JP4786638B2

JP4786638B2 - インナースコーピング油圧装置

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Inventors: アトキンソン，ダナ
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Description

本発明は流体圧（以下、油圧と言う。）シリンダーアクチュエータに関する。

図1に示すように、今日使用されている従来の油圧シリンダーアクチュエータは、シリンダー１２の内側にある単一のピストン１４を利用するものである。高圧流体がピストン１４の片側のシリンダーに供給され、ピストンをシリンダーを通して逆方向に推進させる。図１は、バルブを使って装置が両方向に動くようにした、従来のシリンダー油圧ピストン配列を示す。この図は中立位置でのピストンを示す。ポンプ１６が左側のチャンバを満たす一方、右側のチャンバ内の作動油は装置のタンクすなわちリザーバに押し出されている。ピストンが最大伸長時に、バルブ１８は反対側に切り替えられ、またその逆のプロセスもあり得る。

従来のシリンダー設計では、シリンダーのロッド端から高圧リークが起こりやすく、シリンダーによって動作させられる機械を故障させかねない油漏洩を引き起こしている。多くの用途で、必要な動力を得るため非常に高い油圧が生成されなければならない。高作動圧力により装置欠陥の要因は増大し得る。従来の油圧アクチュエータ設計において、シリンダー壁はピストン操作ロッドよりも強力である。高荷重条件下では、このロッドが折れることもあり、シリンダーの欠陥を引き起こす。このことは、高圧油漏れの可能性と共に、機械への破損及び機械のオペレータに危険をもたらすことになるだろう。また、従来のシリンダー設計では、装置の動力消費は送られる動力量に比べ、比較的高い。またさらに、従来のシリンダー設計は主に、好ましい結果を得るために必要な非常に高い操作圧力に耐えうるシリンダーを作るのに使用される材料の厚みのため、非常に重いという問題もある。

これまでのタイプの装置の難点や欠点は、本発明の油圧シリンダーアクチュエータの設計及びそれに関連する油圧弁装置において克服される。基部は機械に固着されている。油圧シリンダーアクチュエータは、基部に機械的に接して、基部同様に伸長位置と後退位置の間に固定されているスリーブシリンダーを含む。内部シリンダーには、ピストンとロッドが設けられ、このピストンとロッドは、基部に機械的に接しており、基部とスリーブシリンダー同様、伸長位置と後退位置の間に固定された状態を維持する。スリーブシリンダーピストンは、内部シリンダーのロッドのパッキン押さえ（以下、グランドと言う。）に適合し、内部シリンダー同様ストロークの全行程を移動する。内部油圧アクチュエータは実質的にスリーブシリンダーの内側にあり、ピストンと内部シリンダーの閉口端の間の容積は実質的に第一油圧用作動油チャンバとして区画される。基部に取り付けられたスリーブリシンダーと内部シリンダーロッドグランドに取り付けられたスリーブシリンダーの間の容積は実質的に第二作動油チャンバを区画する。インナー部は実質的にピストンと内部シリンダーロッドグランドの内側部分との間の容積として区画され、こうして実質的に第三油圧用作動油チャンバを区画する。この第三作動油チャンバはアクチュエータを後退させ第一及び第二作動油チャンバから作動油を押し出すために組み込まれている。内部シリンダーは加圧時に伸長位置に移動し第一動力行程を生ずるように構成されている。スリーブシリンダーは第二作動油チャンバを作動油で加圧した際、伸長位置に移動するように構成されている。これは実質的に第二動力行程を区画する。内部シリンダー部内のインナー部は作動油で加圧された際、後退位置に移動し、それにより第三動力行程を生ずるように構成されている。

当然のことながら、本発明は、本発明から逸脱することなく異なる実施形態も可能であり、その詳細は様々な点で修正可能である。従って、図面と説明は例示であって制限しようとするものではない。

ここで本発明の装置を図面について説明するが、同一参照番号が同一要素に関連することはいうまでもない。本発明の装置は従来の型の油圧装置では得られない利点を提供する。本発明のシリンダーの加力能力はシリンダー内の高圧作動油反作用を倍にすることで増加される。この結果、従来の装置に比べて全体の強度が増加する。このように、本発明の装置はまた、シリンダーのサイズが相当に縮小されているにもかかわらず、従来のシリンダーと同様の動力を発生できるので、大幅な軽量化、さらには経済的利益をもたらす。本発明の装置のもう一つの利点は、数種類の加力を有する数種類の速度変化を組み込んだ油圧アクチュエータ、すなわちより早いサイクルで動き、同等の加力を有する従来技術の装置に勝る油圧シリンダーの効果である。

