JPH0239090Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本考案は、方向切換弁のスプールのフローフオ
ース補償機構に関するものである。

〈従来の技術〉 方向切換弁に用いるスプールは、それが切換操
作されるとき、圧油の流れによつて、切換操作の
操作力の方向又は反対の方向への力（フローフオ
ース）が生じる。

このフローフオースは、圧油の流速が高速にな
つたときに生じる。すなわち、切換弁の切換操作
時にたとえると、流量制御が微小な流量制御とな
つているときに大きい値となる。流量の微小制御
時に、フローフオースが生じると、このフローフ
オースに抗して制御する必要があるので、流量制
御を行ないにくいものである。なお、流量制御機
能は、方向切換弁の基本的な機能の一つである。

スプールに作用するフローフオースについて、
昭和42年４月20日付、合名会社裳葉房の発行に係
る「油圧駆動とその制御」の上巻第262頁〜277頁
（10，３軸力）に、第１図に示す装置が提案され
ている。

第１図に示す方向切換弁は、スプール２が２種
類の断面形状の溝５，５′を設け、スプール２が
操作されるとき、溝５に生じるフローフオースと
溝５′に生じるフローフオースとを平衡させ、操
作レバーｌにフローフオースの影響を及ぼさない
ようにするものである。以下、溝５，５′のフロ
ーフオースの発生のメカニズムについて述べる。

まず、その断面を矩形とする溝５を圧油が流れ
る場合のフローフオースの発生について、第２図
ａ，ｂによつて説明する。

第２図ａにおいて、１は本体、２はスプール、
３は高圧側通路、４は低圧側通路であり、５は、
その断面が矩形の溝である。このスプール２の一
端は操作レバーｌ（第１図参照）に連結してあり、
この操作レバーｌの操作により第１ランド部２ａ
が、高圧側通路３と低圧側通路４との間を開閉
し、また、高圧側通路３から低圧側通路４への流
量を制御する。

第１図において操作レバーｌを右方向へ操作す
る場合操作レバーｌを操作し始める初期では、第
２図ａに示されるように、溝５と低圧側通路４と
の間に開口面積の小さいオリフイス６が形成され
る。このため、オリフイス６の部分を通過する圧
油の流れが早くなる。他方、高圧側通路３から溝
５へ流入する流速は、オリフイスが形成されない
ので、遅いままである。

このため、圧油の流速の早いオリフイス６の付
近の圧力は低圧となる。他方流速の遅い部分の圧
力は、高くなる。（ベルヌーイの定理から。）すな
わち、第２図ｂに示すように、面５ａには、圧力
Paが作用し、面５ｂには圧力Pbが作用する。そ
してPa＜Pbである。従つて、溝５の部分では、
オリフイス６が形成されると、図中左へ向う矢印
Ｆ１の方向へのフローフオース（以下正のフロー
フオースと記す。）が作用する。

オリフイス６の開度が大きくなると、そこを流
れる圧油の流速も遅くなるので圧力PaとPbの値
が接近し正のフローフオースも小さくなる。

次に溝５′の部分について説明する。第３図ａ
において、１は本体、２はスプールである。３は
高圧側通路、４は低圧側通路であり、これらは本
体１の内孔１ａを所定の長さを残すようにその両
側で内孔１ａを拡大形成するようにして形成され
ている。スプール２には、高圧側通路３と低圧側
通路４との間を閉鎖する第１ランド部２ａ、第２
ランド部２ｂを設けてあり、このランド部２ａ，
２ｂは、スプール２が図において右又は左方向へ
操作されたとき、本体１の内孔１ａに嵌入して高
圧側通路３と低圧側通路４との間を閉鎖する。こ
のランド部２ａ，２ｂの間に溝５′を設けてあり、
その溝５′はその内面を第１ランド部２ａ側がス
プール２の軸芯に対して急角度とされた第１部分
５a′に形成され、第２ランド部２ｂ側が第１部分
５a′よりも緩い角度で反対向きの第２部分５b′に
形成されている。

第３図ａにおいて、スプール２を右方向へ操作
すると、オリフイス６′が形成される。このとき、
高圧通路側３から低圧通路４側へは、第３図ｂに
示すように、圧油は、オリフイス６′の部分で角
度θ₁で流入し、溝５′の第２部分５b′に沿つて角
度θ₂で流出する。

このときのフローフオースF₂は、流入運動量
と流出運動量の差である。

F₂＝QU〓（Cosθ₁−Cosθ₂） ……(1) Ｑ＝流量 〓：流体の密度 Ｕ＝流速 上記の式(1)において、角度θ₂より角度θ₁を大き
い値にすれば、第３図ｂの矢印F₂に示す方向の
フローフオース（以下負のフローフオースと記
す。）が発生する。

