールバルブが提案される。

尚、実施の形態のスリーブ１２は本発明のバルブハウジングに対応し、実施の形態のリニアソレノイド１５は本発明のリニアアクチュエータに対応する。

請求項１の構成によれば、バルブハウジングのスプール孔の内部に摺動自在に嵌合するスプールのランドの外周面に形成した絞り溝の開口面積を、リニアアクチュエータに接続されて作動するスプールのストローク位置と圧力降下量との関係が略線形に変化するように設定したので、スプールのストローク位置の変化に対してオイルの流量を一定の比率で変化させることが可能になり、リニアアクチュエータによるオイルの流量の制御精度が向上する。しかも絞り溝によってオイルの流量がゆっくりと増減するため、オイルの流量の急変によるショックの発生を防止することができる。

また請求項２の構成によれば、スプールのストローク位置が変化するときに、絞り溝の開口面積が最初はゆっくりと増加して最後に急激に増加すると、前記ストローク位置と圧力降下量との関係が略線形に変化するが、ランドの径方向の深さが略一定でランドの周方向の幅が軸方向に沿って非線形に変化する絞り溝の形状を採用することで、絞り溝の開口面積の変化特性を任意に設定することができ、しかも絞り溝の深さが略一定であるために加工が容易である。

スプールバルブの中立位置での縦断面図。（第１の実施の形態） スプールバルブの駆動位置（フルストローク）での縦断面図。（第１の実施の形態） スプールバルブの駆動位置（パーシャル）での縦断面図。（第１の実施の形態） スプールバルブの回生位置（フルストローク）での縦断面図。（第１の実施の形態） スプールバルブの回生位置（パーシャル）での縦断面図。（第１の実施の形態） 図１の６方向拡大矢視図。（第１の実施の形態） スプールのストローク位置に対する圧力降下量および開口面積の関係を示すグラフ。 （第１の実施の形態） 絞り溝の形状を示す図。（第２、第３の実施の形態）

第１の実施の形態

以下、図１〜図７に基づいて本発明の第１の実施の形態を説明する。

図１に示すように、自動車用の油圧ハイブリッドシステムに使用されるスプールバルブＶは、バルブケース１１に形成したスリーブ支持孔１１ａに嵌合する円筒状のスリーブ１２を備えており、スリーブ１２の一端に当接する環状の第１エンドプレート１３の外面を覆うソレノイド支持部材１４が、リニアソレノイド１５と共に複数本のボルト１６…でバルブケース１１の一方の側面に締結され、スリーブ１２の他端に当接する環状の第２エンドプレート１７の外面を覆うカバー部材１８が複数本のボルト１９…でバルブケース１１の他方の側面に締結される。スリーブ１２に形成されたスプール孔１２ａの内部にスプール２０が軸方向摺動可能に嵌合しており、その一端から延びるロッド部２０ａの先端とリニアソレノイド１５の出力ロッド１５ａの先端とが接続される。

スプール２０のロッド部２０ａが貫通するハット状の第１スプリングシート２１がスプール孔１２ａおよび第１エンドプレート１３の内周面に摺動自在に嵌合し、ソレノイド支持部材１４との間に縮設した第１スプリング２２でスプール２０に向けて付勢された第１スプリングシート２１は、そのフランジ部２１ａが第１エンドプレート１３の段部１３ａに当接する位置に停止する。またハット状の第２スプリングシート２３がスプール孔１２ａおよび第２エンドプレート１７の内周面に摺動自在に嵌合し、カバー部材１８との間に縮設した第２スプリング２４でスプール２０に向けて付勢された第２スプリングシート２３は、そのフランジ部２３ａが第２エンドプレート１７の段部１７ａに当接する位置に停止する。

この状態で、スプール２０の両端部は第１スプリングシート２１および第２スプリングシート２３間に挟まれ、スプール２０は中立位置に位置決めされる。リニアソレノイド１５を一方向に励磁して出力ロッド１５ａが前進すると、スプール２０が図１において左動することで、スプール２０に押圧された第２スプリングシート２３は第２スプリング２４を圧縮しながら左動する。この位置を駆動位置（図２および図３参照）と呼ぶ。またリニアソレノイド１５を他方向に励磁して出力ロッド１５ａが後退すると、スプール２０が図１において右動することで、スプール２０に押圧された第１スプリングシート２１は第１スプリング２２を圧縮しながら右動する。この位置を回生位置（図４および図５参照）と呼ぶ。

