JP3600936B2 - バルブ装置、特に比例バルブ兼方向制御バルブ - Google Patents
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Description
本発明はバルブ装置に関し、詳しくは、請求項１の前文に記載の特徴を有する比例バルブの機能と、方向制御バルブの機能とを併せ備えたバルブ装置に関する。
方向制御バルブとも称される比例バルブは、構造の異なる多くの変形例が知られており、種々の用途に使用されている。方向制御バルブとは、制御プランジャとも称されるバルブピストンが、種々の固定されたシフト位置に移動でき、作動流体を制御するために、流体による種々の接続を設定することができるようになっているバルブのことであり、これにより、流体の流れの方向を変えることができるようになっている。このバルブは、公称幅、公称圧力および分配選択が可能であることを特徴としている。
方向制御バルブの主なモジュールは、制御ユニットである。この制御ユニットは、バルブ本体すなわち制御ハウジング内にバルブピストンを収容してなり、このバルブピストンは、流体の流れ方向を変化させるようになっている。バルブピストンを移動するのに必要な作動力を生じさせるために、バルブピストンの２つの端面のうちの少なくとも１つには、アクチュエータが取り付けられている。
頻繁に構造上に変化が行われるのは、いわゆるスプールバルブであり、個々のバルブ部品、特にバルブ本体内でのバルブピストンの相対的運動によって生じる重なりにより、バルブの閉鎖が開始される。
これらバルブは、構造および移動のタイプに応じて、回転スプールバルブと、長手方向スプールバルブと、これら両者を組み合わせたものに分類される。制御ユニット、すなわちバルブユニットの適当な分類は、取り付けられている接続部の数、または可能な液圧ラインの数、および可能なシフト位置の数によって決定される。バルブピストンおよびバルブ本体の制御エッジは、シフト操作の精度に特に大きく影響する。この制御エッジは、流れ面積のスロットリング（絞り動作）、従って液圧使用装置の速度、通常は、機械の速度に影響する。
バルブ本体に対するバルブピストンの相対的運動に関連して、制御エッジを適当な形状にすることにより、異なる流れ特性を得ることができる。方向制御バルブは、いくつかのシフト位置を有する。
比例方向制御バルブは、好ましくは電気的に制御される連続可変方向制御バルブである。このバルブのバルブピストンの軸方向の運動は、圧力シールされたアクチュエータにより、設定点の値に比例して、力制御モードまたはピストン制御モードで直接に制御される。連続可変方向制御バルブのアクチュエータは、制御マグネット（ソレノイド）として構成されており、この制御マグネットは電気設定点の値に比例したバルブピストンの軸方向の運動を容易にする。
このバルブピストンは、バルブ本体によって得られる２つの停止位置の中の任意の位置に連続的に調節自在である。このバルブは、液圧使用装置の速度を制御し、調節する際に特別な利点を有する。このバルブは、例えば次の文献により公知である。
１）マンネスマン・レックスロート（Mannensmann Rexrodt）による販売用文献
RD29586/09.89
RD29175/03.93および
２）ヘリオン−ベルケ（Herion−Werke）カーゲーによる販売用文献−「流体技術（Fluidtechnik）」第7502263.0503.92号
これらタイプの比例バルブは、下流側にある液圧使用装置で要求される最大圧力を長時間にわたって維持できるように、電磁的、液圧的、機械的、またはその他の手段により発生される作動力を選択しなければならないという欠点がある。
圧力を受ける有効面積の大きさは、このような条件によって決定される。しかし、この結果、適当に小さい作動力によって、より低い圧力を制御しなければならない。より低い圧力を所望する場合に、制御中に、より大きい圧力変化が起こることを予想しなければならない。
作動力の範囲を広くするには、通常、アクチュエータの寸法を大きくしなければならない。例えば、アクチュエータを電磁アクチュエータとすると、磁力を大きくするには、励磁コイルを大きくすることとなるが、そのためより広い空間が必要となる。また、大きな励磁コイルが必要となるため、電気導線のコストも高くなり、電流消費量も増加する。
一般的に言って、かつこのようなバルブの用途を考慮すると、バルブおよびアクチュエータの寸法には限界があり、従って、液圧使用装置における圧力を、常に正確に調節することができるとは言えない。
本発明の目的は、上記欠点を解消した上記タイプのバルブ装置を提供することにある。特に、極めて低い目標圧力設定点における圧力変動を最小にすることを目的としている。このバルブ装置は、例えばコンバータの範囲内で作動しながら、クラッチ要素の高（トルク）伝達能力の必要性と、液圧クラッチ要素における比較的低い圧力をできるだけ正確に制御する必要性が求められている自動変速に適しているものであることが要求されている。
従って、第１圧力レンジ、すなわち比例レンジ（このレンジは、１〜５バールの大きさである総作動レンジにも対応できる）内で、このバルブ装置は、最大の許容される作動力を十分に活用しながら、最高レベルの精度、および最大の可能な作動力で、少なくとも電流に比例した制御を行うことができなければならない。
またこのバルブは、６〜20バールの範囲の第２の高い圧力レンジ内で、通常の方向制御バルブとして作動できなければならない。すなわちこのバルブは、液圧使用装置で利用可能な圧力とは無関係に、全圧力を伝達できなければならない。このバルブ装置は、液圧力により誘導される結合モーメント、および機械的力からのサイド効果が最小の状態で、正確かつ繰り返し可能なソフト操作を行うことができなければならない。しかも、これらの条件を達成しながら、構造を簡単とし、かつ価格を最小に保たなければならない。
本明細書に記載した解決案の特徴は、請求項１の特徴事項に記載され、従属項には有利な変形例が記載されている。
このバルブ装置は、少なくとも１つの供給チャンネルと、１つの戻りチャンネルとを含むバルブ本体の他に、バルブ本体内にある軸方向に移動自在なバルブピストンを含んでいる。バルブピストンは、供給チャンネルおよび戻りチャンネルの断面領域の接続部を開放したりブロックしたりする制御エッジ、並びにバルブピストンに作動力を加えるためのアクチュエータも含んでいる。
本発明によれば、バルブ装置の全作動レンジのうちの少なくとも一部にわたって、作動力に抗する力を発生するための手段が設けられている。この力は、戻りチャンネル内の圧力に依存するものである。
バルブ装置の全作動レンジの第１部分（この第１部分は、全作動レンジにも対応する）を決定する圧力レンジ内では、作動力の可能なレンジが、液圧使用装置における圧力レンジに対して増大され、液圧使用装置における作動力、および最終圧力のより鋭敏な変調を促進する。このことは、液圧使用装置、または戻りチャンネルにおける所定の圧力レンジは、従来の構造の比例バルブと比較して、より広いレンジの作動力を必要とすることを意味する。このような動作は、作動力とは方向が反対の、液圧使用装置における圧力に応じ、所定の面積に負荷をかける圧力と作動力との間の平衡点に達して、バルブピストンが制御位置に達した後に行われる。
この目的を達成するための手段は、優先事項として、アクチュエータに対するバルブピストンの遠方端まで延びる、バルブピストン内に設けられた内側開口部と、プランジャとバルブピストンとが互いに移動できるよう内側開口部内に設けられたプランジャと、プランジャに対する支持体となる制限ストッパと、バルブピストンの内側開口部とバルブピストンの外周部との間に設けられた接続孔とを備え、もって、全作動レンジの上記部分、すなわち比例レンジ内で作動しながら、接続孔が戻りチャンネルに連通するよう、接続孔の入口とバルブピストンの外周部とが配置されている。
このような構造により、作動力と摩擦力との比を、最大限可能な値にすることができる。摩擦力は、主にバルブの圧力差、作動流体の汚染レベル、バルブの直径、その他の構造に関連する特徴によって決まる。作動力は、主にアクチュエータの大きさによって決まり、電磁装置の場合は磁石の大きさが決定するための要素となっている。作動力がより小さいレンジでも、液圧使用装置、またはこの装置に接続された戻りチャンネル内の低い圧力レベルを調節することができる。
本発明によるバルブの好ましい実施例は、比例バルブ兼方向制御バルブとして構成されている。このバルブ装置は、流体を分配する機能を提供するほかに、作動力に抗する力の大きさを制限し、補償する装置をも含んでいる。この装置は、プランジャに対する制限ストッパと連動し、プランジャにかかる力を制限するように働くエネルギー蓄積ユニットとして構成されている。