従つて、前述のように溝５，５′に作用する正、
負のフローフオースがバランスする。

第３図ｂを用いて説明したフローフオースF₂
と同様なフローフオースが発生するスプールの溝
形状については、特開昭51−115329号公報に改良
された従来技術として開示されている。そして同
公報記載の発明は、そのような溝の基本形状はそ
のままとして、メータリングノツチを有するもの
においてメータリングノツチの形状を特定するこ
とによりスプール弁の移動位置によるフローフオ
ースの変動を減少させようとしたものである。メ
ータリングノツチの形状は、流入側が比較的急な
勾配を有する比較的浅い溝状に形成され、あるい
は流入側が比較的急な勾配を有し流出側のみ浅い
形状としてある。このメータリングノツチの形状
によつて生じる流体運動量の反力で操作力の低下
を補償するというものである。

また、実公昭58−15710号公報には、両側大径
部の間に小径部を有するスプールの流入側の大径
部に流量制御用の切欠溝を設けたものにおいて、
切欠溝を小径部より深く形成すると共に切欠溝と
反対側の大径部と小径部との間に斜面状の段部を
設けた構成であり、基本的には、大径部が閉じる
ときも切欠溝が閉じるときも流体の流入角度と流
出角度とがそれぞれ略同一となるようにして軸力
（フローフオース）を小さくしたものである。

〈考案が解決すべき問題点〉 方向切換弁は、その方向切換弁が使用される油
圧回路によつて、常時第１図に示すように、フロ
ーフオースが平衡しうる構成にはできないもので
ある。

すなわち、第１図に示した方向切換弁では、溝
５と５′に生ずる正と負のフローフオースが平衡
するように構成するものであるが、負荷への流量
の制御は、溝５又は５′のいずれか一方で行なう
場合がほとんどである。負荷の流入側又は、流出
側のいずれか一方の溝で制御し、他方は制御しな
いものである。（双方で制御する場合は、その溝
双方の絞り具合を一致させる必要があり、加工が
煩雑になる。）従つて、第１図に示す方向切換弁
では、負荷の入力側のみで負荷への流量を制御し
ようとすれば、正のフローフオースが作用し、負
荷の出力側のみで流量制御を行なう場合は、負の
フローフオースが作用する。

また、方向切換弁において、流量制御は、基本
的な機能の一つであり、必要な流量制御特性を得
るためには、方向切換弁が利用されるほとんどの
場合において、第３図ａの第１ランド部２ａの部
分に、メータリングのための流量制御用のノツチ
を設ける必要がある。この流量制御用のノツチの
ため、フローフオースの発生のし方が変化する。
この変化を調整するためには、他の溝５の形状及
びオリフイス６の開口度（ストロークに対する開
口面積）を変更する必要がある。このように、従
来提案された第１図のフローフオース補償機構で
は、一方の溝の形状が他方の溝に影響するので、
フローフオースをなくするための調整が煩雑であ
つた。

前記公報記載のものにあつては、流量制御のノ
ツチ又は切欠溝の形状や長さや深さを個々の弁に
おいてフローフオースを発生し難いものに特定し
なければならない。すなわち、流量制御用のノツ
チ又は切欠溝はその形状、寸法の決定に際して流
量制御機能とフローフオース低減作用との双方を
考慮しなければならない。また、形状が必ずしも
単純ではなく、加工が容易でないという問題もあ
る。

この考案は、流量制御部は殆ど制限を受けない
で個々の弁に最適でありかつ加工し易い単純な形
状、寸法とすることができて、他の部分でフロー
フオースの補償作用を行わせることができるよう
にすることを課題とする。

〈問題点を解決するための手段〉 この考案の技術的手段は、高圧通路と低圧通路
とを具備する本体の内孔に摺動自在にスプールを
嵌入し、このスプールの前記高圧通路側に第１ラ
ンド部を設け前記低圧通路側に第２ランド部を設
けると共に、この第１ランド部と第２ランド部と
の間に、スプールが操作されたとき前記高圧側通
路と前記低圧側通路とに跨がる幅の溝を設け、こ
の溝は、前記第１ランド部に連設する第１部分と
第２ランド部に連設する第２部分とで構成し、前
記第１部分のスプールの軸芯に対する角度を前記
第２部分のスプールの軸芯に対する角度より大き
くし、この溝を圧力流体が通過するとき前記第２
ランド部から第１ランド部へ向う方向にフローフ
オースが発生するようにしたスプールにおいて、
第１ランド部に流量制御ノツチを設け、前記第２
部分と第２ランド部との間に双方に跨つて全周に
凹設され第２部分に連続しかつスプール軸芯に平
行な面を有する環状の凹所を設け、この凹所の前
記スプール軸芯に平行な面までの深さを、前記フ
ローフオースと前記流量制御ノツチによるフロー
フオースとに対応した反対方向の押圧力が静圧力
として得られる深さとしたことを特徴とする。