本発明の油圧装置２０を図２−Ａ及び２−Ｂに例示する。基部２２は機械部品に固着されている。油圧シリンダー３０は、機械部品の操作部材を相互に動かす。油圧シリンダー３０は、基部２２に機械的に接していて、シリンダー３０の機械的作動の間基部２２に固定されているスリーブシリンダー３２を有する。スリーブシリンダー３２は、実質的に第二油圧用作動油チャンバ３４を区画する。スリーブシリンダー３２はさらに、内部シリンダー３６を支えるための開口端を有し、また、閉口端３８も有する。内部シリンダー３６は、実質的にスリーブシリンダー３２の内側にあり、実質的に第一油圧用作動油チャンバ４０を区画する。内部シリンダー３６は（図２−Ｂに示す）伸長位置と（図２−Ａに示す）後退位置との間を移動できる。特に図２−Ｂに示すように、第一及び第二油圧用作動油チャンバ３４、４０を油圧用作動油で加圧すると、内部シリンダー３６は伸長位置に移動しパワーストロークを生ずる。

油圧ピストンロッドアセンブリ４２はスリーブシリンダー３２と内部シリンダー３６で支えられている。ピストンロッドアセンブリ４２は、実質的にスリーブシリンダー３２の内側にあるピストンロッド４４と、実質的にスリーブシリンダーの内側にあるピストンキャップ４６を有する。ピストンロッド４４の連結端は、ピストンキャップ４６の反対側、スリーブシリンダー３２の閉口端３８に装着されており、シリンダーの作動中、基部２２とスリーブシリンダー３２の間に固定されている。インナー部５０は実質的に第三作動油チャンバとして区画され、ピストンキャップ４６と内部シリンダー３６内のロッドシールグランド５６の間の容積として区画される。本発明の内部シリンダー３６は、ピストンキャップ４６を支持するための閉口端５２及び開口端５４を具備する。ロッドシールグランドすなわちシリンダーシール５６は開口端５４を密閉するために設けられている。シリンダーシール５６はピストンロッド４４を収容するための隙間を有する。このように、好ましい実施形態では、スリーブシリンダー３２とスリーブシリンダーの閉口端３８及びシリンダーシール５６により囲まれた容積は第二油圧用作動油チャンバ３４を区画する。内部シリンダーの閉口端５２とピストンキャップ４６により囲まれた容積は第一油圧用作動油チャンバ４０を区画する。シリンダーシール６６とピストンキャップ４６に囲まれた容積はインナー部５０を区画する。インナー部５０は油圧用作動油により加圧され、スリーブシリンダー３２と内部シリンダー３６を後退位置に移動させ、それにより、第二パワーストロークを生ずる。このように、本発明のシステムは、従来型の装置で取得できる動力より多くの動力を生ずる「インナースコーピング」シリンダー配列を設ける。

＜質量保存分析＞
ここで、本発明の装置の作動の基本を、油圧装置の分野で通常行われているように、質量保存分析の方法で説明する。従来の単一シリンダー配列において、シリンダー圧力Ｐとピストンキャップの面積Ａの積は、ピストンの総合力Ｆになる。

ピストンの速度Ｖは、

であり、Ｑは油圧作動油の容積流量率である。

「搬送時間」すなわちピストンのサイクル時間Ｃは、

であり、Ｌはピストンアームの長さである。

本発明の装置の質量保存分析では、まず次のことを前提とする。

ここで、Ａ_C-1とＡ_C-2はそれぞれ、インナースコーピング・シリンダーに対応するそれぞれのチャンバ３４及び４０の実効面積を指し、Ｑ_１とＱ_２はそれぞれ、第一及び第二油圧用作動油チャンバ３４、４０の各容積流量率を指す。従って、シリンダー２０及び３０の総合力は以下となる。

しかし、第二油圧用作動油チャンバ３４内にピストンロッド４４があるので、第二油圧用作動油チャンバ３４と第一油圧用作動油チャンバ４０の容積流量率が異なり、ピストン速度に影響を及ぼすであろう。第一及び第二油圧用作動油チャンバ３４、４０の容積流量率Ｑ_１とＱ_２はそれぞれ次のように表される。

ここで、Ａ_Cはピストンキャップ４６の総面積であり、Ａ_Rはピストンロッド４４の断面積である。両チャンバ３４及び４０が同時に満ちているため、最小容積流量率Ｑ_１が最大ピストン速度を決定づけ、その一方、もう一つの容積流量率Ｑ_２によって、第一チャンバ４０の拡張によりできた第二チャンバ３４の空間が満たされるだろう。ピストン速度を解くための上記方程式を用い、以下を求める。