リニアソレノイド１５は出力ロッド１５ａを任意の位置に前進あるいは後退させることができるため、スプール２０は任意の駆動位置にストロークすることが可能であり、かつ任意の回生位置にストロークすることが可能である。図２および図４はそれぞれ駆動側および回生側のフルストローク状態を示しており、図３および図５はそれぞれ駆動側および回生側のパーシャル状態を示している。

スリーブ１２のスプール孔１２ａの内周面には、その右端側から左端側に向かって環状の第１ポートＰ１〜第７ポートＰ７が順次形成される。またスプール２０の外周面には、その右端側から左端側に向かって大径の第１ランドＬ１〜第５ランドＬ５が順次形成されるとともに、第１ランドＬ１〜第５ランドＬ５間に挟まれた小径の第１グルーブＧ１〜第４グルーブＧ４が順次形成される。第１ランドＬ１〜第５ランドＬ５の外径はスプール孔１２ａの内径よりも僅かに小さく、第１ランドＬ１〜第５ランドＬ５の外周面がスプール孔１２ａに内周面に当接する位置では、スプール孔１２ａに対するスプール２０の摺動を許容しながらオイルが通過不能にシールされる。

図１および図６から明らかなように、スプール２０の第２ランドＬ２の外周面における第１グルーブＧ１に臨む部分と、スプール２０の第４ランドＬ４の外周面における第３グルーブＧ３に臨む部分とに、周方向に９０°ずつ離間した各４個の絞り溝３０…が形成される。山形に形成された絞り溝３０…は一定の深さｄを有するとともに、円周方向の幅ｗが山頂側から裾野側に非線形に増加する。絞り溝３０…が第２ポートＰ２あるいは第６ポートＰ６の右側のエッジと交差する部分が開口面積Ａとなり、その開口面積ＡはＡ＝ｄ×ｗで与えられる。

図１に示すように、第１ポートＰ１および第７ポートＰ７はそれぞれ油路２５Ａ，２５Ｂを介してオイルタンク２６に連通し、第２ポートＰ２は油路２５Ｃを介してポンプ・モータ２７の吐出側に連通し、第６ポートＰ６は油路２５Ｄを介してポンプ・モータ２７の吸入側に連通し、第３ポートＰ３は油路２５Ｅを介して前記油路２５Ｄに連通し、第４ポートＰ４は油路２５Ｆ、チェックバルブ２８および油路２５Ｇを介して前記油路２５Ｃに連通し、第５ポートＰ５は油路２５Ｈを介してアキュムレータ２９に連通する。

ポンプ・モータ２７は油圧ハイブリッドシステムを搭載した自動車のエンジンのクランクシャフトに無端ベルトおよび電磁クラッチを介して接続されており、駆動状態では、アキュムレータ２９に蓄圧した油圧でポンプ・モータ２７がモータとして機能し、例えばエンジンの駆動力をアシストする駆動力を発生する。回生状態では、駆動輪から逆伝達される駆動力でポンプ・モータ２７がポンプとして機能し、オイルを加圧してアキュムレータ２９に蓄圧する。中立状態では、ポンプ・モータ２７はポンプとして無負荷状態で空転する。

図２はスプール２０が左方向にフルストロークした駆動位置を示しており、第１グルーブＧ１によって第１ポートＰ１および第２ポートＰ２が連通し、第２グルーブＧ２によって第３ポートＰ３および第４ポートＰ４が連通し、第３グルーブＧ３によって第５ポートＰ５および第６ポートＰ６が連通し、残りの第７ポートＰ７は第４ランドＬ４によって他のポートとの連通を遮断される。

その結果、アキュムレータ２９に蓄圧した油圧が油路２５Ｈ→第５ポートＰ５→第３グルーブＧ→第６ポートＰ６→油路２５Ｄ→ポンプ・モータ２７→油路２５Ｃ→第２ポートＰ２→第１グルーブＧ１→第１ポートＰ１→油路２５Ａ→オイルタンク２６の経路で流れ、アキュムレータ２９に蓄圧した油圧でポンプ・モータ２７をモータとして駆動することで、走行用の駆動力を発生させたり、エンジンの駆動力をアシストしたり、エンジンをクランキングしたりすることができる。何らかの理由でポンプ・モータ２７の下流側の油路２５Ｃの油圧が上流側の油路２５Ｄの油圧よりも高くなると、下流側の油路２５Ｃから、油路２５Ｇ→チェックバルブ２８→油路２５Ｆ→第４ポートＰ４→第２グルーブＧ２→第３ポートＰ３→油路２５Ｅの経路で、上流側の油路２５Ｄへとオイルが還流する。