戻りチャンネルおよびプランジャ領域における圧力によって決定される圧力が、エネルギー蓄積ユニットによって発生されるプランジャを支持する対抗力よりも大きくなった場合、制限ストッパは、一体的なストッパとしてはもはや機能せず、むしろプランジャにより強制的に移動させられる。この移動は、プランジャとバルブピストンとの間に設けられた別の制限ストッパによって制限される。プランジャが一旦この制限ストッパに達すると、プランジャは、圧力の方向にそれ以上移動できず、バルブピストンのみが作動力に応答して移動する。
本発明による、このバルブ装置は、液圧使用装置における少なくとも１つの第１の低圧力レンジの制御を容易にし、この第１の低圧力レンジは、ほぼ最大の可能な作動力におけるバルブ装置の全作動レンジのうちの第１部分を決定するとともに、高い圧力レンジでは、バルブが方向制御バルブとしてしか機能しないバルブ装置の全作動レンジのうちの第２部分を決定する。このことは、全作動レンジのうちの第２部分に対しては、液圧使用装置に直接結合された戻りチャンネル内に存在する圧力は、バルブ装置の機能に影響しないことを意味する。
従って、要求値が小さくても、低圧力レンジとなっているバルブ装置の全作動レンジのうちの第１部分で、正確な制御性能が得られる。バルブ装置が、比例機能から方向制御機能に移る動作は、液圧使用装置における圧力に応じて自動的に行われる。このような動作移行点は、バルブ装置の適当な幾何学的構造、およびダイナミック特性を考慮して決定される。
構造上このバルブ装置は、軸方向に移動自在なバルブピストンを含む中心ボアを備える少なくとも１つのバルブ本体を含んでいる。中心ボアは、関連するチャンバと共に、いわゆる圧力区画室を形成している。この圧力区画室は、中心ボア内のバルブピストンの位置と対応し、供給ラインと戻りライン、好ましくは液圧使用装置に接続されている戻りラインとの接続を可能にする。
またバルブピストンは、軸方向に移動自在なプランジャを含む内側開口部を有する。このプランジャは、エネルギー蓄積ユニットによって支持された制限ストッパにより、軸方向に制限されている。プランジャ、より正確には、バルブピストンの内側開口部内まで延びる制限ストッパと反対を向くプランジャの端面は、戻りラインに存在する圧力孔または接続孔（好ましくは接続オリフィスとなっている）を介する液圧使用装置までの接続ライン内の圧力を受ける。このオリフィスの目的は、戻り流の領域において比例レンジにあるバルブピストンの外周部に、内側開口部をリンクする通路を提供することにある。
このバルブは、概念的には第１端部位置における供給ラインと戻りラインとの間の接続部、すなわち、液圧使用装置への接続部がブロックされるように、原理的に構成されている。
バルブ本体においてバルブピストンを作動する機能は、アクチュエータによって得られる。好ましいアクチュエータは、電磁アクチュエータである。その他のタイプのアクチュエータも使用可能である。例えば、電気液圧式アクチュエータも使用できる。
連続制御をしたい場合、力Fapplicationを加えることにより、アクチュエータによってバルブピストンを作動させる。これにより、中心ボアのみならず、出口における中心ボア、およびチャンバにより入口に接続されたチャンバによって形成された圧力区画室の間の接続がなされる。この結果、供給ラインから液圧使用装置に作動流体が流れることができる。
これと同時に、内側開口部と戻り領域にあるバルブピストンの外周部との間の接続オリフィスを通し、プランジャの端面に作用する圧力レベルに達し、次にプランジャは、バルブ本体内の制限ストッパに支持され、平衡状態が生じる。このことは、作動力がプランジャ領域に作用する液圧使用装置の圧力の結果である圧力に等しくなることを意味する。バルブピストンとバルブピストンの内側開口部内のプランジャとの間に、別のエネルギー蓄積ユニットを設けたことにより、結果として発生した力が、圧力に加えられる。
プランジャは、エネルギー蓄積ユニットの一部である制限ストッパにより支持されている。エネルギー蓄積ユニットにより発生される力は、比例圧力が最大の所望する圧力になると、プランジャの力に対応するので、全比例レンジにわたって、エネルギー蓄積ユニットによって発生される力、すなわち、制限ストッパの位置に変化は生じない。エネルギー蓄積ユニットのプリ負荷は、目標とする最大の所望する比例圧力に対する直接設定値として働く。
液圧使用装置、すなわち、戻りライン内の調節された圧力が、制限ストッパに関連するエネルギー蓄積ユニットにより発生される力よりも大きい力を内側開口部内のプランジャに対して発生する時に限り、プランジャはエネルギー蓄積ユニットを圧縮し、オーバーハング状となり、バルブピストンと一体化されている少なくとも１つの制限ストッパに当接する。このような状態に達するとすぐに、液圧使用装置内の圧力は、バルブにそれ以上作用できなくなる。バルブピストンの位置は、方向制御バルブの場合と同じように、アクチュエータおよびエネルギー蓄積ユニットの外力のみによって決定される。
２つの機能、すなわち比例機能と方向制御機能を備えたバルブ装置の用途に対し、このバルブ装置は、本発明の目的を満たすようになっている。自動変速時には、全シフト動作は比例レンジ内で行われ、上部圧力レンジしかトルクを伝達しないよう、シフト圧力を決定できる。
圧力調節に対するバルブのより敏感な機能の他に、１つのバルブ装置だけで、いくつかの設計上の条件を満たすことができ、例えば潜在的にユニバーサルな用途を有するという利点がある。これらの利点としては、特に低圧力レベルにおいて液圧使用装置における作動力および最終圧力をより鋭敏に変調できることだけでなく、液圧使用装置に高い圧力を加え、かつこの圧力を、信頼できる状態で維持できるという能力が挙げられる。
エネルギー蓄積ユニットを、例えば圧縮スプリングまたはスプリングパックのような圧力蓄積ユニットとして構成すると有利である。また、弾性膜を使用することも可能である。
このバルブ装置は、制限ストッパにエネルギー蓄積ユニットを省略することにより、純粋な比例バルブとして作動できる。また、作動力が直接バルブピストンを端部位置まで移動させるように、エネルギー蓄積ユニットを構成することにより、純粋な方向制御バルブとして作動することができる。このようなバルブピストンの運動は、エネルギー蓄積ユニットにおいて、極めて小さいプリ負荷を選択することにより可能となる。
エネルギー蓄積ユニットに小さいプリ負荷を加えると、比例レンジが小さくなり、エネルギー蓄積ユニットに大きいプリ負荷を加えると、比例レンジが大きくなる。これにより、請求項11に記載のコンパクトなベースバルブユニットを構成することが可能となる。このようなバルブユニットは、わずかな改造を行うだけで、手間をかけず、別の条件に適合させることができ、モジュール構造とした各部品を構成できる。
本発明のバルブ装置は、任意のタイプのアクチュエータを含むことができる。電磁タイプのアクチュエータ、機械式タイプのアクチュエータ、液圧タイプのアクチュエータ、または他の任意のタイプのアクチュエータを使用できる。
電磁アクチュエータは、コイルを含む少なくとも１つの電磁石とアーマチュアとを備えている。
電磁的に作動力が発生されるバルブに対しては、バルブピストンまたはアーマチュアの異なる変位量の限界点を、個々の機能状態、例えば比例バルブ状態と方向制御バルブ状態に割り当てることができるという別の利点もある。
このバルブは、特に有利である方向制御バルブの状態で、磁化コイルの電流消費量が少ないという利点を有する。その理由は、このような状態は、ほとんどの時間を占めており、コイルだけでなく、バルブの制御に役割を果たす部品の加熱、およびその結果生じる耐久性の点で、最も重要であるからである。比例レンジ内での可能な最大変位量は、総変位量に対して約80％であり、このような値から若干ずれることも可能である。
次に、本発明の課題に対する解決策について、図面を参照して詳しく説明する。
図1aおよび図1bは、２つの作動状態にある本発明のバルブ装置を示す。
図２は、従来の比例バルブと、比例バルブ兼方向制御バルブとの特性曲線の比較を示すグラフであり、消費装置における目標圧力と磁力の大きさとの関係を示す。
図３は、電磁アクチュエータの磁力と磁気的変位との関係を示すグラフである。
図４は、バルブピストンまたは磁気コイルの磁力と変位との間の関係を示す図である。
図５は、比例バルブの機能および方向制御バルブの機能に必要な電流を示す図である。
図１は、本発明に係わる比例兼方向制御バルブ１の構造および機能を略示する部分断面図である。好ましい実施例では、このバルブは、電磁力で制御される。このために電磁石２が設けられている。