従って、得られる本発明の装置のサイクル時間は以下の通りである。

結果的に、従来の装置と本発明の装置により得られる最大力は次のように比較できる。

この二つの装置の相違点は、加圧された油圧用作動油が作用し得る本発明のシリンダーに追加された領域の結果であり、従って、本発明の装置の場合さらに大きな動力を結果として生じるのである。スリーブシリンダー３２と同じ支持部に装着されており固定されたピストンを用いることにより、第一油圧用作動油チャンバ４０は、その均等且つ相反する反動力を、第一シリンダーの作動油のかわりに主支持部に送り返すことができる。第二チャンバ３４内の作動油が支持部に直接作用することで、加力と正反対にその作動油を使用できる。しかしながら、本発明の油圧シリンダーの動力の利点は、固定されたピストンのロッドの直径によって決まる。というのも、これが第二チャンバ３４内の高圧作動油を収容できる容積に直接影響するからである。このため、その動力は、ロッドの断面積が減少可能なので、比率２に接近するだけである。両装置の油圧ポンプから得られる圧力は同等である。軸動力と作動地点は同じであるが、本発明のシリンダーはさらに大きな動力を生成するであろう。

単一速度、単一動力モードを図２−Ｂに示す。本発明の油圧装置２０はまた、第一及び第二チャンバ３４、４０に油圧作動的に連結するための作動油連結部６０を有する。第二作動油連結部６２は、インナー部５０に油圧作動的に連結するために設けられている。油圧供給装置は、第一作動油連結部６０及び第二作動油連結部６２のうち一つを交互に加圧しながら、第一作動油連結部６０及び第二作動油連結部６２のもう一方を開放して、内部シリンダー、スリーブシリンダー及びインナー部を伸長位置と後退位置の間で効果的に移動させるために設けられている。油圧供給装置は、作動油連結部６０、６２のそれぞれを加圧するための油圧ポンプ６４を有する。作動油リザーバ６６は、各作動油連結部６０、６２のそれぞれを開放するために設けられている。油圧バルブ６８は、ポンプ６４とタンク６６の間で各作動油連結部６０、６２のそれぞれを交互に切り替えるために使用される。油圧バルブ６８は、オハイオ州エリリアのパーカーハネフィン社油圧バルブ事業部（the Hydraulic Valve Division）が販売するシリーズＤ３Ｗバルブのような切替弁であることが望ましい。油圧バルブ６８は、第一作動油連結部６０と油圧ポンプ６４を連結し第二作動油連結部６２と作動油リザーバ６６を連結するための第一操作位置を含む。油圧バルブ６８はまた、第一作動油連結部６０と作動油リザーバ６６を連結し、第二作動油連結部６２と油圧ポンプ６４を連結するための第二操作位置を有する。上述のように、従来の装置が内部シリンダーと同等サイズの場合、本発明のシリンダーは実質的に、従来の装置に比べ２倍の最大動力を生成することが可能である。

例示の実施形態として図２−Ｂに示す、単一速度、単一動力モードの場合、第一及び第二作動油チャンバ３４、４０が同時に加圧される間、本発明の装置のインナー部５０から油圧用作動油がタンク６６に放出されている。最大伸長位置で、バルブ６８が切り替わって、インナー部５０を高圧作動油で満たされるようにし、第一及び第二作動油チャンバ３４、４０をタンク６６に開放させることができる。図２−Ｂに示すように、単一速度、単一動力モードにおいて、本発明の装置は、「インナースコーピング・シリンダー」のサイズを小さくしてさらなる速度及び動力の利点をもたせることで、シリンダーが従来のシリンダーとして、また本発明型の「インナースコーピング・シリンダー」として作動できるように構成されてもよい。

