用于大流量容量具有流动力控制的电液减压和泄压阀的制作方法
用于大流量容量具有流动力控制的电液减压和泄压阀的制作方法
【专利说明】用于大流量容量具有流动力控制的电液减压和泄压阀
相关申请的交叉引用
[0001]本申请要求于2012年10月24日提交的申请号为61/718，172、题为“用于大流量容量具有流动力控制的电液减压和泄压阀(Electro-Hydraulic Pressure Reducing andRelieving Valve with Flow Force Control for Large Flow Capacity) ” 的美国临时申请的权益，该美国临时申请在此以全文引用的方式并入本文。
技术领域
[0002]本发明通常涉及一种改进的阀。更具体地，本发明涉及一种阀，其具有大的阀容量以及电液比例减压和泄压的能力。
[0003]具有阶梯阀孔的阀如在文献号为5，876，185和6，125，886的美国专利中所示。在这些专利中，通过从由所述阶梯阀孔所形成的差分面积的较小的反馈面积来减少推动。然而，这些阀的流量和响应由于趋于关闭阀的流动力而是有限的。在范围从泵控制到对较大的方向性控制阀芯进行先导操作、甚至到直接气缸致动的各种不同的应用中，应用的尺寸由阀的流量容量来确定。
【发明内容】
[0004]本发明的一个或多个实施例提供一种液压阀，其包括内部阀芯和围绕的阀套。供给端口和返回端口连接到阀套，以及阀套的内部与控制端口流体连通。内部阀芯使用螺线管和弹簧定位在打开和闭合位置之间。在关闭位置状态下，阀芯和阀套中的槽对准以便将返回端口设置成与阀芯的内部流体连通。相反，在打开位置状态下，阀芯和阀套中的不同槽对准以便将供给端口设置成与阀芯内部流体连通。
【附图说明】
[0005]图1示出根据本发明实施例的具有流动力控制的电液减压和泄压阀的分解视图。
[0006]图2示出图1所示的阀在示例性的安装下处于“关闭”位置状态下的截面视图。
[0007]图3类似于图2，但示出阀在示例性的安装下处于“打开”位置状态下的截面视图。
[0008]图4和图5示出图1所示阀旋转后的截面视图，其中阀处于“关闭”位置状态下。
[0009]图6示出大致类似于图1所示阀的阀的替代性实施例，但是图6所示的阀还包括阀芯第一槽偏心孔和阀芯第二槽偏心孔。
[0010]图7示出大致类似于图2中所示阀的阀的替代性实施例，但是图7所示的阀还包括弹費保持器。
[0011]图8示出根据本发明实施例的阀的替代性实施例。
[0012]图9示出图8所示的阀，其中螺线管处于打开位置状态下。
[0013]图10示出根据本发明实施例的阀的替代性实施例。
[0014]图11示出图10所示的阀，其中螺线管处于打开位置状态下。
[0015]图12A、12B、13A、13B和14示出根据本发明一个实施例的多阀系统的替代性实施例。
[0016]图15示出曲线图，其示出当全部打开面积实际为60平方毫米时阀在28平方毫米处闭合。
[0017]图16示出曲线图，其示出本发明实施例的压力相对于流动性能的关系，其表明较大的计量面积打开导致较低的压降和高的流量容量。
【具体实施方式】
[0018]图1示出根据本发明实施例的具有流动力控制的电液减压和泄压阀100的分解视图。阀100包括弹簧110、阀芯120和阀套130。弹簧优选是卡入式弹簧，在安装过程中所述卡入式弹簧卡入到位，如下面进一步描述的那样。
[0019]阀芯120包括阀芯第一槽位置121和阀芯第二槽位置123。在阀芯第一槽位置121和阀芯第二槽位置123处，存在围绕阀芯120的外侧布置的三个槽，每个槽围绕阀芯120的外侧包围约90-120度的角度。在阀芯第一槽位置121处，示出阀芯第一槽122。在阀芯第二槽位置123处，示出阀芯第二槽124。阀芯第一槽122包括第一槽中心孔125，以及阀芯第二槽124包括第二槽中心孔127。
[0020]任何数目的窄槽和孔可配置成产生适于应用的所需面积曲线。例如，替代性的实施例可包括适于阀芯和阀套中之一或两者的2、3、4、5、6个或更多的槽。例如，两个槽可增加总的开口面积，但可能会降低阀芯或阀套的弯曲强度。具有三个槽的设计可提供最佳的弯曲强度而不会显著降低开口面积。然而，具有四个槽的设计可以是对称的并且可能更容易制造和检查。诸如六个、八个的其它数量的槽也可以是对称的。
[0021]另外，在一个或多个实施例中，也可在槽内添加孔以便精细调节。例如，多个孔会增加制造成本，但可用于实现从孔上的计量到槽边缘上的计量的平滑过渡。所需的过渡可根据为阀所设计的应用来变化。例如，对于机动车辆的离合器应用而言，可能希望在三个槽之一内具有一个孔。相反，在实施主阀的应用中，可能更希望具有更大程度的精细控制。因此，可优选具有在每个槽中具有一个孔的设计，但是每个孔的尺寸具有不同的直径，以允许在从孔到槽的区域内的平滑过渡。
[0022]此外，阀芯和阀套可具有阀芯和/或孔的不同配置。此外，槽或孔可在阀芯和/或阀套上具有不同的大小。此外，一个或多个孔可以在槽外侧。此外，在不同的槽中可具有不同数目的孔。此外，孔的尺寸可随着孔与孔的不同而有所不同。
[0023]阀套130包括阀套第一槽位置131和阀套第二槽位置133。在阀套第一槽位置131和阀套第二槽位置133处，存在围绕阀套130的外侧布置的三个槽，每个槽围绕阀套130的外侧包围约90-120度的角度。在阀套第一槽位置131处，示出阀套第一槽132。在阀套第二槽位置133处，示出阀套第二槽134。该实施例示出在位置131中的三个槽和在位置133中的三个槽，但可以配置任何数目的槽和孔。此外，阀套130包括第一密封部位152、第二密封部位154和第三密封部位156。
[0024]密封件140安装到它们在阀套130上的相应部位内，其中第一密封件142定位在所述第一密封部位152内，第二密封件144定位在第二密封位置154内，以及第三密封件146定位在第三密封位置156内。在一个替代性的实施例中，密封件和沟槽可通过阀套和周围结构之间的适配或限位的严格控制来代替。阀套也可被涂覆，以便使得阀套外侧的大部分与周围结构形成密封。
[0025]图2示出图1所示的阀100在示例性的安装下处于“关闭”位置状态下的截面视图200。如图2中所示，存在弹簧110、阀芯120以及阀套130。此外示出阀芯第一槽位置121，阀芯第二槽位置123，阀套第一槽位置131以及阀套第二槽位置133。此外，第一密封件142、第二密封件144和第三密封件146安装到它们在阀套130上的相应部位内。还示出一个阻尼孔180，其在阀芯和内压平衡区域185的右端。
[0026]在替代性的实施例中，阀套直接集成或形成为围绕壳体160的一部分。
[0027]阀100定位在阀壳体160内，供给端口 210、返回端口 220、控制系统端口 230和备用的控制系统端口 240设置于阀壳体160内。
[0028]此外，阀壳体160已连接到机电螺线管致动器165，其包括阀套互锁结构166和互锁密封件168，以及销170。
[0029]如在图2的“关闭”位置状态下所示，阀芯第二槽124和阀套第二槽134对准，但阀芯第一槽122和阀套第一槽132不对准。这允许流体从返回端口 220流通通过阀芯第二槽124和阀套第二槽134，并与来自控制系统230的流体处于流体连通。
[0030]通过位置123内的槽的控制压力进入到阀芯120内部。
[0031]该控制压力通过阻尼孔180连通到阀芯的右端并到达到存在于已知螺线管致动器165中的内压平衡区域185。该实施例示出具有推动类型的销170，但是可替代性地使用拉动类型的销和螺线管。
[0032]图3类似于图2，但示出阀100在示例性的安装下处于“打开”位置状态下的截面视图300。图3的截面视图以通过阻尼孔180的中心成一定角度的方式截取。图3包括图2的所有元件，但如图3中所示，弹簧110被压缩。此外，此时阀芯第一槽122和阀套第一槽132对准，阀芯第二槽124和阀套第二槽134不再对准。还示出一个阻尼孔180，其在阀芯和内压平衡区域185的右端。
[0033]因此，相对于上面在图2中所提及的“关闭”位置，在图3的“打开”位置状态下，流体从供给端口 210流通通过阀芯第一槽122、中心孔125以及阀套第一槽132，并与来自控制系统230的流体处于流体连通。
[0034]图4和图5示出图1所示阀100旋转后的截面视图，其中阀处于“关闭”位置状态下。