この比例兼方向制御バルブ１は、バルブ本体３を含み、この本体３は、中心ボア４を有し、このボア４の内部には、軸方向に移動自在にバルブピストン５が収容されている。中心ボア４に複数の接続部が隣接している。少なくとも２つの接続部が存在していなければならない。これらは、本明細書ではバルブピストン５の外周部から、中心ボア４まで径方向内側に延びる接続チャンネル６、７および８として示されている。
接続チャンネル６は、供給チャンネルとして働き、接続チャンネル７は、戻りチャンネルとして働く。接続チャンネル６、７および８は、中心ボア４まで延び、中心ボア４は、チャンネルの領域に位置する別のチャンバ９、10および11を有する。これらのチャンネルは、中心ボア４に接続され、円周方向に位置しており、中心ボア４よりも大きい直径を有する。バルブ本体内に機械加工されたチャンバ９、10および11は、中心ボア４と共にバルブ本体３の制御エッジを形成している。
ここに示す例では、バルブピストン５は、その軸線に沿って直径が異なるように設計されている。図に示すように、より小さい直径となっている符号12および13で示す２つの領域がある。これら大径部と小径部との間の差により、バルブピストン５に、制御エッジ14、15および16が構成されている。バルブピストン５の制御エッジ14、15および16、ならびにバルブ本体３の制御エッジは、制御動作の精度に関連した特別な重要性を有する。
これらの制御エッジは、流れ面積のスロットリング（絞り動作）に影響し、比例兼方向制御バルブ装置１の下流側にある機械、すなわち液圧使用装置の速度に影響する。中心ボア４およびバルブピストン５の外側の形状によって形状が定められたチャンバ９、10および11は、可変圧力区画室を形成している。個々の制御エッジの形状を適当な形状にすることにより、異なる流れ特性を得ることができる。
ここにあげた例は、３つの接続部を備えるバルブ装置１である。接続チャンネル６は、チャンバ９および中心ボア４によって形成された圧力区画室と圧力供給源とを接続し、接続チャンネル７は、チャンバ10および中心ボア４によって形成された圧力区画室と、本明細書には示されていない消費装置とを接続している。
バルブピストン５は、中心線に対して、端面22まで軸方向に平行に延びる内側開口部20を有する。この内側開口部20内には、軸方向に移動自在なプランジャ21が位置している。このプランジャ21は、異なる位置に位置させることができ、完全に内側開口部内に位置させたり、この開口部から突出し、バルブピストン５の端面22を越えて延びたりさせることができる。
このプランジャ21には、バルブピストン５の内側開口部20から抜けるのを防止するために、プランジャ21の端面23の近くに突出するフランジが設けられ、端面23は、バルブピストンの端面23と反対方向を向いている。この突出するフランジは、別個の部品、例えばプランジャ21を塞いだり、プランジャ21に押し込んだり、このプランジャにねじ込むようになっているリング状の部品とすることができる。しかし、好ましい別の部品としては、一体的な突出したフランジを備えた一体的なプランジャが挙げられる。このフランジは、周囲全体に延びる単一ユニットでもよいし、また周辺に沿って所定の態様で設けられた多数のセグメントに設計してもよい。
内側開口部20は、異なる直径を有する２つの領域、例えば符号24で示す大径部の第１領域と、符号26で示す小径部の第２領域とに分離されている。小径部を備える領域は、プランジャ21に対する受け部、およびガイドとして働き、大径部を備える領域は、圧縮スプリングとしたエネルギー蓄積ユニット27を収容するように使用される。
アクチュエータ２（本例では電磁石）から反対を向くバルブピストンの端面22に、軸方向に移動自在な制限ストッパ28が隣接している。このストッパには、プランジャ21の端面、または少なくとも端面30の一部が作用し、よって、制限ストッパ28がエネルギー蓄積ユニット31、本例では圧縮スプリングによって支持されている。
当該構造は、２つの境界位置を示している。図1aには、第１境界位置が示されている。この図は、流れゼロの状態を示しており、接続チャンネル７（戻りチャンネル）に接続された液圧使用装置に全く負荷がかかっておらず、接続チャンネル６（供給チャンネル）を通る圧力の供給はブロックされている。制御エッジ14〜16がチャンバ９および中心ボア４によって形成された圧力区画室と、液圧使用装置に接続された圧力区画室との間の接続を認めない結果、このようになっている。液圧使用装置に対する接続チャンネル７となっている戻りチャンネルは、ブロックされている。
図1bは、バルブが比例バルブとして機能するシフト位置にある比例兼方向制御バルブを示している。電磁石２を含むアクチュエータは、電磁石の一部であり、電流Ｉによって附勢される少なくとも１本の導線、例えばコイルを内蔵している。
電流値Ｉは、液圧使用装置における所望する目標値に対する目標設定ポイント値に対応する。調節された圧力WPASollとも称される液圧使用装置における所望の目標圧力値は、簡単な計算またはメモリユニットに記憶されたルックアップテーブルまたは性能曲線から得ることができる。
下記の方法論は、図には示されておらず、多くのものの中の１つにすぎない。バルブ装置１による圧力調節または圧力制御は、例えば明細書には示されていない第１制御回路によって行われる。この制御回路に対する入力値は、戻りチャンネルまたは戻りラインで目標とされる所望の制御圧力WPASollだけでなく、戻りラインにおける制御された圧力pAistの連続的に更新された実際の値も含む。バルブ装置１は、ここでは（制御された）圧力を制御するための最終制御要素として働く。
この最終制御要素に影響する命令値は、本例では磁力Fmagnetの値であり、この磁力は、バルブピストン５の位置に影響する。磁力Fmagnetは、接続チャンネル６、７と８との間の個々の流れ領域を開放するために、バルブ装置１のバルブピストン５を変位させるのに必要とされる作動力に対応する。
磁力Fmagnetの制御は、別の制御回路、すなわち圧力制御回路のサブ回路によって行われる。この第２制御回路の入力値は、磁力Fmagnetのための圧力調節器によって発生される基準変数である。磁力Fmagnetによれば、バルブピストンは、プランジャ21に対して軸方向に変位し、チャンバ９と中心ボア４、ならびにチャンバ10と中心ボア４によって形成される圧力区画室は、それぞれ１つの接続部を構成している。これら圧力区画室の間の接続部により、供給部６と（液圧使用装置にリンクされた）接続チャンネル７を接続することができる。チャンバ９および10によって形成される圧力区画室と中心ボア４との間に構成される接続の結果、接続チャンネル７内に所定の圧力pistが発生する。
このように発生した圧力は、バルブピストン５の周辺から内側区画室20内に径方向内側に延びる接続オリフィス36を横断するように伝わり、この圧力は、端面23によって形成されたプランジャの領域に作用する。このように作用する際に常に平衡状態が存在する。このことは、磁力Fmagnet状をした作動力が、エネルギー蓄積ユニットによって生じた力に、液圧使用装置の圧力pistと端面23の領域におけるプランジャの面積Ａとの積である圧力Fdruckを足した値に常に対応することを意味している。
プランジャ21は、圧力スプリング状をしたスプリングユニットとして設計された、あらかじめ負荷のかけられたエネルギー蓄積ユニット31によって支持されている。スプリングユニットのプリ負荷力は、所望の最大比例圧力におけるプランジャ21の力に対応するので、比例レンジ全体にわたって、スプリングユニット内では変化は生じない。
調節された圧力pistが、プリ負荷のかけられたスプリングユニット31の力よりも大きい力を、プランジャ21、より正確にはプランジャ21の端面上の表面Ａに加えるとすぐに、プランジャ21がショルダーＳに当接するまで、またはバルブピストン５の端部近くの領域にある制限ストッパに当接するまで、プランジャ21は、スプリングユニット31、特にスプリングパックを圧縮する。
このような状態に達するとすぐに、液圧使用装置またはこの装置を接続ライン７にリンクしている接続ライン内の圧力は、バルブ装置１にもはや影響することができなくなる。バルブピストン５の位置は、方向制御バルブの場合と同じように磁石、特に電磁石２およびエネルギー蓄積ユニット31、特にスプリングユニットによって発生される外力のみに依存している。
磁力Fmagnetが若干増加するにつれ、バルブピストン５は、制限ストッパ28に向かって移動し続け、液圧使用装置に対する作動流体、例えばオイルに対する制限をすることなく、通路を開放する。
接続ライン７内の圧力を受けるプランジャ21を設けたことにより、比例範囲内のバルブピストン５にかかる作動力は、常に関連する反対の力を有し、その結果、バルブピストンに作動力を直接作用できるようにするプランジャのない構造と比較して、バルブピストン５を軸方向に変位するのに必要な作動力は小さくなる。