本発明のさらに別の実施形態では、二段変速、二段変力モードが図３に示されている。第一及び第二作動油チャンバ４０、３４の加圧を制御するために弁配列が設けられている。第一速度、第一動力作動において、ポンプ６４からの高圧作動油は、バルブ６８を経て第一作動油連結部ライン６０に移動して、第一作動油チャンバ４０に圧力を供給し、これにより、作動油をタンクからチェックバルブを経て受動的に吸引する陰圧を第二チャンバ３４内に生成する。作動油ライン６０内に位置するのはシーケンスバルブ７０である。このシーケンスバルブ７０は、作動油がある既定圧に達すると加圧された注入ラインを移動できるようにする。図４に示すように、シーケンスバルブ７０は、図４の点ラインで示されている圧送を通して装置の現在の圧力を監視する。注入圧力が所定のバルブよりも大きくなった時、装置はバルブ（横矢印の方向）に入る作動油を第二作動油チャンバ３４に搬送する。シーケンスバルブ７０はこのように、すでに作動油で受動的に満たされた第二チャンバ３４を加圧して、「第二速度、第二動力」を生成するための第二作動可能状態を区画する。ここで、ポンプ６４が第二チャンバ３４及び第一チャンバ４０を同時に満たす。ポンプ６４が第一チャンバ４０を加圧すると、シリンダーの速度及び動力は内部シリンダー３６の領域と同じになり、第一速度、第一動力を生成する。しかし、シーケンスバルブ７０が切り替わり作動油チャンバ３４を加圧するので、ポンプ６４はここで、チャンバ４０及び３４を同時に加圧し、ピストン速度はチャンバ４０及び３４の領域にまで減少する。こうして速度は減少するが、動力は倍増する。シリンダー３６が最大伸長に達すると、バルブ６８が切り替わって、インナー部５０が加圧され後退し、第一チャンバ４０及び第二チャンバ３４をタンク６６に開放することができる。このようなタイプの弁配列は、シリンダーを減少した速度で従来のシリンダーの２倍の動力で作動できるようにする。あるいは「インナースコーピング・シリンダー」のサイズを小さくして同じ動力ながらより速い速度率でシリンダーを操作することができる。

図５−Ａ、５−Ｂ、５−Ｃ、５−Ｄ及び５−Ｅに複数のシリンダーポート配列を示す。「インナースコーピング・シリンダー」には、加圧時にシリンダーを伸長させるかあるいは後退させる作動油チャンバが３つある。図５−Ａ、５−Ｂ、５−Ｃ、５−Ｄ及び５−Ｅに示すように、油圧用作動油をスリーブシリンダー３２に送入するために、油圧用作動油チャンバポート８０が形成されている。油圧用作動油を内部シリンダー３６に送入するための第二油圧用作動油チャンバポート８２が形成されている。第三油圧用作動油チャンバポート８８は、インナー部チャンバ５０に油圧用作動油を送入するために形成されており、次に示すような複数の配列を有する。

図５−Ａ、５−Ｂ、５−Ｃ及び５−Ｄに示すように、閉口端３８付近のスリーブシリンダー３２に作動油ポート８０が形成されている。あるいは図５−Eに示すように、作動油ポート８０は基部２２に形成されていてもよい。

図５−Ａ及び５−Ｂに示すように、作動油ポート８２は閉口端５２付近の内部シリンダーに形成され、あるいは、図５−Ｃ、５−Ｄ及び５−Ｅに示すように、基部２２の搬送路やロッド４２内の作動油搬送路を通して形成されている。

図５−Ａ及び５−Ｃに示すように、開口端付近のスリーブシリンダー３２に作動油ポート８８が形成されている。シリンダーシール５６付近の内部シリンダー３６にあるこのねじ穴つきの作動油ポートにより、作動油がインナー部チャンバ５０に入ることが可能となる。あるいは、図５−Ｂ、図５−Ｄ及び５−Ｅに示すように、作動油ポート８８は、基部２２の搬送路やロッド４２内の作動油搬送路を通して形成される。ロッド４２内の作動油搬送路はピストン４６で遮断される。

図５−Ｂ、図５−Ｄ及び５−Ｅに示すように、作動油ポート８２が基部２２の中に形成された場合、内部シリンダー３６とスリーブシリンダー３２の開口端の間に軸シールを設ける必要はない。このため、この時点で高圧作動油は存在しないので、「インナースコーピング・シリンダー」は軸受を必要とするだけである。従って、油圧オイルがピストンシール５６を超えて漏洩した場合にタンク６６に放出できるように、同時に、排出ポート８９を経て作動油を前後に送入することにより、スリーブシリンダー３２と内部シリンダー３６の間の空間の圧力を高めずまた真空も作らないようにするために、排出ポート８９は開口端付近のスリーブシリンダー３２に形成される。これによって、シリンダーシールと軸受を滑らかにする。

もちろん、上述のポートのいかなる組み合わせや配置は、これら両方あるいはそれぞれにおいて、本発明の実施形態の範囲内であり、本発明の趣旨を逸脱することなく考慮され得ることはいうまでもない。