[0035]这示出阀芯槽122和124之间的连结板与阀套槽132和134之间的连结板可全部对准。卡入式弹簧110可用于保持阀芯与阀套连结板的该角度对准。连结板的对准将所需的开口面积最大化，并且维持连结板对准可确保任何计量面积(诸如来自孔125和127)不由连结板堵塞。
[0036]图6示出大致类似于图1所示阀的阀600的替代性实施例，但是图6所示的阀600还包括阀芯第一槽偏心孔610和阀芯第二槽偏心孔620。偏心孔允许阀芯在阀套中旋转而不会堵塞所有的计量孔。从而在该替代性的实施例中，如图4和图5中所示的在阀芯与阀套中的槽之间的连结板不需要成角度对准，用以使孔区域610和620被激活而不被连结板堵塞。
[0037]图7示出大致类似于图2中所示阀的阀700的替代性实施例，但是图7所示的阀700还包括弹簧保持器710。弹簧保持器710优选由轴承材料制成。已知例如青铜的轴承材料在给定的常规负载下减少接触材料的摩擦。保持器710的尺寸可确定成使得通过计量面积的流动力可使得阀芯在阀套内旋转，这样在阀操作期间连结板保持对准或实际上重新对准。
[0038]图1-7中所示的实施例通过具有接近径向流动配置的槽而减小闭合流动力。这对于大多数应用而言将用于将流动力传递到端部腔室的需求最小化，并且将对用于补偿净闭合流动力的附加漏斗式元件的需求最小化。
[0039]除了几乎径向引导流动从而显著减小闭合流动力之外，还可更快且更廉价地制造槽。任意数目的槽可配置在阀芯和阀套或主体元件内。
[0040]优选的实施例是在阀芯中具有三个槽，以及在阀套或主体内具有三个类似的槽，如图1-7中所示。与只具有两个槽的元件相比，三个槽赋予部件附加的弯曲强度。该弯曲强度通常是对部件进行处理和组装所需要的。在每一位置状态下具有三个以上的槽(诸如四个槽)会增加槽之间的连结板面积，从而减少可能的总开口面积。
[0041]槽对槽的计量通常具有与区域对区域的状态(land to land condit1n)几乎相同的面积增益。这种大的面积增益通常对于对大部分的阀应用的计量需求而言过大。为了允许精细计量，阀孔的较低面积增益部分可配置在槽内。由孔125和/或孔610所示的较低面积增益用于调节比例降压功能。孔127和/或孔620用于调节泄压功能。
[0042]通常在对在槽内部加工的孔进行加工的过程中，钻孔器元件将弯曲，导致降低孔位置的精确度。这通过将钻孔器中心与槽中心定中来解决。另一种方法是使用适于孔的侧刃端铣刀，使得可以控制侧插深度。
[0043]然而，由于阀芯和阀套元件可相对于彼此旋转并且改变阀的预期净开口面积，因此槽体现出在功能性方面的考虑。槽需要具有在阻断流动的槽之间的连结板部分。如果阀芯元件相对于阀套或主体元件旋转，则净开口面积减少。
[0044]通过几种方法来防止开口面积上的这种改变，这些方法包括:I)保持角度对准的卡入式弹簧，(如图4和图5中所示)；2)允许流动力来对准连结板部分的轴承材料弹簧保持器；和(如图7中所示)3)与槽结合的孔配置，当存在相对角度取向上的变化时，该孔配置减少面积变化；以及(如图6中所示)4)在沟槽内的销或防止相对旋转的其它已知方法；和5)根本就没有弹簧，其中流动力将阀芯与阀套连结板对准。
[0045]优选的方法是卡入式弹簧。其保持阀芯和阀套，使得槽之间的连结板可被对准。卡入式弹簧还省除了弹簧保持器，而执行卡入式弹簧保持器的功能。此外，通过将部件轴向压缩直到弹簧的两端卡入到位而可以快速组装卡入式弹簧。弹簧的无效(in-active)簧圈用于卡入功能。这降低了在有效的弹簧偏转范围内的相对摩擦。此外，通过定中弹簧的卡入特征使得有效簧圈不与阀套的阀孔相接触而降低摩擦。对于卡入功能而言，控制无效簧圈尺寸的成本是最小的，因为这可被编程到弹簧卷绕程序内，并且不引入任何附加的制造操作。
[0046]在一个优选的实施例中，槽的宽度与径向流动路径大致相同。这确保在接近最大流量处的流动路径大致是径向的。由于流动是径向的，因此净闭合流动力相比于具有计量边缘和区域的阀芯而言显著减小，所述阀芯具有不大致为径向的流动路径，而是相对于阀芯的轴线处于一定的角度，诸如58度。
[0047]通过控制从供给到控制的面积，该减压和泄压阀计量压力上升。控制压力在阀芯的两端部上。螺线管端部具有通过阻尼孔的控制压力。该阻尼孔的尺寸由已知的方式确定以便该应用的响应和稳定性。
[0048]该阀芯是重量轻的，因此阻尼孔可以是大的，允许在冷油条件下有平稳的压力调节曲线。该实施例示出9毫米大的阀孔，其具有1.4毫米的阻尼孔。通常在重型阀芯上，在9毫米的阀孔应用中阻尼孔需要为0.8毫米。这意味着阻尼孔是3倍大，并且使得具有短的长度，这样冷油曲线是平滑的，没有突然的不希望的跳跃来启动压力。
[0049]该阀孔是阶梯状的，阀芯也是阶梯状的。阀套阀孔和在较大左端上的阀芯之间的松配合并不需要与图1-7中所示的在较小直径右端上的松配合相同。直径配合可设置成同时控制泄漏和减少如在阀应用中所需的滑动摩擦。所述槽可在阀芯上产生阀瓣。这些阀瓣可帮助润滑阀芯并产生平稳的运行。通过控制松配合公差可调节来自阀瓣的泄漏增加量。
[0050]在左端上的阀芯净面积大于右端(与推动类型的螺线管附接的端部)上的阀芯净面积。所以到达控制件内的压力产生到达螺线管的反馈力。这允许控制压力正比于螺线管力输入。当没有给定螺线管力输入时，复位弹簧确保阀芯返回到所希望的排气条件下。复位弹簧还提供已知的弹簧刚度常数以便稳定操作。当在输出控制通道中需要流动时，则稳定的位置具有从供给到控制的更大开口面积。
[0051]对于在整个给定的行程范围内的给定电流输入而言，螺线管可设计成具有大致恒定的力。这赋予阀大的流量容量和平坦的调节曲线。如图所示，9毫米大的阀孔在301pm条件下具有6巴的压降，以便操作的减压和泄压模式。
[0052]当控制压力超过所要求的控制压力时需要操作的泄压模式，控制压力超过所要求的控制压力的原因在于动态阀芯运动或从阀外部的流体源进入到控制端口内。在每种情况下，过大的控制压力将阀芯向回朝向螺线管推动。这接着闭合供给压力，并通过位置124中的槽和孔127和/或620打开从控制到返回的面积。
[0053]如果控制压力高于所要求的压力，则阀芯开始朝向到达返回的更大开口面积偏移。这接着类似于单级泄压阀来起作用。螺线管力然后设置适于控制泄压的压力。在行程范围内的螺线管力可大致是线性的。这使得该单级泄压具有平坦的调节曲线。诸如离合器控制、该泄压功能这样的典型应用允许所要求的控制压力升高速率大致是阶梯函数或实际上就是一个阶梯函数。这是因为该控制压力可由该具有平坦和响应性调节的泄压函数来限制。
[0054]为了获得大的流量容量，阀需要小得多的线圈和螺线管。这是因为推动由阶梯孔反馈而降低，此外来自具有计量孔的槽的大致径向流动在高流量条件下会减小闭合流动力。这会减少电流驱动器的大小并降低系统热量，系统热量通常减短比例螺线管的使用寿命并降低其性能。这基本上就刚好是阀芯和阀套(或在需要阀套的应用中的主体)的情况。对于某些螺线管应用而言可省除弹簧。大致径向流动路径的开口面积的成本是低成本的，其原因在于需要较少的加工操作和较短的加工时间来制备槽(与多个径向孔相比而言)。
[0055]本发明的一个或多个实施例可在宽泛种类的应用中使用，包括:建筑设备、机动车辆、航天和工业应用，或使用比例和开/关阀的其它应用。这些阀可能是压力控制或面积控制装置。在这些阀中的流动力限制在各种应用中可用的最大流量。在本发明的一个或多个实施例中所示的流动力降低和成本降低的制造方法在这些阀应用中是有益的。
[0056]更具体地，建筑设备、材料处理和机动车辆应用需要成本和尺寸有竞争力的阀。此夕卜，电流驱动系统还受到成本、尺寸和所需电流水平的热量的限制。由本发明的阀提供的较大的流量容量允许使用更小的螺线管，从而降低螺线管和系统电流驱动器的尺寸、热量和成本。所示的腔体具有典型的腔体配置:返回、供给、然后控制，如在大多数机动车辆离合器上的配置以及泵控制应用那样。这使得尺寸和歧管配置易于替代典型的机动车辆类型的EH比例阀。
[0057]一旦容量更高，则建筑设备可以省除阀的级数。典型的高流量容量EH比例阀需要先导和主要级。本发明是单级阀，其增加响应性，提高稳定性并降低尺寸和成本。
[0058]对实际泵、马达和气缸的远程控制也会减少电路中所需的歧管，特别是对于材料处理而言。由于更小的封装尺寸，本发明的EH阀可远程地配置到实际的液压机械单元(诸如控制阀、泵、马达和气缸)上。