また図４はスプール２０が右方向にフルストロークした回生位置を示しており、第３グルーブＧ３によって第４ポートＰ４および第５ポートＰ５が連通し、第４グルーブＧ４によって第６ポートＰ６および第７ポートＰ７が連通し、残りの第１ポートＰ１、第２ポートＰ２および第３ポートＰ３は第２ランドＬ２および第３ランドＬ３によって他のポートとの連通を遮断される。

その結果、駆動輪から逆伝達される駆動力でポンプ・モータ２７をポンプとして駆動することで、オイルタンク２６のオイルが油路２５Ｂ→第７ポートＰ７→第４グルーブＧ４→第６ポートＰ６→油路２５Ｄ→ポンプ・モータ２７→油路２５Ｃ→油路２５Ｇ→チェックバルブ２８→油路２５Ｆ→第４ポートＰ４→第３グルーブＧ３→第５ポートＰ５→油路２５Ｈ→アキュムレータ２９の経路で流れ、加圧したオイルをアキュムレータ２９に蓄圧し、減速時に車体の運動エネルギーを回収することができる。

図１に示す中立位置では、第１グルーブＧ１によって第１ポートＰ１および第２ポートＰ２が連通し、第４グルーブＧ４によって第６ポートＰ６および第７ポートＰ７が連通し、残りの第３ポートＰ３、第４ポートＰ４および第５ポートＰ５は第２ランドＬ２、第３ランドＬ３および第４ランドＬ４によって他のポートとの連通を遮断される。

その結果、駆動輪から逆伝達される駆動力でポンプ・モータ２７がポンプとして機能するときに、ポンプ・モータ２７が吐出するオイルを、油路２５Ｃ→第２ポートＰ２→第１グルーブＧ１→第１ポートＰ１→油路２５Ａ→油路２５Ｂ→第７ポートＰ７→第４グルーブＧ４→第６ポートＰ６→油路２５Ｄ→ポンプ・モータ２７の経路で循環させ、ポンプ・モータ２７を無負荷状態で運転することができる。

ところで、図１に示す中立位置から図２に示すフルストロークの駆動位置に移行する過程で、第３グルーブＧ３を介して連通する第５ポートＰ５および第６ポートＰ６間の開口面積を絞り溝３０…で任意の開度に絞ることで、ポンプ・モータ２７がモータとして作動する際の駆動力を任意に大きさに調整するパーシャル制御を行うことができる。

図３はスプール２０が中立位置からフルストロークの駆動位置に移行する過程のパーシャル制御状態を示すもので、スプール２０が左動して絞り溝３０…の山頂の部分で流路が開き始める位置がパーシャル制御の始点となり、その開口面積Ａはスプール２０の左動ストロークの増加に応じて増加し、裾野の部分で絞り溝３０…の開口面積が最大になる位置がパーシャル制御の終点になる。中立位置からフルストロークの駆動位置までのスプール２０のストロークは例えば６ｍｍであり、そのうちパーシャル制御が行われるストロークは例えば２ｍｍである。

スプール２０が中立位置から左動し、第４ランドＬ４の４個の絞り溝３０…の山頂部が第６ポートＰ６に開口した瞬間に、第５ポートＰ５および第６ポートＰ６が絞り溝３０…を介して連通する。図７において、このときのスプール２０のストロークを０ｍｍとしており、スプール２０が更に左動して絞り溝３０…の裾野部が第６ポートＰ６に開口したときのストロークは２ｍｍとなる。絞り溝３０…の山頂部は周方向に所定の幅ｗを有するため、絞り溝３０…の山頂部が第６ポートＰ６に開口した瞬間から所定の開口面積（０．２ｍｍ² ）が得られる。ストロークが増加すると開口面積は次第に増加するが、ストロークの末期には裾野部が第６ポートＰ６に開口することで、開口面積は急激に増加する。その結果、絞り溝３０…の開口面積は、ストロークの初期にはゆっくりと増加し、ストロークの末期には急激に増加する非線形の特性が得られる。

ストロークが増加すると絞り溝３０…の開口面積が増加するために絞り溝３０…おける圧力降下量は減少するが、開口面積の変化を上述した非線形の特性としたことで、ストロークの増加に伴って圧力降下量は線形に減少し、かつ圧力降下量は絞り溝３０…を通過するオイルの流量が大きいほど大きくなる。絞り溝３０…における圧力降下量は絞り溝３０…を通過するオイルの流量の変化量と線形な対応関係にあるため、ストロークの増減に伴ってオイルの流量を線形に増減させることが可能となり、リニアソレノイド１５によるオイルの流量の制御精度が高められる。