要約すれば、本発明の油圧シリンダーの作動には、油圧シリンダーを伸長位置に移動させるための第一及び第二チャンバを加圧することが含まれる。インナー部はその後加圧され第一及び第二チャンバを開放してシリンダーを後退位置に移動させる。第一及び第二チャンバを加圧するステップは、インナー部の開放をもたらす。第一及び第二チャンバを加圧し、インナー部を加圧するこれらのステップは、無制限に繰り返され、機械部品に動力を送る。第一及び第二チャンバを加圧するステップには、第一作動油連結部を介して第一及び第二チャンバを油圧作動的に連結するステップがある。インナー部を加圧するステップには、第二作動油連結部を介してインナー部を油圧作動的に連結するステップがある。第一及び第二作動油連結部が交互に加圧されながら、第一及び第二作動油連結部のもう一方を開放して、内部シリンダーを伸長位置と後退位置の間で効果的に移動させる。また別の実施形態において、第一及び第二チャンバを加圧するステップには、油圧ポンプによる第一チャンバの加圧がある。このように、第一チャンバは第二チャンバ内を真空にして、作動油リザーバから作動油を吸引する。既定圧にすると、第二チャンバを油圧ポンプに連結することにより第二チャンバが加圧されるように、第一チャンバ内の既定圧が検出される。

本発明の装置の弁配列に関する他の実施形態がない場合、本発明のシリンダーは、（ピストンロッドの直径によって決まる）従来の装置のほぼ１００％あるいはそれ以上の動力を生成することができる。しかしながら、今日の多くの用途では、全体的な装置及び回路の重量を減らすためにできるだけ軽量な油圧装置が求められている。本発明のシリンダーはこのように増大した動力を生成するので、従来の装置と同等の動力出力に匹敵するようにシリンダーを小型化することができる。同時に、小型化することで、ポンプからの高圧作動油を収容するのに必要な容積が減少し、ピストンの速度が更に上がることになる。さらに、これを達成するために装置全体が小型化されるので、シリンダーの材料、ピストンの材料及び油圧用作動油の軽量化が実現される。

図６は同じ動力出力における従来の装置と本発明の装置を比較したものである。従属変数軸上の装置重量比Wsは次のように定義できる。

ここでW_Iはインナースコーピング装置の重量であり、W_Cは従来の装置の重量である。このように、一定の所望の動力出力において、要求を満たすのに必要な材料や作動油の減少により、本発明の装置は従来の装置より軽くなるだろう。また、このグラフは、ロッド直径とキャップ直径の内部積分変数を用いて、本発明の装置のサイズ設定を可能とする。本発明のシリンダーのサイズを再設定できることに加え、追加された弁の実施形態は、本発明の装置からの従来の速度よりも早い速度を考慮に入れたものである。従って、本発明の油圧装置は、これまでにない独特の方法によるシリンダー操作を可能とする。このシリンダーは、適切な弁調節を有し、従来の装置の性能に匹敵する能力を持つとともに、必要に応じその最大加力能力を超える。さらに軽量な油圧シリンダーが必要であれば、従来の装置を軽くしたときと同じ結果を得られるように、インナースコーピング・シリンダーのサイズを縮小してもよい。これらの利点に鑑み、インナースコーピング・シリンダーは油圧シリンダーを必要とする現在の機械や装置の柔軟性と機能性を増加させる。

「三段変速」油圧シリンダー装置１００を示す、さらに別の実施形態を図７に示す。他の実施形態と同じく、インナースコーピング・シリンダー１１０が設けられており、上述のように、インナースコーピング・シリンダーは、第一作動油チャンバ１１２とインナー部１１４及び第二チャンバ１１６を有する。

第一速度モード
四方弁１２０は、例えば右から左へ動き、ポンプ１２２から第一作動油ライン１２４への流れを可能にし、そして、第二作動油ライン１２６からリザーバ１２８への流れを可能にする。加圧された油圧用作動油は、第一作動油ライン１２４を通って二方弁１３０を経て、（実質的に内部シリンダーの内側に形成された）第一作動油チャンバ１１２へと流れる。好ましい実施形態における二方弁は、オハイオ州エリリアのパーカーハネフィン社が販売する型のシリーズＤＳＨ０８２一方通行弁である。第一チャンバ１１２を加圧すると、内部シリンダーが（図７に示すように左から右へと）動く。この内部シリンダーの動きにより、インナー部１１４の圧力が高まる。インナー部１１４の作動油は（図示される）スリーブシリンダーのポートを経て放出され、第二作動油ライン１２６を流れ四方弁１２０へ戻り、そしてリザーバ１２８へと下がる。同時に内部シリンダーのこの動きにより（実質的にスリーブシリンダーの内側に形成された）第二作動油チャンバ１１６に陰圧が形成される。この陰圧によって、作動油はリザーバ１２８から第一チェックバルブ１４０を経て第二作動油チャンバ１１６へと吸引される。この「第一速度」操作モードにおいて、（内部シリンダーの領域に比例した）動力が第一シーケンスバルブ１３２の１０％設定以下を維持した場合、第二チャンバ１１６への受動的流れは上述のように全ストロークを通して続くだろう。しかしながら、内部シリンダーに対するこの動力が、装置圧力を１０％設定以上に上昇させるものである場合、「第二速度」モードの操作が可能となる。