[0059]航空应用也需要具有成本效益的阀。但航空应用具有 由本发明的阀所提供的重量更轻的额外益处。这是由于螺线管尺寸减小以及高容量单级部件的尺寸和数目减少造成的。
[0060]通过由本发明的阀所提供的较低热量和更长的使用寿命，工业阀应用通常将是有益的。典型的离合器致动需要大的流量，但是无冷油延迟，以便在精细压力调节之后填充离合器，从而防止离合器盘过度打滑。此外，对于上述各种阀应用和对于现有技术的各个领域中已知的其它应用而言，平稳操作和快速响应也是由本发明所提供的益处。相对大的阻尼孔可允许用温油时更快地响应，并在用冷油启动压力时没有跳跃。
[0061]图8A示出根据本发明实施例的阀800的替代性实施例。图8A示出阀800，其具有套筒阀芯810、阀套820、弹簧830、供给端口 840、返回端口 850、控制端口 860和螺线管870。阀套850包括在阀套返回端口部位处的阀套返回端口槽和/或孔852，以及在阀套供给端口部位处的阀套供给端口槽和/或孔854。套筒阀芯810包括在阀芯返回端口部位处的套筒阀芯返回端口槽和/或孔812，以及在阀芯供给端口部位处的套筒阀芯供给端口槽和/或部位814。如本文所用的术语“孔”包括一个或多个槽和/或孔和/或只是多个孔而没有槽。在图8中还示出了阻尼孔880、左端阀芯室890、右端阀芯室886以及流动力漏斗式元件895。
[0062]图8B示出观察到供给端口 840、返回端口 850和控制端口 860的“关闭”阀800的视图。
[0063]图8示出适于阀800的螺线管关闭的位置。在该位置状态下，套筒阀芯返回端口孔812和阀套返回端口孔852至少部分地重叠以允许通过套筒阀芯返回端口孔812和阀套返回端口孔852两者进行流体传送，以使返回端口 850和阀的内部处于流体接触关系。相反，套筒阀芯供给端口孔814和阀套供给端口孔842都不对准，这样阀的内部和供给端口都不处于流体连通关系。控制压力通过阻尼孔880连通到更大面积的左端阀芯室890。控制流与流动力漏斗式元件895相接触。控制压力通过阻尼孔885连通到阀芯较小面积的右端886，在该实施例中其压力基本上与控制端口压力860相同。
[0064]图9A示出图8所示的阀，其中螺线管处于打开位置状态下。如图9A中所示，螺线管870已经使得套筒阀芯810位移了螺线管位移距离972。该位移造成弹簧830压缩。此夕卜，位移使得套筒阀芯返回端口孔812和阀套返回端口孔852不对准。因此，返回端口 850不再与阀的内部流体连通。此外，该位移使得套筒阀芯供给端口孔814和阀套供给端口孔842对准。因此，供给端口 840现在与阀的内部流体连通。与供给端口的连通增加了控制压力，使得左端减去右端的面积差异将力馈送回到螺线管870。这样，螺线管输入可按比例将供给压力减小到所期望的控制压力。通过孔842和852的大致径向流动允许具有最小闭合流动力的高流量。将控制压力连通到左端面积890的阻尼孔880和将控制压力连通到右端的阻尼孔885加上流动漏斗式元件895的尺寸可确定成使得可平稳地控制流量直到到达预先确定的高流量容量的极限。
[0065]图9B示出观察到供给端口 940、返回端口 950和控制端口 960的“打开”阀800的视图。
[0066]图1OA示出根据本发明实施例的阀1000的替代性实施例。图1OA示出阀1000，其具有套筒阀芯1010、阀套1020、弹簧1030、供给端口 1040、返回端口 1050、控制端口 1060以及螺线管1070。阀套1050包括在阀套返回端口部位处的阀套返回端口槽和/或孔1052、在阀套供给端口部位处的阀套供给端口槽和/或孔1054以及在阀套控制端口部位处的阀套控制端口槽和/或孔1056。套筒阀芯1010包括在阀芯返回端口部位处的套筒阀芯返回端口槽和/或孔1012、在阀芯供给端口部位处的套筒阀芯供给端口槽和/或孔1014以及在阀芯控制端口部位处的套筒阀芯控制端口槽和/或孔1016。图10还示出阻尼孔1080、左端阀芯室1090、流动力漏斗式元件1092和1094以及阀芯的右端1086。
[0067]图1OB示出观察到供给端口 1040、返回端口 1050以及控制端口 1060的“关闭”阀1000的视图。
[0068]图10示出适于阀1000的螺线管关闭位置。在该位置状态下，套筒阀芯返回端口孔1012和阀套返回端口孔1052至少部分地重叠，以允许通过套筒阀芯返回端口孔1012和阀套返回端口孔1052进行流体传送，以使返回端口 1050和阀的内部处于流体接触关系。此夕卜，控制端口 1060也通过套筒阀芯控制端口孔1016和阀套控制端口孔1056与阀的内部流体连通。相反，套筒阀芯供给端口孔1014和阀套供给端口孔1052不对准，所以阀的内部和供给端口不流体连通。控制压力通过阻尼孔1080连通到更大面积的左端阀芯室1090。控制流与流动力漏斗式元件1092和/或1094接触。控制压力通过阻尼孔1085连通到面积较小的阀芯的右端1086。
[0069]图11示出图10所示的阀1000，其中螺线管处于打开位置状态下。如图1lA中所示，螺线管1070已经使得套筒阀芯1010位移了螺线管位移距离1172。该位移导致弹簧1030压缩。此外，位移使得套筒阀芯返回端口孔1012和阀套返回端口孔1052不对准。因此，返回端口 1050不再与阀的内部流体连通。此外，该位移使得套筒阀芯供给端口孔1014和阀套供给端口孔1054对准。因此，供给端口 1040现在与阀的内部流体连通。此外，控制端口 1060通过套筒阀芯控制端口孔1016和阀套控制端口孔1056保持与阀的内部流体连通。与供给端口的连通增加了控制压力，使得左端减去右端的面积差异将力馈送回到螺线管1070。这样，螺线管输入可按比例将供给压力减小到所期望的控制压力。通过孔1012和1014的大致径向流动允许具有最小闭合流动力的高流量。将控制压力连通到左端面积1090的阻尼孔1080和将控制压力连通到右端1096的阻尼孔1085加上流动漏斗式元件1092和1094的尺寸可确定成使得可平稳地控制流量直到到达预先确定的高流量容量的极限。
[0070]图1lB示出观察到供给端口 1040、返回端口 1050以及控制端口 1060的“打开”阀1000的视图。
[0071]图12A、12B、13A、13B和14示出根据本发明一个实施例的多阀系统1200的替代性实施例。如图12A和图12B中所示，多阀系统1200包括五个控制端口 1210-1214，以及返回端口 1222和备用返回端口 1220，以及供给端口 1230和备用供给端口 1232。
[0072]如在图13A的剖视图中可容易地看到的那样，五个控制端口 1210-1214的每一个与其自身的阀1250-1254相关联。每个阀大致类似于图10-11的阀，但在图12-14的实施例中多个阀串联定位。此外，当阀处于螺线管关闭位置状态下时，返回端口 1222和备用返回端口 1220与所有的阀流体连通。类似地，当阀处于螺线管打开位置状态下时，供给端口1230和备用供给端口 1232与所有的阀流体连通。
[0073]本发明的一个或多个实施例这样解决上述相关问题，即通过减少闭合流动力，然后将这些流动力传递到端部腔室以及最后用漏斗式元件补偿流动力，从而允许显著增加阀容量。在当前的阶梯孔阀芯类型的减压阀上的测试表明，在调节范围之后阀类似于固定的面积限制来起作用。该限制的面积比阀的全部打开面积小得多。
[0074]例如，图15示出曲线图，其示出当全部打开面积实际为60平方毫米时阀在28平方毫米处闭合。这表明该流动力防止阀打开经过局部偏移点。较高力的螺线管可配置在阀内而不是当前的螺线管配置，但是这会导致过高的成本、封装尺寸和线圈热量。
[0075]图16示出曲线图，其示出本发明实施例的压力相对于流动性能的关系，其表明较大的计量面积打开导致较低的压降和高的流量容量。
[0076]本发明的一个或多个实施例通过使用阶梯阀孔配置以减少螺线管尺寸并增加阀的流量容量来解决该问题。然后阀的实际流量容量通过流动力减小和消除方法来增加。首先，该系统通过将套筒类型的阀芯配置在套筒类型的阀套内而减小流动力。这使得流动以大致径向的方式被引导进出阀。那么这可使用显著较小的径向孔。