〈作用〉 この技術的手段によれば、流量制御ノツチによ
る流量制御領域で、スプールの溝に、高圧通路か
らの圧油が流入し、低圧通路へ流出するとき、流
量制御ノツチから第２部分に沿つて流れる圧油の
流れにより負のフローフオースが発生する。しか
し第２部分と、第２ランド部との間に設けた凹所
には、低圧通路側の油圧（静圧）が作用する。こ
れは前記負のフローフオースの作用方向と反対の
方向の力としてスプールに作用し、その大きさは
凹所の有効面積の大きさによつて変化し、その凹
所の有効面積は凹所のスプール軸芯に平行な面ま
での深さを大きくすれば大きくなるものである。
従つて、流量制御機能を必要とするスプール弁に
対し、個々に最適な流量制御ノツチを先に設けて
おいて、そのスプールによるフローフオースを打
消すように前記凹所の深さを大きくすれば、フロ
ーフオースが補償される。凹所の深さ寸法は実験
的に定められる。

この考案の基本的な考え方は、必ず前記負のフ
ローフオースが発生するようにスプールの溝及び
流量制御ノツチの形状を定めておいて、そのフロ
ーフオースを打消すように凹所の深さを決めると
いうものである。実際に問題となるフローフオー
スは流量制御ノツチの関係する流量制御領域で生
じる。このため流量制御領域におけるスプールの
溝内に流入する流体の流入方向と流出方向とが問
題になる。流量制御ノツチの形状は常用されてい
る最も簡単なものが、第１ランド部に溝側から小
径のエンドミルでスプールの軸直角方向に一定の
切込み量でスプール軸方向に一定長さ送つて軸に
キー溝を形成するように形成されるものであり、
そのノツチの奥部の面はスプールの軸芯に直角で
ある。このほかのものでも特殊なものを除けば概
してノツチの奥部の面は軸芯に直角である。この
ようなノツチでは、流量制御領域におけるスプー
ルの溝内にノツチを通つて流入する流体の流入角
度がスプールの移動によつて変化するが、その変
化の途中で流入角θ₁（スプール軸芯とのなす角）
が69度附近になつたときに最大のフローフオース
が発生するということが周知である。このことは
ノツチの奥部がスプール軸芯に直角であれば、流
入角が直角に近い大きい角度で変化するものと考
えられることと、ノツチの底部附近で流入流体の
方向がスプール軸方向に曲げられて流出方向の運
動量が大きくなることが想定されることから、納
得できることである。これらのことから、流量制
御ノツチから溝内に流入する流体流入角度θ₁はフ
ローフオースを考える場合には69度前後であると
してもよい。そして、流体の溝からの流出角θ₂は
流量制御領域ではノツチの底でスプール軸方向に
曲げられ、そして第２部分に沿うように流出する
ので、大略第２部分の軸芯に対する角度に相当す
るものとなる。この流出状態は必ず前記負のフロ
ーフオースを生じる状態である。従つて、この負
のフローフオースを凹所のスプール軸直角方向の
深さを調整して適切に打消すようにするのであ
る。

なお、第１部分と第２部分との傾斜角度の関係
は、考案の基本的な考え方であつて、必ず前記負
のフローフオースが発生するようにしたものであ
る。

〈実施例〉 以下、本考案の一実施例を第４図ａにより説明
する。同図において、第３図ａのものと同一部分
は同一符号で示し、その説明を省略する。第３図
ａのものと異なる点は、溝５′の第２部分５b′に
第３部分１０を連設し、流量制御用ノツチ７を設
けてある点である。

この第３部分１０は、スプール２の全周にわた
つて形成されており、スプール２の軸芯に対して
直角な面１０ａと平行な面１０ｂからなり、第２
部分５b′の面に対して環状の凹所状をなしてい
る。

流量制御用ノツチ７は、ランド部２ａのエツジ
２a₁に断面を略三角形として複数個設けてある。

この実施例において、スプール２が操作され、
オリフイス６′が形成されると、高圧側通路３の
圧油は、オリフイス６′から矢印a₁方向に流入し、
流量制御ノツチ７の底面７ｂに当り、矢印a₃方向
にその流れの方向が変更され、さらに第２部分５
b′に当り、矢印a₂の方向に流れの方向が変更さ
れ、低圧側通路４へ流出する。このオリフイス
６′を通過するときの圧油の流れにより、スプー
ル２には正のフローフオースが作用し、矢印a₃，
a₂で示す流れにより、スプール２には負のフロー
フオースが作用する。この正と負のフローフオー
スの関係は、第３図ａによつて説明したように、
負のフローフオースが強くなるものである。