第二速度モード
装置圧力が第一シーケンスバルブ１３２の１０％設定に達すると、バルブ１３２は開放位置に切り替わり、それにより、加圧流体が第二作動油チャンバ１１６に流れる。同時にこの作動油ラインの分岐にそった圧力により、一方通行弁１３０が右へと移動して、第一作動油チャンバ１１２へのポートを閉じる。第二チャンバ１１６の圧力は内部シリンダーに動力を加え、それにより油圧シリンダー１１０を図に示すように右へと伸長させる。この時点で、第一チャンバ１１２は加圧されておらず、従って陰圧を吸引する。この陰圧により、作動油はリザーバ１２８から第一チャンバ１１２へ、第二チェックバルブ１４２を経て、吸引される。「第二速度」操作モードにおいて、インナー部１１４は「第一速度」モードのように、タンク１２８に開放し続ける。第二シーケンスバルブ１３４が設けられている。第二シーケンスバルブ１３４で検知される装置圧力が所定の１０％設定以下である限り、作動油は、全ストロークを通してこの圧力レベルで第二チャンバ１１６に流れ続けるだろう。装置圧力が第一シーケンスバルブ１３２の１０％設定以下に落ちると、バルブは上述の操作をリバースし装置が第一速度モードに戻ることは、いうまでもない。

第三速度モード
「第二速度」モードで、（スリーブシリンダーの領域に比例した）動力により、装置圧力が第二シーケンスバルブ１３４の１０％設定以上に上昇すると、バルブ１３４が開放位置に切り替わる一方、第一シーケンスバルブ１３２は開いたままであるが、一方通行弁１３０は閉じたままである。加圧流体は第二シーケンスバルブ１３４を経て実質的に内部シリンダーの内側に位置する第一チャンバ１１２へと流れ続けるが、実質的にスリーブシリンダーの内側に位置する第二チャンバ１１６へも流れ続ける。装置圧力が第二シーケンスバルブ１３４の設定以下に落ちたときはいつでも、バルブは操作をリバースし装置が「第二速度」モードに戻ることは、いうまでもない。

ストロークの最後でシリンダーを後退させるために、四方弁１２０が左から右へと移動することで流量の方向が変わり、第一作動油ライン１２４がリザーバ１２８に連結され、第二作動油ライン１２６がポンプ１２２に連結される。これにより、内部シリンダーの内側に位置するインナー部１１４に加圧流体が供給される。この圧力は、スリーブピストン、ロッドシールグランド及び内部シリンダー固定ピストンに対してかけられた圧力により生じた動きによって消散する。装置のバルブに対する圧力が不足すると、バルブは元の位置に戻る。四方弁１３０が開くと、作動油は四方弁ポートを経てタンクへと逆流する。第二チャンバ１１６内の作動油は第三チェックバルブ１４４を経由し、タンク１２８へと戻る。これはシリンダーが完全に後退位置に達するまで続き、シリンダーが完全に後退位置に達した時、次のサイクルでプロセスが再開される。

上述のように、本発明のインナースコーピング・シリンダーにより、自動車の自動変速装置のような働きをする油圧シリンダーは、作業負荷が増加すると高速に切り替わり、作業負荷が軽減すると低速に切り替わることができる。各速度モードにおけるシリンダーの速度は従来の等面積のシリンダーと同じである。例えば、本発明の実施形態によるシリンダーにおいて、内部シリンダーは直径３インチで、スリーブシリンダーの直径は５インチである。第一速度モードでは、速度と動力は３インチの従来のシリンダーと同等の速度及び動力であろう。第二速度モードでは、速度と動力は５インチの従来のシリンダーと同等の速度及び動力だが、ピストンロッドの面積は従来のシリンダーより小さい。第三速度モードでは、速度と動力は直径３インチのシリンダーと直径５インチのシリンダーを足した面積と同じ面積の従来のシリンダーに見られる速度及び動力と同じだが、ロッドの面積は従来のシリンダーより小さい。従って、作業負荷が増えたときの「ギア変換」処理において、第一速度モードは３インチのシリンダーの速度及び動力に相当し、一方、第二速度への変速は５インチシリンダーに相当し、第三速度への変速は直径８インチのシリンダーへと増大する。このように、本発明の装置は他の公知の油圧装置に比べ多様な利点を提供する。