[0077]对于打开面积而言，通常具有与通常配置相比的更多的孔。这增加了成本和毛刺的风险，但这确实减小流动力。孔的尺寸优选接近实际流动路径的宽度。因为垂直于阀芯进行接触以及不具有产生流动力的太大角度，所以这产生几乎纯粹的径向流动，其降低传递到阀芯的典型闭合流动力。为了使得阀芯然后在阀上的另一位置或面积上具有流动出口，阀芯具有大致径向流动，其在阀芯的轮廓内转换成轴向流动。
[0078]接下来，控制信号连接一个端部腔室或两个端部腔室。由于流动方向从阀芯改变到固定端部腔室，所以该信号通路则传递稍微的压力增加。由于流动方向在阀芯轮廓内的变化，阀芯然后将具有相等且相反的压力，其抵消了稍微的压力增加。最后固定到阀芯的在中心适配器上的一个或多个漏斗式元件可诱导流动方向改变稍微的压力增加。这种稍微的压力增加则增加阀芯的总体力。典型的闭合流动力则可反作用于由漏斗式结构所产生的力。
[0079]—个或多个漏斗式结构的大小和位置可以调节，使得典型的闭合流动力减小到如此程度，即流量容量显著大于不经过上述方法和系统的流量容量。获得更大的流量容量则允许更小的更成本有效的阀封装，也允许更小的螺线管电流的需求。这又可减小电流驱动器的尺寸并降低系统热量，系统热量通常会降低比例螺线管的使用寿命和性能。这也允许阀叠到一起和/或远程地安装，以减少电路中所需歧管的尺寸和数目。
[0080]实施例
[0080]建筑设备、机动车辆、航天和工业应用都通常使用比例和开/关阀。这些阀可以是压力控制或面积控制装置。在这些阀中的流动力限制可在各种应用中使用的最大流量。
[0082]在本发明的阀中示出的流动力减小和消除方法在这些阀应用中是有益的。
[0083]建筑设备和机动车辆应用需要成本和尺寸具有竞争力的阀。在这方面，电流驱动系统受到成本、尺寸和所需的电流水平热量的限制。由本发明的阀提供的更大流量容量允许使用更小的螺线管。
[0084]一旦容量更高，则建筑设备可以省除阀的级数。
[0085]此外对实际泵、马达和气缸的远程控制会减少电路中所需的歧管。
[0086]航空应用也需要具有成本效益的阀。但航空应用具有由本发明的阀所提供的重量更轻的额外益处。
[0087]通过由本发明的阀所提供的较低热量和更长的使用寿命，工业阀应用通常将是有益的。
[0088]此外，对于上述各种阀应用和对于现有技术的各个领域中已知的其它应用而言，平稳操作和快速响应也是由本发明的阀所提供的益处。
[0089]在一个或多个实施例中，阀芯孔或在阀芯中的多个小孔会由于毛刺的风险而加工起来更昂贵，但可降低流动力。例如，该中心适配器可通过将信号压力发送到端部腔室而取消一些流动力。在一个实施例中，流动力可以是液压推动，其将阀芯推动到闭合位置状态下。在另一个实施例中，漏斗式结构可以是用于精细调节流动力所添加的元件。例如，所述流可击中漏斗式结构并将拉力或推动力传递到计量阀芯元件。取决于应用响应和/或稳定性的要求，漏斗式结构的尺寸和位置则可将净流动力精细调节到几乎为零，或者朝向打开或闭合力偏置。
[0090]在一个或多个实施例中，本发明的阀提供更大的阀孔、径向孔、到端部腔室的信号和/或漏斗式结构，以便更好地调节流动力和/或压力。
[0091]此外，在一个或多个实施例中，在供给到控制的流动过程中和/或在其中流动是控制到返回的释放模式的过程中，阀可操作成提供流动力降低和消除的方法。
[0092]在本发明的一个或多个实施例中，如附图中所示可具有更多或更少数目的径向孔。例如，在一个实施例中，阀的供给管路可采用二十四个孔。在其它实施例中，可采用四个孔多达几十个孔。
[0093]此外，可以采用更大或更小尺寸的孔。此外，孔在尺寸和/或径向间隔方面可以是不均匀的。
[0094]此外，在一个或多个实施例中，径向孔的尺寸可相对于可用行程来确定。例如，当行程的大小为3毫米、其可提供1.5毫米的偏移方向时，则孔可以比可用于偏移方向上的行程大30%。在另一实例中，行程可为2.2毫米，以及在行程为1.1毫米的情况下，孔为行程的尺寸或比行程高50%，其中优选实施例是孔可比行程大30%或大30%左右。此外，孔相对于所述行程的尺寸可从任何相同尺寸的、孔比行程小10%、小20%、小30%和小40%的更小直径到比行程大10%、大20%、大30%、大40%和大50%的直径。
[0095]此外，本发明的一个或多个实施例可使用更小的推动元件提供超过120升每分钟的容量，而在不使用这些流动力减小和取消以及精细调节方法的情况下具有45升每分钟的容量。
[0096]尽管已经示出和描述了本发明的具体元件、实施例和应用，但是应当理解的是，本发明并不限于此，因为对于本领域内的那些技术人员而言、特别是根据前述教导的情况下，可以进行变型。因此可以预期由所附权利要求书涵盖这样的变型并且包括落入本发明的精神和范围内的那些特征。
【主权项】
1.一种液压阀，其包括: 阀芯，其中所述阀芯包括在阀芯第一槽位置处的阀芯第一槽和在阀芯第二槽位置处的阀芯第二槽；以及 围绕所述阀芯的阀套，其中所述阀套包括在阀套第一槽位置处的阀套第一槽和在阀套第二槽位置处的阀套第二槽； 其中，当所述阀处于关闭位置状态下时，所述阀芯第一槽和所述阀套第一槽对准以便允许流体通过所述阀芯第一槽和所述阀套第一槽两者； 其中，当所述阀处于打开位置状态下时，所述阀芯第二槽和所述阀套第二槽对准以便允许流体通过所述阀芯第二槽和所述阀套第二槽两者。
2.根据权利要求1所述的阀，其还包括弹簧，其中所述弹簧定位成将力施加在所述阀芯上。
3.根据权利要求1所述的阀，其特征在于多个槽定位在所述阀芯第一槽位置处。
4.根据权利要求1所述的阀，其特征在于多个槽定位在所述阀套第一槽位置处。
5.根据权利要求1所述的阀，其特征在于多个槽定位在所述阀芯第二槽位置处。
6.根据权利要求1所述的阀，其特征在于多个槽定位在所述阀套第二槽位置处。
7.根据权利要求1所述的阀，其特征在于所述阀芯第一槽包括附加的孔。
8.根据权利要求7所述的阀，其特征在于所述孔位于所述槽的中心。
9.根据权利要求7所述的阀，其特征在于所述孔从所述槽的中心偏离。
10.根据权利要求1所述的阀，其特征在于所述阀芯包括阻尼孔。
11.根据权利要求1所述的阀，其特征在于所述阀套形成为围绕的壳体的一部分。
12.一种液压阀，其包括: 阀芯，其中所述阀芯包括: 在阀芯返回端口部位处的至少一个阀芯返回端口孔；以及 在阀芯供给端口部位处的至少一个阀芯供给端口孔； 围绕所述阀芯的阀套，其中所述阀套包括: 在阀套返回端口部位处的至少一个阀套返回端口孔；以及 在阀套供给端口部位处的至少一个阀套供给端口孔； 其中，当所述阀处于关闭位置状态下时，所述至少一个阀芯返回端口孔和所述至少一个阀套返回端口孔对准以便允许流体通过它们；以及 其中，当所述阀处于打开位置状态下时，所述至少一个阀芯供给端口孔和所述至少一个阀套供给端口孔对准以便允许流体通过它们。
13.根据权利要求12所述的阀，其还包括弹簧，其中所述弹簧定位成将力施加到所述阀芯上。
14.根据权利要求12所述的阀，其特征在于所述阀芯包括至少一个流动力漏斗式元件。
15.根据权利要求12所述的阀，其特征在于所述阀芯包括阻尼孔。
16.根据权利要求12所述的阀，其特征在于所述阀芯包括在阀芯控制端口部位处的至少一个阀芯控制端口孔。
17.根据权利要求16所述的阀，其特征在于所述阀套包括在阀套控制端口部位处的至少一个阀套控制端口孔。
18.根据权利要求17所述的阀，其特征在于所述至少一个阀芯控制端口孔和所述至少一个阀套返回端口孔对准以便允许流体通过它们。
19.根据权利要求12所述的阀，其特征在于所述阀套形成为围绕的壳体的一部分。
20.根据权利要求12所述的阀，其特征在于所述至少一个阀芯返回端口孔、所述至少一个阀芯供给端口孔、所述至少一个阀套返回端口孔以及所述至少一个阀套供给端口孔中的至少一个包括多个孔。
【专利摘要】提供一种液压阀，其包括内部阀芯和围绕的阀套。供给端口和返回端口连接到阀套，以及阀套的内部与控制端口流体连通。内部阀芯使用螺线管和弹簧定位在打开和关闭位置之间。在关闭位置状态下，阀芯和阀套中的槽对准以便将返回端口设置成与阀芯的内部流体连通。相反，在打开位置状态下，阀芯和阀套中不同的槽对准以便将供给端口设置成与阀芯的内部流体连通。
【IPC分类】F15B13-04
【公开号】CN104813038
【申请号】CN201380061220
【发明人】大卫·保罗·史密斯
【申请人】大卫·保罗·史密斯
【公开日】2015年7月29日
【申请日】2013年10月24日
【公告号】EP2912322A1, US20140116551, WO2014066592A1