図２は、本発明に従って設計された比例兼方向制御バルブの性能特性を示すグラフであり、液圧使用装置に与えられる戻り圧力、またはチャンネル７内の圧力と磁力Fmagnetとの関係を示している。磁力FmagnetはＸ軸に、戻り圧力はＹ軸に示されている。比較のために、従来の比例バルブの性能曲線も示されており、アルファベットＩが付されている。
このグラフから、圧力圧力Pistは、磁力Fmagnetとリニアに変化することが明らかである。しかし、本発明により提供される解決策は、より広い比例範囲を考慮したものである。このことは、この領域における線の傾きは、性能曲線IIにより示されるように、より小さくなっていることを意味している。比例レンジの近くに、いわゆる方向制御レンジが隣接し、この方向制御レンジ内では、圧力の制限は行われない。より広い磁力レンジFmagnetにわたって比例レンジを広くしたことは、磁力Fmagnetに対する液圧使用装置における目標圧力のより敏感な制御を考慮したものである。
図３は、バルブ装置１に対する作動力をも表している磁力Fmagnetと、磁石の変位量との関係を示す。この関係から、B1と示したレンジ内では、バルブピストン５しか軸方向に変位しないが、B2と示した磁石の変位のレンジ内では、プランジャ21しか軸方向に変位しない。ここで、Bproportionalと示された比例レンジは、バルブピストン５とその後のプランジャ21の双方の軸方向の変位を特徴としている。方向制御レンジPwegは、プランジャ21の軸方向の変位のみを特徴としている。
図４は、本発明の基本原理の別の変形例に従った作動装置の必要な磁力に対する性能曲線を示している。電磁力で作動力が発生している。アクチュエータは、コイルを備えた少なくとも１つの電磁石と、アーマチュアを含み、アーマチュアは、コイルによって発生された磁界の作用を受けて移動自在となっている。
個々の機能的状態、すなわち、比例バルブと方向制御バルブにおける磁力に対する性能曲線が異なるように利用する結果、方向制御バルブの状態で作動する間に、磁化コイルへの電流の流入を低減できる可能性が生じる。磁化コイルへの電流の流入を低減することは特に有利である。その理由は、作動レンジ全体の第２部分、すなわち方向制御バルブ機能は、通常、時間の最大部分を占めるので、コイルだけでなく、バルブを制御する役割を果たすハードウェアの加熱、およびその結果得られる耐久性の点で最も重要である。
このような操作は、変位量の限度を変えることによって得られるので、実施例に示すように、比例バルブの機能状態では3.2〜0.7の変位レンジが利用され、方向制御バルブの状態では、変位量０（ゼロ）で制限ストッパが使用される。この変位量なる用語は、アーマチュアの変位量、またはこのアーマチュアに結合されたバルブピストンの変位量を意味する。この制限ストッパの位置における磁力の目標高さにより、比例バルブとして作動する際の欠点を生じることなく、磁気コイルへの電流の流入を大幅に低減できる。
全作動レンジの第１部分において、すなわち、比例バルブの機能状態では、磁力は大きな定数により生じ、コイルに流入する電流の関数となるだけである。第２部分、すなわち方向制御バルブの機能状態では、磁力が強力に増加することが顕著となることが、図４から明らかである。
設計上の見地から、これらの問題は、方向制御バルブの機能状態では、磁化コイルにおける第２制限ストッパが有効となり、かつバルブのプリ負荷されたスプリングパックにより、機能バルブの機能に対する変位を制限することにより、これら限界を解決している。バルブのスプリングパックは、戻りチャンネルにおける圧力によって発生される力に抗し、プランジャの端面に作用する力をプランジャに加える。
図から理解できるように、全作動レンジのうちの第１部分、すなわち比例バルブの状態におけるバルブピストンの変位レンジは、全作動レンジのうちの約80％以上を使用するが、方向制御バルブの状態は、全作動レンジのうちの約20％以下しか使用しない。これら値からのわずかなずれがありうる。
比例バルブとしての機能状態では、バルブピストンの制御位置は、ほとんどその変位レンジの中心に位置する。制御中、または例えば充填プロセスの後では、圧力は、制御スプールの指定位置と無関係となっていなければならない。このことは、充填プロセスから制御プロセスへの移行中に、オーバーシュートを生じることなく、圧力は所望の値となることを意味する。
図５は、比例バルブ、および方向制御バルブとしての機能における圧力と電流との関係を示す特性曲線を示す。このグラフでは、方向制御バルブを固定された状態に保持するのに必要な磁化コイルへの電流の電磁はＩで、方向制御バルブを作動するために必要な電流はIIで、方向制御バルブを除勢するためのクリチカル電流の特性曲線はIIIで示されている。
このバルブ装置を自動変速機に使用すると、次の少なくとも２つの領域において、比例バルブとしての状態の間で作動する。
ａ）充填中
ｂ）同期プロセス中
充填プロセスに対しては、所定の初期圧力が指定される。この充填プロセス自体は、
ａ）制御されている状態
ｂ）制御されていない状態
で起こり得る。
上記第１のケースでは、バルブピストンは充填時間中に制限ストッパ、例えば図４に示されるように、制限ストッパの0.7の位置に位置する。制御された充填プロセスの場合、バルブピストンは、充填プロセス中は制御位置に位置する。
同期プロセスでは、バルブ装置は制限ストッパから制御位置に横断するか、または同一位置に留まる。こうして、圧力を減少させたり増加させたりするよう、制御することが可能となる。
同期化後の制御に関し、瞬間的な強力な電流により、バルブを確実に方向制御バルブの状態に移動させる。磁化コイルは、ゼロの位置に移動し、バルブの圧力効果が除かれる。その後、ゼロ位置で磁力が増加する結果、電流を保持電流レベルまで低下できる。
方向制御バルブとも称される比例バルブは、構造の異なる多くの変形例が知られており、種々の用途に使用されている。方向制御バルブとは、制御プランジャとも称されるバルブピストンが、種々の固定されたシフト位置に移動でき、作動流体を制御するために、流体による種々の接続を設定することができるようになっているバルブのことであり、これにより、流体の流れの方向を変えることができるようになっている。このバルブは、公称幅、公称圧力および分配選択が可能であることを特徴としている。
方向制御バルブの主なモジュールは、制御ユニットである。この制御ユニットは、バルブ本体すなわち制御ハウジング内にバルブピストンを収容してなり、このバルブピストンは、流体の流れ方向を変化させるようになっている。バルブピストンを移動するのに必要な作動力を生じさせるために、バルブピストンの２つの端面のうちの少なくとも１つには、アクチュエータが取り付けられている。
頻繁に構造上に変化が行われるのは、いわゆるスプールバルブであり、個々のバルブ部品、特にバルブ本体内でのバルブピストンの相対的運動によって生じる重なりにより、バルブの閉鎖が開始される。
これらバルブは、構造および移動のタイプに応じて、回転スプールバルブと、長手方向スプールバルブと、これら両者を組み合わせたものに分類される。制御ユニット、すなわちバルブユニットの適当な分類は、取り付けられている接続部の数、または可能な液圧ラインの数、および可能なシフト位置の数によって決定される。バルブピストンおよびバルブ本体の制御エッジは、シフト操作の精度に特に大きく影響する。この制御エッジは、流れ面積のスロットリング（絞り動作）、従って液圧使用装置の速度、通常は、機械の速度に影響する。
バルブ本体に対するバルブピストンの相対的運動に関連して、制御エッジを適当な形状にすることにより、異なる流れ特性を得ることができる。方向制御バルブは、いくつかのシフト位置を有する。
比例方向制御バルブは、好ましくは電気的に制御される連続可変方向制御バルブである。このバルブのバルブピストンの軸方向の運動は、圧力シールされたアクチュエータにより、設定点の値に比例して、力制御モードまたはピストン制御モードで直接に制御される。連続可変方向制御バルブのアクチュエータは、制御マグネット（ソレノイド）として構成されており、この制御マグネットは電気設定点の値に比例したバルブピストンの軸方向の運動を容易にする。
このバルブピストンは、バルブ本体によって得られる２つの停止位置の中の任意の位置に連続的に調節自在である。このバルブは、液圧使用装置の速度を制御し、調節する際に特別な利点を有する。このバルブは、例えば次の文献により公知である。
１）マンネスマン・レックスロート（Mannensmann Rexrodt）による販売用文献
RD29586/09.89
RD29175/03.93および