第３部分１０である凹所は、矢印a₂で示す流れ
の影響を受けない深さにしてあるから、矢印１０
ｄに示すように、面１０ａには、低圧側の圧力が
作用する。この面１０ａに作用する油圧は、前記
負のフローフオースに対向して作用するものであ
る。従つて、この第３部分１０の面１０ａの受圧
面積を加減することで、溝５′に生じるフローフ
オースを平衡させることができる。

なお、溝５′に設けた第３部分１０は、第４図
ｂ，ｃに示すように、必ずしもスプール２の軸芯
に対して直角な面を持つ必要はなく、その深さＨ
１，Ｈ２，Ｈ３が等しければ同様の推力を得るこ
とができる。

〈考案の効果〉 (1) 本考案は、スプールに形成してあり、流量制
御用ノツチが設けられる溝の断面形状を、負の
フローフオースが生じる第３図ａに示すような
断面形状の溝とし、この溝に、その方向切換弁
が必要とする流量制御用ノツチを、設け、その
結果、負のフローフオースの強さに応じて、第
３部分の凹所の深さを、徐々に深め、正のフロ
ーフオースの発生度合を加減して、前記負のフ
ローフオースに対向させることで、流量制御用
ノツチを有する溝のフローフオースの発生を防
止するものである。第３部分の凹所の深さは、
切削加工によつて深くすることができるもので
あるから、いかなる流量制御特性のものでも極
めて容易に第３部分の凹所の深さを加減するこ
とで正負のフローフオースを、平衡させること
ができる。

(2) 上記の効果を有するものであるから、スプー
ルの一つの溝の影響を他の溝に及ぼさないの
で、方向切換弁の設計が容易になり、所望の流
量特性を得やすい。

(3) このスプールを用いる方向切換弁はフローフ
オースが平衡しているので、その操作力に余分
な力を必要とせず、正確な流量制御を得ること
ができる。

(4) 流量制御用のノツチは、その形状、寸法を特
に制限されないで設けることができるものであ
るから、きわめて単純な形状のものも採用可能
であり、これによつて加工が容易となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のフローフオース補償機構を有す
装置の概略を示す部分縦断側面図、第２図ａ，ｂ
は夫々第１図の溝５の部分の拡大断面図、第３図
ａ，ｂは夫々第１図の溝５′の部分の拡大断面図、
第４図ａこの考案の１実施例を示す主要部拡大断
面図、第４図ｂ，ｃは夫々この考案の第３部分の
変形例を示す主要部拡大断面図である。 １……本体、１ａ……本体内孔、２……スプー
ル、２ａ……第１ランド部、２ｂ……第２ランド
部、３……高圧側通路、４……低圧側通路、５′
……溝、５a′……第１部分、５b′……第２部分、
６′……オリフイス、７……流量制御ノツチ、１
０，１０′，１０″……凹所（第３部分）、１０ｂ
……スプール軸芯に平行な面。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 高圧通路と低圧通路とを具備する本体の内孔に
   摺動自在にスプールを嵌入し、このスプールの前
   記高圧通路側に第１ランド部を設け前記低圧通路
   側に第２ランド部を設けると共に、この第１ラン
   ド部と第２ランド部との間に、スプールが操作さ
   れたとき前記高圧側通路と前記低圧側通路とに跨
   がる幅の溝を設け、この溝は、前記第１ランド部
   に連設する第１部分と第２ランド部に連設する第
   ２部分とで構成し、前記第１部分のスプールの軸
   芯に対する角度を前記第２部分のスプールの軸芯
   に対する角度より大きくし、この溝を圧力流体が
   通過するとき前記第２ランド部から第１ランド部
   へ向う方向にフローフオースが発生するようにし
   たスプールにおいて、第１ランド部に流量制御ノ
   ツチを設け、前記第２部分と第２ランド部との間
   に双方に跨つて全周に凹設され第２部分に連続し
   かつスプール軸芯に平行な面を有する環状の凹所
   を設け、この凹所の前記スプール軸芯に平行な面
   までの深さを、前記フローフオースと前記流量制
   御ノツチによるフローフオースとに対応した反対
   方向の押圧力が静圧力として得られる深さとした
   ことを特徴とするスプールのフローフオース補償
   機構。