【专利说明】用于大流量容量具有流动力控制的电液减压和泄压阀
相关申请的交叉引用
[0001]本申请要求于2012年10月24日提交的申请号为61/718，172、题为“用于大流量容量具有流动力控制的电液减压和泄压阀(Electro-Hydraulic Pressure Reducing andRelieving Valve with Flow Force Control for Large Flow Capacity) ” 的美国临时申请的权益，该美国临时申请在此以全文引用的方式并入本文。
技术领域
[0002]本发明通常涉及一种改进的阀。更具体地，本发明涉及一种阀，其具有大的阀容量以及电液比例减压和泄压的能力。
[0003]具有阶梯阀孔的阀如在文献号为5，876，185和6，125，886的美国专利中所示。在这些专利中，通过从由所述阶梯阀孔所形成的差分面积的较小的反馈面积来减少推动。然而，这些阀的流量和响应由于趋于关闭阀的流动力而是有限的。在范围从泵控制到对较大的方向性控制阀芯进行先导操作、甚至到直接气缸致动的各种不同的应用中，应用的尺寸由阀的流量容量来确定。
【发明内容】
[0004]本发明的一个或多个实施例提供一种液压阀，其包括内部阀芯和围绕的阀套。供给端口和返回端口连接到阀套，以及阀套的内部与控制端口流体连通。内部阀芯使用螺线管和弹簧定位在打开和闭合位置之间。在关闭位置状态下，阀芯和阀套中的槽对准以便将返回端口设置成与阀芯的内部流体连通。相反，在打开位置状态下，阀芯和阀套中的不同槽对准以便将供给端口设置成与阀芯内部流体连通。
【附图说明】
[0005]图1示出根据本发明实施例的具有流动力控制的电液减压和泄压阀的分解视图。
[0006]图2示出图1所示的阀在示例性的安装下处于“关闭”位置状态下的截面视图。
[0007]图3类似于图2，但示出阀在示例性的安装下处于“打开”位置状态下的截面视图。
[0008]图4和图5示出图1所示阀旋转后的截面视图，其中阀处于“关闭”位置状态下。
[0009]图6示出大致类似于图1所示阀的阀的替代性实施例，但是图6所示的阀还包括阀芯第一槽偏心孔和阀芯第二槽偏心孔。
[0010]图7示出大致类似于图2中所示阀的阀的替代性实施例，但是图7所示的阀还包括弹費保持器。
[0011]图8示出根据本发明实施例的阀的替代性实施例。
[0012]图9示出图8所示的阀，其中螺线管处于打开位置状态下。
[0013]图10示出根据本发明实施例的阀的替代性实施例。
[0014]图11示出图10所示的阀，其中螺线管处于打开位置状态下。
[0015]图12A、12B、13A、13B和14示出根据本发明一个实施例的多阀系统的替代性实施例。
[0016]图15示出曲线图，其示出当全部打开面积实际为60平方毫米时阀在28平方毫米处闭合。
[0017]图16示出曲线图，其示出本发明实施例的压力相对于流动性能的关系，其表明较大的计量面积打开导致较低的压降和高的流量容量。
【具体实施方式】
[0018]图1示出根据本发明实施例的具有流动力控制的电液减压和泄压阀100的分解视图。阀100包括弹簧110、阀芯120和阀套130。弹簧优选是卡入式弹簧，在安装过程中所述卡入式弹簧卡入到位，如下面进一步描述的那样。
[0019]阀芯120包括阀芯第一槽位置121和阀芯第二槽位置123。在阀芯第一槽位置121和阀芯第二槽位置123处，存在围绕阀芯120的外侧布置的三个槽，每个槽围绕阀芯120的外侧包围约90-120度的角度。在阀芯第一槽位置121处，示出阀芯第一槽122。在阀芯第二槽位置123处，示出阀芯第二槽124。阀芯第一槽122包括第一槽中心孔125，以及阀芯第二槽124包括第二槽中心孔127。
[0020]任何数目的窄槽和孔可配置成产生适于应用的所需面积曲线。例如，替代性的实施例可包括适于阀芯和阀套中之一或两者的2、3、4、5、6个或更多的槽。例如，两个槽可增加总的开口面积，但可能会降低阀芯或阀套的弯曲强度。具有三个槽的设计可提供最佳的弯曲强度而不会显著降低开口面积。然而，具有四个槽的设计可以是对称的并且可能更容易制造和检查。诸如六个、八个的其它数量的槽也可以是对称的。
[0021]另外，在一个或多个实施例中，也可在槽内添加孔以便精细调节。例如，多个孔会增加制造成本，但可用于实现从孔上的计量到槽边缘上的计量的平滑过渡。所需的过渡可根据为阀所设计的应用来变化。例如，对于机动车辆的离合器应用而言，可能希望在三个槽之一内具有一个孔。相反，在实施主阀的应用中，可能更希望具有更大程度的精细控制。因此，可优选具有在每个槽中具有一个孔的设计，但是每个孔的尺寸具有不同的直径，以允许在从孔到槽的区域内的平滑过渡。
[0022]此外，阀芯和阀套可具有阀芯和/或孔的不同配置。此外，槽或孔可在阀芯和/或阀套上具有不同的大小。此外，一个或多个孔可以在槽外侧。此外，在不同的槽中可具有不同数目的孔。此外，孔的尺寸可随着孔与孔的不同而有所不同。
[0023]阀套130包括阀套第一槽位置131和阀套第二槽位置133。在阀套第一槽位置131和阀套第二槽位置133处，存在围绕阀套130的外侧布置的三个槽，每个槽围绕阀套130的外侧包围约90-120度的角度。在阀套第一槽位置131处，示出阀套第一槽132。在阀套第二槽位置133处，示出阀套第二槽134。该实施例示出在位置131中的三个槽和在位置133中的三个槽，但可以配置任何数目的槽和孔。此外，阀套130包括第一密封部位152、第二密封部位154和第三密封部位156。
[0024]密封件140安装到它们在阀套130上的相应部位内，其中第一密封件142定位在所述第一密封部位152内，第二密封件144定位在第二密封位置154内，以及第三密封件146定位在第三密封位置156内。在一个替代性的实施例中，密封件和沟槽可通过阀套和周围结构之间的适配或限位的严格控制来代替。阀套也可被涂覆，以便使得阀套外侧的大部分与周围结构形成密封。
[0025]图2示出图1所示的阀100在示例性的安装下处于“关闭”位置状态下的截面视图200。如图2中所示，存在弹簧110、阀芯120以及阀套130。此外示出阀芯第一槽位置121，阀芯第二槽位置123，阀套第一槽位置131以及阀套第二槽位置133。此外，第一密封件142、第二密封件144和第三密封件146安装到它们在阀套130上的相应部位内。还示出一个阻尼孔180，其在阀芯和内压平衡区域185的右端。
[0026]在替代性的实施例中，阀套直接集成或形成为围绕壳体160的一部分。
[0027]阀100定位在阀壳体160内，供给端口 210、返回端口 220、控制系统端口 230和备用的控制系统端口 240设置于阀壳体160内。
[0028]此外，阀壳体160已连接到机电螺线管致动器165，其包括阀套互锁结构166和互锁密封件168，以及销170。
[0029]如在图2的“关闭”位置状态下所示，阀芯第二槽124和阀套第二槽134对准，但阀芯第一槽122和阀套第一槽132不对准。这允许流体从返回端口 220流通通过阀芯第二槽124和阀套第二槽134，并与来自控制系统230的流体处于流体连通。
[0030]通过位置123内的槽的控制压力进入到阀芯120内部。
[0031]该控制压力通过阻尼孔180连通到阀芯的右端并到达到存在于已知螺线管致动器165中的内压平衡区域185。该实施例示出具有推动类型的销170，但是可替代性地使用拉动类型的销和螺线管。
[0032]图3类似于图2，但示出阀100在示例性的安装下处于“打开”位置状态下的截面视图300。图3的截面视图以通过阻尼孔180的中心成一定角度的方式截取。图3包括图2的所有元件，但如图3中所示，弹簧110被压缩。此外，此时阀芯第一槽122和阀套第一槽132对准，阀芯第二槽124和阀套第二槽134不再对准。还示出一个阻尼孔180，其在阀芯和内压平衡区域185的右端。
[0033]因此，相对于上面在图2中所提及的“关闭”位置，在图3的“打开”位置状态下，流体从供给端口 210流通通过阀芯第一槽122、中心孔125以及阀套第一槽132，并与来自控制系统230的流体处于流体连通。
[0034]图4和图5示出图1所示阀100旋转后的截面视图，其中阀处于“关闭”位置状态下。