２）ヘリオン−ベルケ（Herion−Werke）カーゲーによる販売用文献−「流体技術（Fluidtechnik）」第7502263.0503.92号
これらタイプの比例バルブは、下流側にある液圧使用装置で要求される最大圧力を長時間にわたって維持できるように、電磁的、液圧的、機械的、またはその他の手段により発生される作動力を選択しなければならないという欠点がある。
圧力を受ける有効面積の大きさは、このような条件によって決定される。しかし、この結果、適当に小さい作動力によって、より低い圧力を制御しなければならない。より低い圧力を所望する場合に、制御中に、より大きい圧力変化が起こることを予想しなければならない。
作動力の範囲を広くするには、通常、アクチュエータの寸法を大きくしなければならない。例えば、アクチュエータを電磁アクチュエータとすると、磁力を大きくするには、励磁コイルを大きくすることとなるが、そのためより広い空間が必要となる。また、大きな励磁コイルが必要となるため、電気導線のコストも高くなり、電流消費量も増加する。
一般的に言って、かつこのようなバルブの用途を考慮すると、バルブおよびアクチュエータの寸法には限界があり、従って、液圧使用装置における圧力を、常に正確に調節することができるとは言えない。
本発明の目的は、上記欠点を解消した上記タイプのバルブ装置を提供することにある。特に、極めて低い目標圧力設定点における圧力変動を最小にすることを目的としている。このバルブ装置は、例えばコンバータの範囲内で作動しながら、クラッチ要素の高（トルク）伝達能力の必要性と、液圧クラッチ要素における比較的低い圧力をできるだけ正確に制御する必要性が求められている自動変速に適しているものであることが要求されている。
従って、第１圧力レンジ、すなわち比例レンジ（このレンジは、１〜５バールの大きさである総作動レンジにも対応できる）内で、このバルブ装置は、最大の許容される作動力を十分に活用しながら、最高レベルの精度、および最大の可能な作動力で、少なくとも電流に比例した制御を行うことができなければならない。
またこのバルブは、６〜20バールの範囲の第２の高い圧力レンジ内で、通常の方向制御バルブとして作動できなければならない。すなわちこのバルブは、液圧使用装置で利用可能な圧力とは無関係に、全圧力を伝達できなければならない。このバルブ装置は、液圧力により誘導される結合モーメント、および機械的力からのサイド効果が最小の状態で、正確かつ繰り返し可能なソフト操作を行うことができなければならない。しかも、これらの条件を達成しながら、構造を簡単とし、かつ価格を最小に保たなければならない。
本明細書に記載した解決案の特徴は、請求項１の特徴事項に記載され、従属項には有利な変形例が記載されている。
このバルブ装置は、少なくとも１つの供給チャンネルと、１つの戻りチャンネルとを含むバルブ本体の他に、バルブ本体内にある軸方向に移動自在なバルブピストンを含んでいる。バルブピストンは、供給チャンネルおよび戻りチャンネルの断面領域の接続部を開放したりブロックしたりする制御エッジ、並びにバルブピストンに作動力を加えるためのアクチュエータも含んでいる。
本発明によれば、バルブ装置の全作動レンジのうちの少なくとも一部にわたって、作動力に抗する力を発生するための手段が設けられている。この力は、戻りチャンネル内の圧力に依存するものである。
バルブ装置の全作動レンジの第１部分（この第１部分は、全作動レンジにも対応する）を決定する圧力レンジ内では、作動力の可能なレンジが、液圧使用装置における圧力レンジに対して増大され、液圧使用装置における作動力、および最終圧力のより鋭敏な変調を促進する。このことは、液圧使用装置、または戻りチャンネルにおける所定の圧力レンジは、従来の構造の比例バルブと比較して、より広いレンジの作動力を必要とすることを意味する。このような動作は、作動力とは方向が反対の、液圧使用装置における圧力に応じ、所定の面積に負荷をかける圧力と作動力との間の平衡点に達して、バルブピストンが制御位置に達した後に行われる。
この目的を達成するための手段は、優先事項として、アクチュエータに対するバルブピストンの遠方端まで延びる、バルブピストン内に設けられた内側開口部と、プランジャとバルブピストンとが互いに移動できるよう内側開口部内に設けられたプランジャと、プランジャに対する支持体となる制限ストッパと、バルブピストンの内側開口部とバルブピストンの外周部との間に設けられた接続孔とを備え、もって、全作動レンジの上記部分、すなわち比例レンジ内で作動しながら、接続孔が戻りチャンネルに連通するよう、接続孔の入口とバルブピストンの外周部とが配置されている。
このような構造により、作動力と摩擦力との比を、最大限可能な値にすることができる。摩擦力は、主にバルブの圧力差、作動流体の汚染レベル、バルブの直径、その他の構造に関連する特徴によって決まる。作動力は、主にアクチュエータの大きさによって決まり、電磁装置の場合は磁石の大きさが決定するための要素となっている。作動力がより小さいレンジでも、液圧使用装置、またはこの装置に接続された戻りチャンネル内の低い圧力レベルを調節することができる。
本発明によるバルブの好ましい実施例は、比例バルブ兼方向制御バルブとして構成されている。このバルブ装置は、流体を分配する機能を提供するほかに、作動力に抗する力の大きさを制限し、補償する装置をも含んでいる。この装置は、プランジャに対する制限ストッパと連動し、プランジャにかかる力を制限するように働くエネルギー蓄積ユニットとして構成されている。
戻りチャンネルおよびプランジャ領域における圧力によって決定される圧力が、エネルギー蓄積ユニットによって発生されるプランジャを支持する対抗力よりも大きくなった場合、制限ストッパは、一体的なストッパとしてはもはや機能せず、むしろプランジャにより強制的に移動させられる。この移動は、プランジャとバルブピストンとの間に設けられた別の制限ストッパによって制限される。プランジャが一旦この制限ストッパに達すると、プランジャは、圧力の方向にそれ以上移動できず、バルブピストンのみが作動力に応答して移動する。
本発明による、このバルブ装置は、液圧使用装置における少なくとも１つの第１の低圧力レンジの制御を容易にし、この第１の低圧力レンジは、ほぼ最大の可能な作動力におけるバルブ装置の全作動レンジのうちの第１部分を決定するとともに、高い圧力レンジでは、バルブが方向制御バルブとしてしか機能しないバルブ装置の全作動レンジのうちの第２部分を決定する。このことは、全作動レンジのうちの第２部分に対しては、液圧使用装置に直接結合された戻りチャンネル内に存在する圧力は、バルブ装置の機能に影響しないことを意味する。
従って、要求値が小さくても、低圧力レンジとなっているバルブ装置の全作動レンジのうちの第１部分で、正確な制御性能が得られる。バルブ装置が、比例機能から方向制御機能に移る動作は、液圧使用装置における圧力に応じて自動的に行われる。このような動作移行点は、バルブ装置の適当な幾何学的構造、およびダイナミック特性を考慮して決定される。
構造上このバルブ装置は、軸方向に移動自在なバルブピストンを含む中心ボアを備える少なくとも１つのバルブ本体を含んでいる。中心ボアは、関連するチャンバと共に、いわゆる圧力区画室を形成している。この圧力区画室は、中心ボア内のバルブピストンの位置と対応し、供給ラインと戻りライン、好ましくは液圧使用装置に接続されている戻りラインとの接続を可能にする。
またバルブピストンは、軸方向に移動自在なプランジャを含む内側開口部を有する。このプランジャは、エネルギー蓄積ユニットによって支持された制限ストッパにより、軸方向に制限されている。プランジャ、より正確には、バルブピストンの内側開口部内まで延びる制限ストッパと反対を向くプランジャの端面は、戻りラインに存在する圧力孔または接続孔（好ましくは接続オリフィスとなっている）を介する液圧使用装置までの接続ライン内の圧力を受ける。このオリフィスの目的は、戻り流の領域において比例レンジにあるバルブピストンの外周部に、内側開口部をリンクする通路を提供することにある。
このバルブは、概念的には第１端部位置における供給ラインと戻りラインとの間の接続部、すなわち、液圧使用装置への接続部がブロックされるように、原理的に構成されている。
バルブ本体においてバルブピストンを作動する機能は、アクチュエータによって得られる。好ましいアクチュエータは、電磁アクチュエータである。その他のタイプのアクチュエータも使用可能である。例えば、電気液圧式アクチュエータも使用できる。
連続制御をしたい場合、力Fapplicationを加えることにより、アクチュエータによってバルブピストンを作動させる。これにより、中心ボアのみならず、出口における中心ボア、およびチャンバにより入口に接続されたチャンバによって形成された圧力区画室の間の接続がなされる。この結果、供給ラインから液圧使用装置に作動流体が流れることができる。