しかも、スプール２０が中立位置から駆動位置に向かって左動して第５ポートＰ５および第６ポートＰ６が連通するとき（図３参照）、絞り溝３０…によって開口面積が徐々に増加することで、開口面積の急増によるショックの発生を防止することができる。

図５はスプール２０が中立位置からフルストロークの回生位置に移行する過程のパーシャル制御状態を示すものである。図１に示す中立位置では第２ポートＰ２および第１ポートＰ１が第１グルーブＧ１を介して連通しているが、スプール２０が回生位置に向けて右動する過程で、第２ランドＬ２の右端が第２ポートＰ２の右端を超えた瞬間に、オイルが第２ポートＰ２から第２ランドＬ２の絞り溝３０…を通過して第１ポートＰ１へと流れることで、その圧力降下量（つまりオイルの流量）をゆっくりと、かつスプール２０のストロークに対して線形に変化させることができ、リニアソレノイド１５によるオイルの流量の制御精度を高めるとともに、開口面積の急減によるショックの発生を防止することができる。

第２、第３の実施の形態

次に、図８に基づいて絞り溝３０の第２、第３の実施の形態を説明する。

図８（Ａ）に示す第２の実施の形態の絞り溝３０は三角形状に形成されており、その円周方向の幅は軸方向に線形に変化するが、その深さは軸方向に非線形に変化する。具体的には、絞り溝３０の深さは三角形の頂点から底辺に向かう所定範囲では略一定であるが、三角形の底辺の近傍で急激に深くなるように設定される。これにより、絞り溝３０の開口面積に図７に示す非線形の特性を与えることができる。

図８（Ｂ）に示す第３の実施の形態の絞り溝３０は軸方向に長い長方形状に形成されており、その円周方向の幅は軸方向に一定であるが、その深さは軸方向に非線形に変化する。具体的には、絞り溝３０の深さは長方形の図中左端から右端に向かって次第に増加し、右端の近傍で極めて急激に深くなるように設定される。これにより、絞り溝３０の開口面積に図７に示す非線形の特性を与えることができる。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更を行うことが可能である。

例えば、本発明のスプールバルブの用途は油圧ハイブリッドシステムに限定されるものではない。

また絞り溝３０…の形状は第１〜第３の実施の形態に限定されず、スプール２０のストロークと開口面積との関係が図７に示す特性を有するものであれば良い。

またスプール２０の各ランドに形成される絞り溝３０…の数は４個に限定されるものではない。

またリニアソレノイド１５に代えて、リニアモータやボールねじのような任意のリニアアクチュエータを使用することができる。

１２ スリーブ（バルブハウジング）
１２ａ スプール孔
１５ リニアソレノイド（リニアアクチュエータ）
２０ スプール
３０ 絞り溝
Ｌ１〜Ｌ５ ランド
Ｇ１〜Ｇ４ グルーブ
Ｐ１〜Ｐ７ ポート
ｄ 絞り溝の径方向の深さ
ｗ 絞り溝の周方向の幅

Claims (2)

1. 外周面にランド（Ｌ１〜Ｌ５）およびグルーブ（Ｇ１〜Ｇ４）を形成したスプール（２０）と、前記スプール（２０）が摺動自在に嵌合するスプール孔（１２ａ）の内周面に複数のポート（Ｐ１〜Ｐ７）を形成したバルブハウジング（１２）と、前記スプール（２０）を駆動するリニアアクチュエータ（１５）とを備え、前記リニアアクチュエータ（１５）により前記スプール（２０）のストローク位置を変化させることで、前記ランド（Ｌ１〜Ｌ５）および前記グルーブ（Ｇ１〜Ｇ４）により前記複数のポート（Ｐ１〜Ｐ７）間の連通および遮断を制御するスプールバルブにおいて、
   前記ランド（Ｌ１〜Ｌ５）の外周面には絞り溝（３０）が形成され、前記絞り溝（３０）の開口面積は、前記スプール（２０）のストローク位置と圧力降下量との関係が略線形に変化するように設定されることを特徴とするスプールバルブ。
2. 前記絞り溝（３０）の形状は、前記ランド（Ｌ１〜Ｌ５）の径方向の深さ（ｄ）が略一定で、前記ランド（Ｌ１〜Ｌ５）の周方向の幅（ｗ）が軸方向に沿って非線形に変化することを特徴とする、請求項１に記載のスプールバルブ。

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