[0035]这示出阀芯槽122和124之间的连结板与阀套槽132和134之间的连结板可全部对准。卡入式弹簧110可用于保持阀芯与阀套连结板的该角度对准。连结板的对准将所需的开口面积最大化，并且维持连结板对准可确保任何计量面积(诸如来自孔125和127)不由连结板堵塞。
[0036]图6示出大致类似于图1所示阀的阀600的替代性实施例，但是图6所示的阀600还包括阀芯第一槽偏心孔610和阀芯第二槽偏心孔620。偏心孔允许阀芯在阀套中旋转而不会堵塞所有的计量孔。从而在该替代性的实施例中，如图4和图5中所示的在阀芯与阀套中的槽之间的连结板不需要成角度对准，用以使孔区域610和620被激活而不被连结板堵塞。
[0037]图7示出大致类似于图2中所示阀的阀700的替代性实施例，但是图7所示的阀700还包括弹簧保持器710。弹簧保持器710优选由轴承材料制成。已知例如青铜的轴承材料在给定的常规负载下减少接触材料的摩擦。保持器710的尺寸可确定成使得通过计量面积的流动力可使得阀芯在阀套内旋转，这样在阀操作期间连结板保持对准或实际上重新对准。
[0038]图1-7中所示的实施例通过具有接近径向流动配置的槽而减小闭合流动力。这对于大多数应用而言将用于将流动力传递到端部腔室的需求最小化，并且将对用于补偿净闭合流动力的附加漏斗式元件的需求最小化。
[0039]除了几乎径向引导流动从而显著减小闭合流动力之外，还可更快且更廉价地制造槽。任意数目的槽可配置在阀芯和阀套或主体元件内。
[0040]优选的实施例是在阀芯中具有三个槽，以及在阀套或主体内具有三个类似的槽，如图1-7中所示。与只具有两个槽的元件相比，三个槽赋予部件附加的弯曲强度。该弯曲强度通常是对部件进行处理和组装所需要的。在每一位置状态下具有三个以上的槽(诸如四个槽)会增加槽之间的连结板面积，从而减少可能的总开口面积。
[0041]槽对槽的计量通常具有与区域对区域的状态(land to land condit1n)几乎相同的面积增益。这种大的面积增益通常对于对大部分的阀应用的计量需求而言过大。为了允许精细计量，阀孔的较低面积增益部分可配置在槽内。由孔125和/或孔610所示的较低面积增益用于调节比例降压功能。孔127和/或孔620用于调节泄压功能。
[0042]通常在对在槽内部加工的孔进行加工的过程中，钻孔器元件将弯曲，导致降低孔位置的精确度。这通过将钻孔器中心与槽中心定中来解决。另一种方法是使用适于孔的侧刃端铣刀，使得可以控制侧插深度。
[0043]然而，由于阀芯和阀套元件可相对于彼此旋转并且改变阀的预期净开口面积，因此槽体现出在功能性方面的考虑。槽需要具有在阻断流动的槽之间的连结板部分。如果阀芯元件相对于阀套或主体元件旋转，则净开口面积减少。
[0044]通过几种方法来防止开口面积上的这种改变，这些方法包括:I)保持角度对准的卡入式弹簧，(如图4和图5中所示)；2)允许流动力来对准连结板部分的轴承材料弹簧保持器；和(如图7中所示)3)与槽结合的孔配置，当存在相对角度取向上的变化时，该孔配置减少面积变化；以及(如图6中所示)4)在沟槽内的销或防止相对旋转的其它已知方法；和5)根本就没有弹簧，其中流动力将阀芯与阀套连结板对准。
[0045]优选的方法是卡入式弹簧。其保持阀芯和阀套，使得槽之间的连结板可被对准。卡入式弹簧还省除了弹簧保持器，而执行卡入式弹簧保持器的功能。此外，通过将部件轴向压缩直到弹簧的两端卡入到位而可以快速组装卡入式弹簧。弹簧的无效(in-active)簧圈用于卡入功能。这降低了在有效的弹簧偏转范围内的相对摩擦。此外，通过定中弹簧的卡入特征使得有效簧圈不与阀套的阀孔相接触而降低摩擦。对于卡入功能而言，控制无效簧圈尺寸的成本是最小的，因为这可被编程到弹簧卷绕程序内，并且不引入任何附加的制造操作。
[0046]在一个优选的实施例中，槽的宽度与径向流动路径大致相同。这确保在接近最大流量处的流动路径大致是径向的。由于流动是径向的，因此净闭合流动力相比于具有计量边缘和区域的阀芯而言显著减小，所述阀芯具有不大致为径向的流动路径，而是相对于阀芯的轴线处于一定的角度，诸如58度。
[0047]通过控制从供给到控制的面积，该减压和泄压阀计量压力上升。控制压力在阀芯的两端部上。螺线管端部具有通过阻尼孔的控制压力。该阻尼孔的尺寸由已知的方式确定以便该应用的响应和稳定性。
[0048]该阀芯是重量轻的，因此阻尼孔可以是大的，允许在冷油条件下有平稳的压力调节曲线。该实施例示出9毫米大的阀孔，其具有1.4毫米的阻尼孔。通常在重型阀芯上，在9毫米的阀孔应用中阻尼孔需要为0.8毫米。这意味着阻尼孔是3倍大，并且使得具有短的长度，这样冷油曲线是平滑的，没有突然的不希望的跳跃来启动压力。
[0049]该阀孔是阶梯状的，阀芯也是阶梯状的。阀套阀孔和在较大左端上的阀芯之间的松配合并不需要与图1-7中所示的在较小直径右端上的松配合相同。直径配合可设置成同时控制泄漏和减少如在阀应用中所需的滑动摩擦。所述槽可在阀芯上产生阀瓣。这些阀瓣可帮助润滑阀芯并产生平稳的运行。通过控制松配合公差可调节来自阀瓣的泄漏增加量。
[0050]在左端上的阀芯净面积大于右端(与推动类型的螺线管附接的端部)上的阀芯净面积。所以到达控制件内的压力产生到达螺线管的反馈力。这允许控制压力正比于螺线管力输入。当没有给定螺线管力输入时，复位弹簧确保阀芯返回到所希望的排气条件下。复位弹簧还提供已知的弹簧刚度常数以便稳定操作。当在输出控制通道中需要流动时，则稳定的位置具有从供给到控制的更大开口面积。
[0051]对于在整个给定的行程范围内的给定电流输入而言，螺线管可设计成具有大致恒定的力。这赋予阀大的流量容量和平坦的调节曲线。如图所示，9毫米大的阀孔在301pm条件下具有6巴的压降，以便操作的减压和泄压模式。
[0052]当控制压力超过所要求的控制压力时需要操作的泄压模式，控制压力超过所要求的控制压力的原因在于动态阀芯运动或从阀外部的流体源进入到控制端口内。在每种情况下，过大的控制压力将阀芯向回朝向螺线管推动。这接着闭合供给压力，并通过位置124中的槽和孔127和/或620打开从控制到返回的面积。
[0053]如果控制压力高于所要求的压力，则阀芯开始朝向到达返回的更大开口面积偏移。这接着类似于单级泄压阀来起作用。螺线管力然后设置适于控制泄压的压力。在行程范围内的螺线管力可大致是线性的。这使得该单级泄压具有平坦的调节曲线。诸如离合器控制、该泄压功能这样的典型应用允许所要求的控制压力升高速率大致是阶梯函数或实际上就是一个阶梯函数。这是因为该控制压力可由该具有平坦和响应性调节的泄压函数来限制。
[0054]为了获得大的流量容量，阀需要小得多的线圈和螺线管。这是因为推动由阶梯孔反馈而降低，此外来自具有计量孔的槽的大致径向流动在高流量条件下会减小闭合流动力。这会减少电流驱动器的大小并降低系统热量，系统热量通常减短比例螺线管的使用寿命并降低其性能。这基本上就刚好是阀芯和阀套(或在需要阀套的应用中的主体)的情况。对于某些螺线管应用而言可省除弹簧。大致径向流动路径的开口面积的成本是低成本的，其原因在于需要较少的加工操作和较短的加工时间来制备槽(与多个径向孔相比而言)。
[0055]本发明的一个或多个实施例可在宽泛种类的应用中使用，包括:建筑设备、机动车辆、航天和工业应用，或使用比例和开/关阀的其它应用。这些阀可能是压力控制或面积控制装置。在这些阀中的流动力限制在各种应用中可用的最大流量。在本发明的一个或多个实施例中所示的流动力降低和成本降低的制造方法在这些阀应用中是有益的。
[0056]更具体地，建筑设备、材料处理和机动车辆应用需要成本和尺寸有竞争力的阀。此夕卜，电流驱动系统还受到成本、尺寸和所需电流水平的热量的限制。由本发明的阀提供的较大的流量容量允许使用更小的螺线管，从而降低螺线管和系统电流驱动器的尺寸、热量和成本。所示的腔体具有典型的腔体配置:返回、供给、然后控制，如在大多数机动车辆离合器上的配置以及泵控制应用那样。这使得尺寸和歧管配置易于替代典型的机动车辆类型的EH比例阀。
[0057]一旦容量更高，则建筑设备可以省除阀的级数。典型的高流量容量EH比例阀需要先导和主要级。本发明是单级阀，其增加响应性，提高稳定性并降低尺寸和成本。
[0058]对实际泵、马达和气缸的远程控制也会减少电路中所需的歧管，特别是对于材料处理而言。由于更小的封装尺寸，本发明的EH阀可远程地配置到实际的液压机械单元(诸如控制阀、泵、马达和气缸)上。
[0059]航空应用也需要具有成本效益的阀。但航空应用具有 由本发明的阀所提供的重量更轻的额外益处。这是由于螺线管尺寸减小以及高容量单级部件的尺寸和数目减少造成的。