これと同時に、内側開口部と戻り領域にあるバルブピストンの外周部との間の接続オリフィスを通し、プランジャの端面に作用する圧力レベルに達し、次にプランジャは、バルブ本体内の制限ストッパに支持され、平衡状態が生じる。このことは、作動力がプランジャ領域に作用する液圧使用装置の圧力の結果である圧力に等しくなることを意味する。バルブピストンとバルブピストンの内側開口部内のプランジャとの間に、別のエネルギー蓄積ユニットを設けたことにより、結果として発生した力が、圧力に加えられる。
プランジャは、エネルギー蓄積ユニットの一部である制限ストッパにより支持されている。エネルギー蓄積ユニットにより発生される力は、比例圧力が最大の所望する圧力になると、プランジャの力に対応するので、全比例レンジにわたって、エネルギー蓄積ユニットによって発生される力、すなわち、制限ストッパの位置に変化は生じない。エネルギー蓄積ユニットのプリ負荷は、目標とする最大の所望する比例圧力に対する直接設定値として働く。
液圧使用装置、すなわち、戻りライン内の調節された圧力が、制限ストッパに関連するエネルギー蓄積ユニットにより発生される力よりも大きい力を内側開口部内のプランジャに対して発生する時に限り、プランジャはエネルギー蓄積ユニットを圧縮し、オーバーハング状となり、バルブピストンと一体化されている少なくとも１つの制限ストッパに当接する。このような状態に達するとすぐに、液圧使用装置内の圧力は、バルブにそれ以上作用できなくなる。バルブピストンの位置は、方向制御バルブの場合と同じように、アクチュエータおよびエネルギー蓄積ユニットの外力のみによって決定される。
２つの機能、すなわち比例機能と方向制御機能を備えたバルブ装置の用途に対し、このバルブ装置は、本発明の目的を満たすようになっている。自動変速時には、全シフト動作は比例レンジ内で行われ、上部圧力レンジしかトルクを伝達しないよう、シフト圧力を決定できる。
圧力調節に対するバルブのより敏感な機能の他に、１つのバルブ装置だけで、いくつかの設計上の条件を満たすことができ、例えば潜在的にユニバーサルな用途を有するという利点がある。これらの利点としては、特に低圧力レベルにおいて液圧使用装置における作動力および最終圧力をより鋭敏に変調できることだけでなく、液圧使用装置に高い圧力を加え、かつこの圧力を、信頼できる状態で維持できるという能力が挙げられる。
エネルギー蓄積ユニットを、例えば圧縮スプリングまたはスプリングパックのような圧力蓄積ユニットとして構成すると有利である。また、弾性膜を使用することも可能である。
このバルブ装置は、制限ストッパにエネルギー蓄積ユニットを省略することにより、純粋な比例バルブとして作動できる。また、作動力が直接バルブピストンを端部位置まで移動させるように、エネルギー蓄積ユニットを構成することにより、純粋な方向制御バルブとして作動することができる。このようなバルブピストンの運動は、エネルギー蓄積ユニットにおいて、極めて小さいプリ負荷を選択することにより可能となる。
エネルギー蓄積ユニットに小さいプリ負荷を加えると、比例レンジが小さくなり、エネルギー蓄積ユニットに大きいプリ負荷を加えると、比例レンジが大きくなる。これにより、請求項11に記載のコンパクトなベースバルブユニットを構成することが可能となる。このようなバルブユニットは、わずかな改造を行うだけで、手間をかけず、別の条件に適合させることができ、モジュール構造とした各部品を構成できる。
本発明のバルブ装置は、任意のタイプのアクチュエータを含むことができる。電磁タイプのアクチュエータ、機械式タイプのアクチュエータ、液圧タイプのアクチュエータ、または他の任意のタイプのアクチュエータを使用できる。
電磁アクチュエータは、コイルを含む少なくとも１つの電磁石とアーマチュアとを備えている。
電磁的に作動力が発生されるバルブに対しては、バルブピストンまたはアーマチュアの異なる変位量の限界点を、個々の機能状態、例えば比例バルブ状態と方向制御バルブ状態に割り当てることができるという別の利点もある。
このバルブは、特に有利である方向制御バルブの状態で、磁化コイルの電流消費量が少ないという利点を有する。その理由は、このような状態は、ほとんどの時間を占めており、コイルだけでなく、バルブの制御に役割を果たす部品の加熱、およびその結果生じる耐久性の点で、最も重要であるからである。比例レンジ内での可能な最大変位量は、総変位量に対して約80％であり、このような値から若干ずれることも可能である。
次に、本発明の課題に対する解決策について、図面を参照して詳しく説明する。
図1aおよび図1bは、２つの作動状態にある本発明のバルブ装置を示す。
図２は、従来の比例バルブと、比例バルブ兼方向制御バルブとの特性曲線の比較を示すグラフであり、消費装置における目標圧力と磁力の大きさとの関係を示す。
図３は、電磁アクチュエータの磁力と磁気的変位との関係を示すグラフである。
図４は、バルブピストンまたは磁気コイルの磁力と変位との間の関係を示す図である。
図５は、比例バルブの機能および方向制御バルブの機能に必要な電流を示す図である。
図１は、本発明に係わる比例兼方向制御バルブ１の構造および機能を略示する部分断面図である。好ましい実施例では、このバルブは、電磁力で制御される。このために電磁石２が設けられている。
この比例兼方向制御バルブ１は、バルブ本体３を含み、この本体３は、中心ボア４を有し、このボア４の内部には、軸方向に移動自在にバルブピストン５が収容されている。中心ボア４に複数の接続部が隣接している。少なくとも２つの接続部が存在していなければならない。これらは、本明細書ではバルブピストン５の外周部から、中心ボア４まで径方向内側に延びる接続チャンネル６、７および８として示されている。
接続チャンネル６は、供給チャンネルとして働き、接続チャンネル７は、戻りチャンネルとして働く。接続チャンネル６、７および８は、中心ボア４まで延び、中心ボア４は、チャンネルの領域に位置する別のチャンバ９、10および11を有する。これらのチャンネルは、中心ボア４に接続され、円周方向に位置しており、中心ボア４よりも大きい直径を有する。バルブ本体内に機械加工されたチャンバ９、10および11は、中心ボア４と共にバルブ本体３の制御エッジを形成している。
ここに示す例では、バルブピストン５は、その軸線に沿って直径が異なるように設計されている。図に示すように、より小さい直径となっている符号12および13で示す２つの領域がある。これら大径部と小径部との間の差により、バルブピストン５に、制御エッジ14、15および16が構成されている。バルブピストン５の制御エッジ14、15および16、ならびにバルブ本体３の制御エッジは、制御動作の精度に関連した特別な重要性を有する。
これらの制御エッジは、流れ面積のスロットリング（絞り動作）に影響し、比例兼方向制御バルブ装置１の下流側にある機械、すなわち液圧使用装置の速度に影響する。中心ボア４およびバルブピストン５の外側の形状によって形状が定められたチャンバ９、10および11は、可変圧力区画室を形成している。個々の制御エッジの形状を適当な形状にすることにより、異なる流れ特性を得ることができる。
ここにあげた例は、３つの接続部を備えるバルブ装置１である。接続チャンネル６は、チャンバ９および中心ボア４によって形成された圧力区画室と圧力供給源とを接続し、接続チャンネル７は、チャンバ10および中心ボア４によって形成された圧力区画室と、本明細書には示されていない消費装置とを接続している。
バルブピストン５は、中心線に対して、端面22まで軸方向に平行に延びる内側開口部20を有する。この内側開口部20内には、軸方向に移動自在なプランジャ21が位置している。このプランジャ21は、異なる位置に位置させることができ、完全に内側開口部内に位置させたり、この開口部から突出し、バルブピストン５の端面22を越えて延びたりさせることができる。
このプランジャ21には、バルブピストン５の内側開口部20から抜けるのを防止するために、プランジャ21の端面23の近くに突出するフランジが設けられ、端面23は、バルブピストンの端面23と反対方向を向いている。この突出するフランジは、別個の部品、例えばプランジャ21を塞いだり、プランジャ21に押し込んだり、このプランジャにねじ込むようになっているリング状の部品とすることができる。しかし、好ましい別の部品としては、一体的な突出したフランジを備えた一体的なプランジャが挙げられる。このフランジは、周囲全体に延びる単一ユニットでもよいし、また周辺に沿って所定の態様で設けられた多数のセグメントに設計してもよい。