上述のように、本発明は従来型の装置に関わる問題を解決するだろう。しかしながら、本発明の本質を説明するためにここで記述され図示されている詳細な説明や、材料、部品の配列などに対する様々な変更が、本発明の本質と範囲内で、当業者によりなされ、添付の特許請求事項の範囲で説明されることはいうまでもない。

従来の油圧ピストン設計を示す。本発明の、後退位置における作動中の油圧シリンダーを示す。本発明の、伸長位置における作動中の油圧シリンダーを示す、「単一速度・単一動力操作モード」構成の、別の実施形態を示す。弁配列を含む、本発明の装置の「二段変速・二段変力の操作モード」構成の、別の実施形態を示す。図３に示す実施形態で使用されるシーケンスバルブを示す。本発明の油圧シリンダーの、代替実施形態を示す。本発明の油圧シリンダーの、代替実施形態を示す。本発明の油圧シリンダーの、代替実施形態を示す。本発明の油圧シリンダーの、代替実施形態を示す。本発明の油圧シリンダーの、代替実施形態を示す。本発明の装置で取得可能な軽量化と出力機能との比を示すグラフである。本発明の油圧装置の「三段変速・三段変力操作モード」構成の、さらに別の実施形態を示す。

Claims

伸長位置と後退位置の間に固定され、第二油圧用作動油チャンバを区画するスリーブシリンダーと、前記スリーブシリンダーの内側にあって、第一油圧用作動油チャンバを区画する内部シリンダーと、
前記スリーブシリンダーの内側にあるピストンロッドおよび前記内部シリンダーの内側にあるピストンキャップを有するピストンと、前記ピストンキャップおよび内部シリンダーのピストンロッドシールグランドの間に区画され、油圧用作動油で満たされるとスリーブシリンダー及び内部シリンダーを後退位置に移動させ、それにより第二動力行程を生ずるように構成されたインナー部と、
前記第一及び第二チャンバに油圧作動的に連結するための第一作動油連結部と、
前記インナー部に油圧作動的に連結するための第二作動油連結部と、
前記内部シリンダーを伸長位置と後退位置の間で効果的に移動させるために、前記第一及び第二作動油連結部のうち一方を交互に加圧しながら前記第一及び第二作動油連結部のもう一方を開放するための油圧装置と、
前記第一作動油連結部が、第一チャンバの既定圧を検出するための、そして前記既定圧を検出すると前記第二のチャンバを加圧するために前記バルブを開くための、作動可能状態を含むシーケンスバルブと、
を具備し、
前記内部シリンダーが、第一あるいは第二作動油チャンバを油圧用作動油で満たすと伸長位置に移動して動力行程を生ずるように構成された、油圧シリンダー。
前記油圧装置が、前記各作動油連結部を加圧するための油圧ポンプと、
各作動油連結部を開放するための作動油リザーバと、
前記ポンプと前記タンクの間で前記各作動油連結部をそれぞれ切り替えるための油圧バルブと、
を具備する、請求項１記載の油圧シリンダー。
前記油圧バルブが、
前記油圧ポンプに前記第一作動油連結部を連結し、前記作動油リザーバに前記第二の作動油連結部を連結するための第一操作位置と、
前記作動油リザーバに前記第一作動油連結部を連結し、前記油圧ポンプに前記第二の作動油連結部を連結するための第二操作位置と、
をさらに有する、請求項２記載の油圧シリンダー。
前記スリーブシリンダーが、機械部品に作動可能に接して相互に前記内部シリンダーを動かす基部を含む、請求項１記載の油圧シリンダー。
機械部品に作動可能に接し、前記機械部品に機械力を送るための基部と、
前記機械部品を相互に動かすための油圧シリンダーと、
を具備し、前記油圧シリンダーが、
前記基部に機械的に接し、伸長位置と後退位置の間に固定されて、第二油圧用作動油チャンバを区画するためのスリーブシリンダーと、
前記スリーブシリンダーの内側にあり、第一油圧用作動油チャンバを区画するための内部シリンダーと、
前記スリーブシリンダーの内側にあるピストンロッドおよび前記内部シリンダーの内側にあるピストンキャップを有するピストンと、
前記ピストンキャップおよび前記内部シリンダーの内部の間に区画されるインナー部と、