[0060]通过由本发明的阀所提供的较低热量和更长的使用寿命，工业阀应用通常将是有益的。典型的离合器致动需要大的流量，但是无冷油延迟，以便在精细压力调节之后填充离合器，从而防止离合器盘过度打滑。此外，对于上述各种阀应用和对于现有技术的各个领域中已知的其它应用而言，平稳操作和快速响应也是由本发明所提供的益处。相对大的阻尼孔可允许用温油时更快地响应，并在用冷油启动压力时没有跳跃。
[0061]图8A示出根据本发明实施例的阀800的替代性实施例。图8A示出阀800，其具有套筒阀芯810、阀套820、弹簧830、供给端口 840、返回端口 850、控制端口 860和螺线管870。阀套850包括在阀套返回端口部位处的阀套返回端口槽和/或孔852，以及在阀套供给端口部位处的阀套供给端口槽和/或孔854。套筒阀芯810包括在阀芯返回端口部位处的套筒阀芯返回端口槽和/或孔812，以及在阀芯供给端口部位处的套筒阀芯供给端口槽和/或部位814。如本文所用的术语“孔”包括一个或多个槽和/或孔和/或只是多个孔而没有槽。在图8中还示出了阻尼孔880、左端阀芯室890、右端阀芯室886以及流动力漏斗式元件895。
[0062]图8B示出观察到供给端口 840、返回端口 850和控制端口 860的“关闭”阀800的视图。
[0063]图8示出适于阀800的螺线管关闭的位置。在该位置状态下，套筒阀芯返回端口孔812和阀套返回端口孔852至少部分地重叠以允许通过套筒阀芯返回端口孔812和阀套返回端口孔852两者进行流体传送，以使返回端口 850和阀的内部处于流体接触关系。相反，套筒阀芯供给端口孔814和阀套供给端口孔842都不对准，这样阀的内部和供给端口都不处于流体连通关系。控制压力通过阻尼孔880连通到更大面积的左端阀芯室890。控制流与流动力漏斗式元件895相接触。控制压力通过阻尼孔885连通到阀芯较小面积的右端886，在该实施例中其压力基本上与控制端口压力860相同。
[0064]图9A示出图8所示的阀，其中螺线管处于打开位置状态下。如图9A中所示，螺线管870已经使得套筒阀芯810位移了螺线管位移距离972。该位移造成弹簧830压缩。此夕卜，位移使得套筒阀芯返回端口孔812和阀套返回端口孔852不对准。因此，返回端口 850不再与阀的内部流体连通。此外，该位移使得套筒阀芯供给端口孔814和阀套供给端口孔842对准。因此，供给端口 840现在与阀的内部流体连通。与供给端口的连通增加了控制压力，使得左端减去右端的面积差异将力馈送回到螺线管870。这样，螺线管输入可按比例将供给压力减小到所期望的控制压力。通过孔842和852的大致径向流动允许具有最小闭合流动力的高流量。将控制压力连通到左端面积890的阻尼孔880和将控制压力连通到右端的阻尼孔885加上流动漏斗式元件895的尺寸可确定成使得可平稳地控制流量直到到达预先确定的高流量容量的极限。
[0065]图9B示出观察到供给端口 940、返回端口 950和控制端口 960的“打开”阀800的视图。
[0066]图1OA示出根据本发明实施例的阀1000的替代性实施例。图1OA示出阀1000，其具有套筒阀芯1010、阀套1020、弹簧1030、供给端口 1040、返回端口 1050、控制端口 1060以及螺线管1070。阀套1050包括在阀套返回端口部位处的阀套返回端口槽和/或孔1052、在阀套供给端口部位处的阀套供给端口槽和/或孔1054以及在阀套控制端口部位处的阀套控制端口槽和/或孔1056。套筒阀芯1010包括在阀芯返回端口部位处的套筒阀芯返回端口槽和/或孔1012、在阀芯供给端口部位处的套筒阀芯供给端口槽和/或孔1014以及在阀芯控制端口部位处的套筒阀芯控制端口槽和/或孔1016。图10还示出阻尼孔1080、左端阀芯室1090、流动力漏斗式元件1092和1094以及阀芯的右端1086。
[0067]图1OB示出观察到供给端口 1040、返回端口 1050以及控制端口 1060的“关闭”阀1000的视图。
[0068]图10示出适于阀1000的螺线管关闭位置。在该位置状态下，套筒阀芯返回端口孔1012和阀套返回端口孔1052至少部分地重叠，以允许通过套筒阀芯返回端口孔1012和阀套返回端口孔1052进行流体传送，以使返回端口 1050和阀的内部处于流体接触关系。此夕卜，控制端口 1060也通过套筒阀芯控制端口孔1016和阀套控制端口孔1056与阀的内部流体连通。相反，套筒阀芯供给端口孔1014和阀套供给端口孔1052不对准，所以阀的内部和供给端口不流体连通。控制压力通过阻尼孔1080连通到更大面积的左端阀芯室1090。控制流与流动力漏斗式元件1092和/或1094接触。控制压力通过阻尼孔1085连通到面积较小的阀芯的右端1086。
[0069]图11示出图10所示的阀1000，其中螺线管处于打开位置状态下。如图1lA中所示，螺线管1070已经使得套筒阀芯1010位移了螺线管位移距离1172。该位移导致弹簧1030压缩。此外，位移使得套筒阀芯返回端口孔1012和阀套返回端口孔1052不对准。因此，返回端口 1050不再与阀的内部流体连通。此外，该位移使得套筒阀芯供给端口孔1014和阀套供给端口孔1054对准。因此，供给端口 1040现在与阀的内部流体连通。此外，控制端口 1060通过套筒阀芯控制端口孔1016和阀套控制端口孔1056保持与阀的内部流体连通。与供给端口的连通增加了控制压力，使得左端减去右端的面积差异将力馈送回到螺线管1070。这样，螺线管输入可按比例将供给压力减小到所期望的控制压力。通过孔1012和1014的大致径向流动允许具有最小闭合流动力的高流量。将控制压力连通到左端面积1090的阻尼孔1080和将控制压力连通到右端1096的阻尼孔1085加上流动漏斗式元件1092和1094的尺寸可确定成使得可平稳地控制流量直到到达预先确定的高流量容量的极限。
[0070]图1lB示出观察到供给端口 1040、返回端口 1050以及控制端口 1060的“打开”阀1000的视图。
[0071]图12A、12B、13A、13B和14示出根据本发明一个实施例的多阀系统1200的替代性实施例。如图12A和图12B中所示，多阀系统1200包括五个控制端口 1210-1214，以及返回端口 1222和备用返回端口 1220，以及供给端口 1230和备用供给端口 1232。
[0072]如在图13A的剖视图中可容易地看到的那样，五个控制端口 1210-1214的每一个与其自身的阀1250-1254相关联。每个阀大致类似于图10-11的阀，但在图12-14的实施例中多个阀串联定位。此外，当阀处于螺线管关闭位置状态下时，返回端口 1222和备用返回端口 1220与所有的阀流体连通。类似地，当阀处于螺线管打开位置状态下时，供给端口1230和备用供给端口 1232与所有的阀流体连通。
[0073]本发明的一个或多个实施例这样解决上述相关问题，即通过减少闭合流动力，然后将这些流动力传递到端部腔室以及最后用漏斗式元件补偿流动力，从而允许显著增加阀容量。在当前的阶梯孔阀芯类型的减压阀上的测试表明，在调节范围之后阀类似于固定的面积限制来起作用。该限制的面积比阀的全部打开面积小得多。
[0074]例如，图15示出曲线图，其示出当全部打开面积实际为60平方毫米时阀在28平方毫米处闭合。这表明该流动力防止阀打开经过局部偏移点。较高力的螺线管可配置在阀内而不是当前的螺线管配置，但是这会导致过高的成本、封装尺寸和线圈热量。
[0075]图16示出曲线图，其示出本发明实施例的压力相对于流动性能的关系，其表明较大的计量面积打开导致较低的压降和高的流量容量。
[0076]本发明的一个或多个实施例通过使用阶梯阀孔配置以减少螺线管尺寸并增加阀的流量容量来解决该问题。然后阀的实际流量容量通过流动力减小和消除方法来增加。首先，该系统通过将套筒类型的阀芯配置在套筒类型的阀套内而减小流动力。这使得流动以大致径向的方式被引导进出阀。那么这可使用显著较小的径向孔。
[0077]对于打开面积而言，通常具有与通常配置相比的更多的孔。这增加了成本和毛刺的风险，但这确实减小流动力。孔的尺寸优选接近实际流动路径的宽度。因为垂直于阀芯进行接触以及不具有产生流动力的太大角度，所以这产生几乎纯粹的径向流动，其降低传递到阀芯的典型闭合流动力。为了使得阀芯然后在阀上的另一位置或面积上具有流动出口，阀芯具有大致径向流动，其在阀芯的轮廓内转换成轴向流动。