内側開口部20は、異なる直径を有する２つの領域、例えば符号24で示す大径部の第１領域と、符号26で示す小径部の第２領域とに分離されている。小径部を備える領域は、プランジャ21に対する受け部、およびガイドとして働き、大径部を備える領域は、圧縮スプリングとしたエネルギー蓄積ユニット27を収容するように使用される。
アクチュエータ２（本例では電磁石）から反対を向くバルブピストンの端面22に、軸方向に移動自在な制限ストッパ28が隣接している。このストッパには、プランジャ21の端面、または少なくとも端面30の一部が作用し、よって、制限ストッパ28がエネルギー蓄積ユニット31、本例では圧縮スプリングによって支持されている。
当該構造は、２つの境界位置を示している。図1aには、第１境界位置が示されている。この図は、流れゼロの状態を示しており、接続チャンネル７（戻りチャンネル）に接続された液圧使用装置に全く負荷がかかっておらず、接続チャンネル６（供給チャンネル）を通る圧力の供給はブロックされている。制御エッジ14〜16がチャンバ９および中心ボア４によって形成された圧力区画室と、液圧使用装置に接続された圧力区画室との間の接続を認めない結果、このようになっている。液圧使用装置に対する接続チャンネル７となっている戻りチャンネルは、ブロックされている。
図1bは、バルブが比例バルブとして機能するシフト位置にある比例兼方向制御バルブを示している。電磁石２を含むアクチュエータは、電磁石の一部であり、電流Ｉによって附勢される少なくとも１本の導線、例えばコイルを内蔵している。
電流値Ｉは、液圧使用装置における所望する目標値に対する目標設定ポイント値に対応する。調節された圧力WPASollとも称される液圧使用装置における所望の目標圧力値は、簡単な計算またはメモリユニットに記憶されたルックアップテーブルまたは性能曲線から得ることができる。
下記の方法論は、図には示されておらず、多くのものの中の１つにすぎない。バルブ装置１による圧力調節または圧力制御は、例えば明細書には示されていない第１制御回路によって行われる。この制御回路に対する入力値は、戻りチャンネルまたは戻りラインで目標とされる所望の制御圧力WPASollだけでなく、戻りラインにおける制御された圧力pAistの連続的に更新された実際の値も含む。バルブ装置１は、ここでは（制御された）圧力を制御するための最終制御要素として働く。
この最終制御要素に影響する命令値は、本例では磁力Fmagnetの値であり、この磁力は、バルブピストン５の位置に影響する。磁力Fmagnetは、接続チャンネル６、７と８との間の個々の流れ領域を開放するために、バルブ装置１のバルブピストン５を変位させるのに必要とされる作動力に対応する。
磁力Fmagnetの制御は、別の制御回路、すなわち圧力制御回路のサブ回路によって行われる。この第２制御回路の入力値は、磁力Fmagnetのための圧力調節器によって発生される基準変数である。磁力Fmagnetによれば、バルブピストンは、プランジャ21に対して軸方向に変位し、チャンバ９と中心ボア４、ならびにチャンバ10と中心ボア４によって形成される圧力区画室は、それぞれ１つの接続部を構成している。これら圧力区画室の間の接続部により、供給部６と（液圧使用装置にリンクされた）接続チャンネル７を接続することができる。チャンバ９および10によって形成される圧力区画室と中心ボア４との間に構成される接続の結果、接続チャンネル７内に所定の圧力pistが発生する。
このように発生した圧力は、バルブピストン５の周辺から内側区画室20内に径方向内側に延びる接続オリフィス36を横断するように伝わり、この圧力は、端面23によって形成されたプランジャの領域に作用する。このように作用する際に常に平衡状態が存在する。このことは、磁力Fmagnet状をした作動力が、エネルギー蓄積ユニットによって生じた力に、液圧使用装置の圧力pistと端面23の領域におけるプランジャの面積Ａとの積である圧力Fdruckを足した値に常に対応することを意味している。
プランジャ21は、圧力スプリング状をしたスプリングユニットとして設計された、あらかじめ負荷のかけられたエネルギー蓄積ユニット31によって支持されている。スプリングユニットのプリ負荷力は、所望の最大比例圧力におけるプランジャ21の力に対応するので、比例レンジ全体にわたって、スプリングユニット内では変化は生じない。
調節された圧力pistが、プリ負荷のかけられたスプリングユニット31の力よりも大きい力を、プランジャ21、より正確にはプランジャ21の端面上の表面Ａに加えるとすぐに、プランジャ21がショルダーＳに当接するまで、またはバルブピストン５の端部近くの領域にある制限ストッパに当接するまで、プランジャ21は、スプリングユニット31、特にスプリングパックを圧縮する。
このような状態に達するとすぐに、液圧使用装置またはこの装置を接続ライン７にリンクしている接続ライン内の圧力は、バルブ装置１にもはや影響することができなくなる。バルブピストン５の位置は、方向制御バルブの場合と同じように磁石、特に電磁石２およびエネルギー蓄積ユニット31、特にスプリングユニットによって発生される外力のみに依存している。
磁力Fmagnetが若干増加するにつれ、バルブピストン５は、制限ストッパ28に向かって移動し続け、液圧使用装置に対する作動流体、例えばオイルに対する制限をすることなく、通路を開放する。
接続ライン７内の圧力を受けるプランジャ21を設けたことにより、比例範囲内のバルブピストン５にかかる作動力は、常に関連する反対の力を有し、その結果、バルブピストンに作動力を直接作用できるようにするプランジャのない構造と比較して、バルブピストン５を軸方向に変位するのに必要な作動力は小さくなる。
図２は、本発明に従って設計された比例兼方向制御バルブの性能特性を示すグラフであり、液圧使用装置に与えられる戻り圧力、またはチャンネル７内の圧力と磁力Fmagnetとの関係を示している。磁力FmagnetはＸ軸に、戻り圧力はＹ軸に示されている。比較のために、従来の比例バルブの性能曲線も示されており、アルファベットＩが付されている。
このグラフから、圧力圧力Pistは、磁力Fmagnetとリニアに変化することが明らかである。しかし、本発明により提供される解決策は、より広い比例範囲を考慮したものである。このことは、この領域における線の傾きは、性能曲線IIにより示されるように、より小さくなっていることを意味している。比例レンジの近くに、いわゆる方向制御レンジが隣接し、この方向制御レンジ内では、圧力の制限は行われない。より広い磁力レンジFmagnetにわたって比例レンジを広くしたことは、磁力Fmagnetに対する液圧使用装置における目標圧力のより敏感な制御を考慮したものである。
図３は、バルブ装置１に対する作動力をも表している磁力Fmagnetと、磁石の変位量との関係を示す。この関係から、B1と示したレンジ内では、バルブピストン５しか軸方向に変位しないが、B2と示した磁石の変位のレンジ内では、プランジャ21しか軸方向に変位しない。ここで、Bproportionalと示された比例レンジは、バルブピストン５とその後のプランジャ21の双方の軸方向の変位を特徴としている。方向制御レンジPwegは、プランジャ21の軸方向の変位のみを特徴としている。
図４は、本発明の基本原理の別の変形例に従った作動装置の必要な磁力に対する性能曲線を示している。電磁力で作動力が発生している。アクチュエータは、コイルを備えた少なくとも１つの電磁石と、アーマチュアを含み、アーマチュアは、コイルによって発生された磁界の作用を受けて移動自在となっている。
個々の機能的状態、すなわち、比例バルブと方向制御バルブにおける磁力に対する性能曲線が異なるように利用する結果、方向制御バルブの状態で作動する間に、磁化コイルへの電流の流入を低減できる可能性が生じる。磁化コイルへの電流の流入を低減することは特に有利である。その理由は、作動レンジ全体の第２部分、すなわち方向制御バルブ機能は、通常、時間の最大部分を占めるので、コイルだけでなく、バルブを制御する役割を果たすハードウェアの加熱、およびその結果得られる耐久性の点で最も重要である。
このような操作は、変位量の限度を変えることによって得られるので、実施例に示すように、比例バルブの機能状態では3.2〜0.7の変位レンジが利用され、方向制御バルブの状態では、変位量０（ゼロ）で制限ストッパが使用される。この変位量なる用語は、アーマチュアの変位量、またはこのアーマチュアに結合されたバルブピストンの変位量を意味する。この制限ストッパの位置における磁力の目標高さにより、比例バルブとして作動する際の欠点を生じることなく、磁気コイルへの電流の流入を大幅に低減できる。
全作動レンジの第１部分において、すなわち、比例バルブの機能状態では、磁力は大きな定数により生じ、コイルに流入する電流の関数となるだけである。第２部分、すなわち方向制御バルブの機能状態では、磁力が強力に増加することが顕著となることが、図４から明らかである。