[0078]接下来，控制信号连接一个端部腔室或两个端部腔室。由于流动方向从阀芯改变到固定端部腔室，所以该信号通路则传递稍微的压力增加。由于流动方向在阀芯轮廓内的变化，阀芯然后将具有相等且相反的压力，其抵消了稍微的压力增加。最后固定到阀芯的在中心适配器上的一个或多个漏斗式元件可诱导流动方向改变稍微的压力增加。这种稍微的压力增加则增加阀芯的总体力。典型的闭合流动力则可反作用于由漏斗式结构所产生的力。
[0079]—个或多个漏斗式结构的大小和位置可以调节，使得典型的闭合流动力减小到如此程度，即流量容量显著大于不经过上述方法和系统的流量容量。获得更大的流量容量则允许更小的更成本有效的阀封装，也允许更小的螺线管电流的需求。这又可减小电流驱动器的尺寸并降低系统热量，系统热量通常会降低比例螺线管的使用寿命和性能。这也允许阀叠到一起和/或远程地安装，以减少电路中所需歧管的尺寸和数目。
[0080]实施例
[0080]建筑设备、机动车辆、航天和工业应用都通常使用比例和开/关阀。这些阀可以是压力控制或面积控制装置。在这些阀中的流动力限制可在各种应用中使用的最大流量。
[0082]在本发明的阀中示出的流动力减小和消除方法在这些阀应用中是有益的。
[0083]建筑设备和机动车辆应用需要成本和尺寸具有竞争力的阀。在这方面，电流驱动系统受到成本、尺寸和所需的电流水平热量的限制。由本发明的阀提供的更大流量容量允许使用更小的螺线管。
[0084]一旦容量更高，则建筑设备可以省除阀的级数。
[0085]此外对实际泵、马达和气缸的远程控制会减少电路中所需的歧管。
[0086]航空应用也需要具有成本效益的阀。但航空应用具有由本发明的阀所提供的重量更轻的额外益处。
[0087]通过由本发明的阀所提供的较低热量和更长的使用寿命，工业阀应用通常将是有益的。
[0088]此外，对于上述各种阀应用和对于现有技术的各个领域中已知的其它应用而言，平稳操作和快速响应也是由本发明的阀所提供的益处。
[0089]在一个或多个实施例中，阀芯孔或在阀芯中的多个小孔会由于毛刺的风险而加工起来更昂贵，但可降低流动力。例如，该中心适配器可通过将信号压力发送到端部腔室而取消一些流动力。在一个实施例中，流动力可以是液压推动，其将阀芯推动到闭合位置状态下。在另一个实施例中，漏斗式结构可以是用于精细调节流动力所添加的元件。例如，所述流可击中漏斗式结构并将拉力或推动力传递到计量阀芯元件。取决于应用响应和/或稳定性的要求，漏斗式结构的尺寸和位置则可将净流动力精细调节到几乎为零，或者朝向打开或闭合力偏置。
[0090]在一个或多个实施例中，本发明的阀提供更大的阀孔、径向孔、到端部腔室的信号和/或漏斗式结构，以便更好地调节流动力和/或压力。
[0091]此外，在一个或多个实施例中，在供给到控制的流动过程中和/或在其中流动是控制到返回的释放模式的过程中，阀可操作成提供流动力降低和消除的方法。
[0092]在本发明的一个或多个实施例中，如附图中所示可具有更多或更少数目的径向孔。例如，在一个实施例中，阀的供给管路可采用二十四个孔。在其它实施例中，可采用四个孔多达几十个孔。
[0093]此外，可以采用更大或更小尺寸的孔。此外，孔在尺寸和/或径向间隔方面可以是不均匀的。
[0094]此外，在一个或多个实施例中，径向孔的尺寸可相对于可用行程来确定。例如，当行程的大小为3毫米、其可提供1.5毫米的偏移方向时，则孔可以比可用于偏移方向上的行程大30%。在另一实例中，行程可为2.2毫米，以及在行程为1.1毫米的情况下，孔为行程的尺寸或比行程高50%，其中优选实施例是孔可比行程大30%或大30%左右。此外，孔相对于所述行程的尺寸可从任何相同尺寸的、孔比行程小10%、小20%、小30%和小40%的更小直径到比行程大10%、大20%、大30%、大40%和大50%的直径。
[0095]此外，本发明的一个或多个实施例可使用更小的推动元件提供超过120升每分钟的容量，而在不使用这些流动力减小和取消以及精细调节方法的情况下具有45升每分钟的容量。
[0096]尽管已经示出和描述了本发明的具体元件、实施例和应用，但是应当理解的是，本发明并不限于此，因为对于本领域内的那些技术人员而言、特别是根据前述教导的情况下，可以进行变型。因此可以预期由所附权利要求书涵盖这样的变型并且包括落入本发明的精神和范围内的那些特征。
【主权项】
1.一种液压阀，其包括: 阀芯，其中所述阀芯包括在阀芯第一槽位置处的阀芯第一槽和在阀芯第二槽位置处的阀芯第二槽；以及 围绕所述阀芯的阀套，其中所述阀套包括在阀套第一槽位置处的阀套第一槽和在阀套第二槽位置处的阀套第二槽； 其中，当所述阀处于关闭位置状态下时，所述阀芯第一槽和所述阀套第一槽对准以便允许流体通过所述阀芯第一槽和所述阀套第一槽两者； 其中，当所述阀处于打开位置状态下时，所述阀芯第二槽和所述阀套第二槽对准以便允许流体通过所述阀芯第二槽和所述阀套第二槽两者。
2.根据权利要求1所述的阀，其还包括弹簧，其中所述弹簧定位成将力施加在所述阀芯上。
3.根据权利要求1所述的阀，其特征在于多个槽定位在所述阀芯第一槽位置处。
4.根据权利要求1所述的阀，其特征在于多个槽定位在所述阀套第一槽位置处。
5.根据权利要求1所述的阀，其特征在于多个槽定位在所述阀芯第二槽位置处。
6.根据权利要求1所述的阀，其特征在于多个槽定位在所述阀套第二槽位置处。
7.根据权利要求1所述的阀，其特征在于所述阀芯第一槽包括附加的孔。
8.根据权利要求7所述的阀，其特征在于所述孔位于所述槽的中心。
9.根据权利要求7所述的阀，其特征在于所述孔从所述槽的中心偏离。
10.根据权利要求1所述的阀，其特征在于所述阀芯包括阻尼孔。
11.根据权利要求1所述的阀，其特征在于所述阀套形成为围绕的壳体的一部分。
12.一种液压阀，其包括: 阀芯，其中所述阀芯包括: 在阀芯返回端口部位处的至少一个阀芯返回端口孔；以及 在阀芯供给端口部位处的至少一个阀芯供给端口孔； 围绕所述阀芯的阀套，其中所述阀套包括: 在阀套返回端口部位处的至少一个阀套返回端口孔；以及 在阀套供给端口部位处的至少一个阀套供给端口孔； 其中，当所述阀处于关闭位置状态下时，所述至少一个阀芯返回端口孔和所述至少一个阀套返回端口孔对准以便允许流体通过它们；以及 其中，当所述阀处于打开位置状态下时，所述至少一个阀芯供给端口孔和所述至少一个阀套供给端口孔对准以便允许流体通过它们。
13.根据权利要求12所述的阀，其还包括弹簧，其中所述弹簧定位成将力施加到所述阀芯上。
14.根据权利要求12所述的阀，其特征在于所述阀芯包括至少一个流动力漏斗式元件。
15.根据权利要求12所述的阀，其特征在于所述阀芯包括阻尼孔。
16.根据权利要求12所述的阀，其特征在于所述阀芯包括在阀芯控制端口部位处的至少一个阀芯控制端口孔。
17.根据权利要求16所述的阀，其特征在于所述阀套包括在阀套控制端口部位处的至少一个阀套控制端口孔。
18.根据权利要求17所述的阀，其特征在于所述至少一个阀芯控制端口孔和所述至少一个阀套返回端口孔对准以便允许流体通过它们。
19.根据权利要求12所述的阀，其特征在于所述阀套形成为围绕的壳体的一部分。
20.根据权利要求12所述的阀，其特征在于所述至少一个阀芯返回端口孔、所述至少一个阀芯供给端口孔、所述至少一个阀套返回端口孔以及所述至少一个阀套供给端口孔中的至少一个包括多个孔。
【专利摘要】提供一种液压阀，其包括内部阀芯和围绕的阀套。供给端口和返回端口连接到阀套，以及阀套的内部与控制端口流体连通。内部阀芯使用螺线管和弹簧定位在打开和关闭位置之间。在关闭位置状态下，阀芯和阀套中的槽对准以便将返回端口设置成与阀芯的内部流体连通。相反，在打开位置状态下，阀芯和阀套中不同的槽对准以便将供给端口设置成与阀芯的内部流体连通。
【IPC分类】F15B13-04
【公开号】CN104813038
【申请号】CN201380061220
【发明人】大卫·保罗·史密斯
【申请人】大卫·保罗·史密斯
【公开日】2015年7月29日
【申请日】2013年10月24日
【公告号】EP2912322A1, US20140116551, WO2014066592A1
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