設計上の見地から、これらの問題は、方向制御バルブの機能状態では、磁化コイルにおける第２制限ストッパが有効となり、かつバルブのプリ負荷されたスプリングパックにより、機能バルブの機能に対する変位を制限することにより、これら限界を解決している。バルブのスプリングパックは、戻りチャンネルにおける圧力によって発生される力に抗し、プランジャの端面に作用する力をプランジャに加える。
図から理解できるように、全作動レンジのうちの第１部分、すなわち比例バルブの状態におけるバルブピストンの変位レンジは、全作動レンジのうちの約80％以上を使用するが、方向制御バルブの状態は、全作動レンジのうちの約20％以下しか使用しない。これら値からのわずかなずれがありうる。
比例バルブとしての機能状態では、バルブピストンの制御位置は、ほとんどその変位レンジの中心に位置する。制御中、または例えば充填プロセスの後では、圧力は、制御スプールの指定位置と無関係となっていなければならない。このことは、充填プロセスから制御プロセスへの移行中に、オーバーシュートを生じることなく、圧力は所望の値となることを意味する。
図５は、比例バルブ、および方向制御バルブとしての機能における圧力と電流との関係を示す特性曲線を示す。このグラフでは、方向制御バルブを固定された状態に保持するのに必要な磁化コイルへの電流の電磁はＩで、方向制御バルブを作動するために必要な電流はIIで、方向制御バルブを除勢するためのクリチカル電流の特性曲線はIIIで示されている。
このバルブ装置を自動変速機に使用すると、次の少なくとも２つの領域において、比例バルブとしての状態の間で作動する。
ａ）充填中
ｂ）同期プロセス中
充填プロセスに対しては、所定の初期圧力が指定される。この充填プロセス自体は、
ａ）制御されている状態
ｂ）制御されていない状態
で起こり得る。
上記第１のケースでは、バルブピストンは充填時間中に制限ストッパ、例えば図４に示されるように、制限ストッパの0.7の位置に位置する。制御された充填プロセスの場合、バルブピストンは、充填プロセス中は制御位置に位置する。
同期プロセスでは、バルブ装置は制限ストッパから制御位置に横断するか、または同一位置に留まる。こうして、圧力を減少させたり増加させたりするよう、制御することが可能となる。
同期化後の制御に関し、瞬間的な強力な電流により、バルブを確実に方向制御バルブの状態に移動させる。磁化コイルは、ゼロの位置に移動し、バルブの圧力効果が除かれる。その後、ゼロ位置で磁力が増加する結果、電流を保持電流レベルまで低下できる。
Claims (11)
1.比例兼方向制御パルブ装置であって、
1.1 少なくとも１つの供給チャンネル、および戻りチャンネルを備えたバルブ本体を含み、
1.2 供給チャンネルおよび戻りチャンネルの断面の接続部を開放およびブロックするための制御エッジを備えるパルブ本体内に位置する軸方向に移動自在なパルブピストンを備え、
1.3 バルブピストンに作動力を加えるためのアクチュエータを備え、
1.4 少なくともバルブ装置の全作動レンジのうちの一部（比例レンジ）にわたって、作動力に抗する力を発生するための手段が設けられ、この力は、戻リチャンネル内の圧力に依存しており、これらの手段が、
1.4.1 バルブピストン内に設けられた内側開口部と、
1.4.2 プランジャおよびバルブピストンが軸方向に互いに移動できるよう、少なくとも部分的に内側開口部内に位置するプランジャと、
1.4.3 接続オリフィスが戻りチャンネルと直接連通し、戻りチャンネル内の圧力をプランジャに加えることができるように、パルブピストンの外周部における接続オリフィスの入口が配置された、パルブピストンの内側開口部とバルブピストンの外周部との間に設けられた接続オリフィスと、
1.4.4 戻りチャンネル内の圧力によって力の大きさを決定するように、プランジャに対して設けられた制限ストッパと、
1.4.5 作動力またはプランジャに作用する力に抗して、パルブ本体内のプランジャに力を加える第２エネルギー蓄積ユニットとを備え、このエネルギー蓄積ユニットのプリ負荷力が所定の最大比例圧力でプランジャにかかる力に対応し、
よって、全作動レンジの第１部分（比例レンジ）では、バルブピストンのみが軸方向に変位し、全作動部分のうちの第２部分では、プランジャのみならず、パルブピストンがパルブピストンにおける制限ストッパに対し軸方向に変位されるようになっている、比例兼方向制御パルブ装置。
1.1 少なくとも１つの供給チャンネル、および戻りチャンネルを備えたバルブ本体を含み、
1.2 供給チャンネルおよび戻りチャンネルの断面の接続部を開放およびブロックするための制御エッジを備えるパルブ本体内に位置する軸方向に移動自在なパルブピストンを備え、
1.3 バルブピストンに作動力を加えるためのアクチュエータを備え、
1.4 少なくともバルブ装置の全作動レンジのうちの一部（比例レンジ）にわたって、作動力に抗する力を発生するための手段が設けられ、この力は、戻リチャンネル内の圧力に依存しており、これらの手段が、
1.4.1 バルブピストン内に設けられた内側開口部と、
1.4.2 プランジャおよびバルブピストンが軸方向に互いに移動できるよう、少なくとも部分的に内側開口部内に位置するプランジャと、
1.4.3 接続オリフィスが戻りチャンネルと直接連通し、戻りチャンネル内の圧力をプランジャに加えることができるように、パルブピストンの外周部における接続オリフィスの入口が配置された、パルブピストンの内側開口部とバルブピストンの外周部との間に設けられた接続オリフィスと、
1.4.4 戻りチャンネル内の圧力によって力の大きさを決定するように、プランジャに対して設けられた制限ストッパと、
1.4.5 作動力またはプランジャに作用する力に抗して、パルブ本体内のプランジャに力を加える第２エネルギー蓄積ユニットとを備え、このエネルギー蓄積ユニットのプリ負荷力が所定の最大比例圧力でプランジャにかかる力に対応し、
よって、全作動レンジの第１部分（比例レンジ）では、バルブピストンのみが軸方向に変位し、全作動部分のうちの第２部分では、プランジャのみならず、パルブピストンがパルブピストンにおける制限ストッパに対し軸方向に変位されるようになっている、比例兼方向制御パルブ装置。
更に第１エネルギー蓄積ユニットを備え、この第１エネルギー蓄積ユニットが、パルブピストンとプランジャとの間のパルブピストンの内側開口部に位置している、請求項１記載のパルブ装置。
戻りチャンネル内に存在する圧力に比例し、かつこの圧力に抗する力を発生するようになっている、請求項１または２に記載のパルブ装置。
第１または第２エネルギー蓄積ユニットが、圧縮スプリングユニットを含む、請求項１〜３のいずれかに記載のバルブ装置。
第１または第２エネルギー蓄積ユニットが、弾性膜を含む、請求項１〜３のいずれかに記載のバルブ装置。
プランジャおよび内側開口部の横断面が円形である、請求項１〜４のいずれかに記載のパルブ装置。
アクチュエータが、電子機械式アクチュエータである、請求項１〜６のいずれかに記載のバルブ装置。
アクチュエータが、液圧アクチュエータである、請求項１〜６のいずれかに記載のパルブ装置。
アクチュエータが、関連する導線を備える電磁石を含む電磁アクチュエータである、請求項１〜６のいずれかに記載のバルブ装置。
10.1 電磁的に作動するアクチュエータが、コイルを備える少なくとも１つの電磁石とアーマチュアとを備え、アーマチュアが、少なくともパルブピストンに直接結合され、コイルによって発生される磁界の影響を受けて移動しうるようになっており、
10.2 アーマチュアが、全作動レンジのうちの各作動レンジに対し、変位量の限界点、すなわち、第１の変位量の限界点および第２の変位量の限界点を割り当てており、よって、全作動レンジのうちの第１部分に対する第１の変位量の隈界点が、約70〜80％の変位量で有効となり、第２の変位量の限界点が、20または80％〜100％で有効となるようにした、請求項９記載のパルブ装置。
10.2 アーマチュアが、全作動レンジのうちの各作動レンジに対し、変位量の限界点、すなわち、第１の変位量の限界点および第２の変位量の限界点を割り当てており、よって、全作動レンジのうちの第１部分に対する第１の変位量の隈界点が、約70〜80％の変位量で有効となり、第２の変位量の限界点が、20または80％〜100％で有効となるようにした、請求項９記載のパルブ装置。
第１の変位の限界点が、第１スプリングユニットによって実現され、第２の変位量の限界点が、アーマチュアに関連する制限ストッパによって実現されるようになっている、請求項１記載のバルブ装置。
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