前記第一及び第二チャンバに油圧作動的に連結するための第一作動油連結部と、
前記インナー部に油圧作動的に連結するための第二作動油連結部と、
前記内部シリンダーを伸長位置と後退位置の間で効果的に移動させるために、前記第一及び第二作動油連結部のうち一方を交互に加圧しながら前記第一及び第二作動油連結部のもう一方を開放するための油圧装置と、
を具備し、
前記第一作動油連結部が、
作動油を吸引するために、第一チャンバを加圧して前記第二チャンバに陰圧を生成するための第一作動可能状態と、
前記第一チャンバ内に既定圧を検出するための、そして前記既定圧を検出すると前記第二のチャンバを加圧するためにバルブを開くための、第二作動可能状態と、
を含むシーケンスバルブを具備し、
前記内部シリンダーが、前記第一及び第二油圧チャンバを作動油で加圧すると伸長位置へと移動して第一の動力行程を生ずるように構成されていて、
前記インナー部が、作動油で加圧されると前記スリーブシリンダーと内部シリンダーを後退位置に移動させ、それにより、第二の動力工程を生ずるように構成されている、油圧装置。
前記油圧装置が、
各作動油連結部を加圧するための油圧ポンプと、
各作動油連結部を開放するための作動油リザーバと、
前記ポンプと前記タンクの間で前記各作動油連結部をそれぞれ切り替えるための油圧バルブと、
を有する、請求項５記載の油圧装置。
前記油圧バルブが、
前記油圧ポンプに前記第一作動油連結部を連結し、前記作動油リザーバに前記第二の作動油連結部を連結するための第一操作位置と、
前記作動油リザーバに前記第一作動油連結部を連結し、前記油圧ポンプに前記第二の作動油連結部を連結するための第二操作位置と、
をさらに有する、請求項６記載の油圧装置。
前記第一作動油連結部が、前記第一及び第二チャンバの少なくとも一方を選択的に加圧するための弁装置を具備して、可変動力油圧シリンダーを設けるようにした請求項５記載の油圧装置。
前記弁装置が、前記第一及び第二作動油ラインのうち一方に加圧流体をそれぞれ送入し、前記第一及び第二作動油ラインのうちもう一方からの還元流体を送入するように選択的に作動可能な四方弁と、を具備する請求項８記載の油圧装置。
加圧流体を前記第一作動油チャンバに第一速度モードで送入し、内部シリンダーを移動させ、それにより前記第二チャンバ内に陰圧を生成して第一チェックバルブを開き、その中に受動的に作動油を吸引するために前記第一作動油ラインに設けられた二方弁を、前記第一作動油ラインにさらに具備する請求項９記載の油圧装置。
第一既定装置圧を検知して、前記第一速度モードで開いて加圧流体を前記第二作動油チャンバに送入する一方前記二方弁を閉じるための、そして前記第二チャンバに作動油を移送して第二速度モードを生成するためのシーケンスバルブを、前記第一作動油ラインにさらに具備する、請求項１０記載の油圧装置。
前記弁装置が、第二既定装置圧を検知して第三速度モードで開いて加圧流体を前記第一及び第二作動油チャンバに送入するための第二シーケンスバルブを、前記第一作動油ラインにさらに具備する、請求項１１記載の油圧装置。
前記スリーブシリンダーが、前記内部シリンダーを支えるスリーブシリンダー開口端と、前記ピストンロッドの連結端を取り付けるためのスリーブシリンダー閉口端をさらに具備し、
前記内部シリンダーが、前記ピストンキャップを支える内部シリンダー閉口端及び内部シリンダー開口端を具備し、さらに前記内部シリンダー開口端を密閉するためのシリンダーシールを具備し、前記シールが前記ピストンロッドを収容するための隙間を有し、
前記スリーブシリンダーと前記スリーブシリンダー閉口端と前記シリンダーシールに囲まれた容積が前記第二油圧用作動油チャンバを区画し、
前記内部シリンダー閉口端と前記ピストンキャップに囲まれた容積が、前記第一油圧用作動油チャンバを区画し、
前記シリンダーシールと、前記ピストンキャップに囲まれた容積が、前記インナー部を区画する、請求項５記載の油圧装置。
油圧用作動油を送入し、前記スリーブシリンダー及び前記スリーブシリンダー閉口端のうち一つに形成される第二油圧用作動油チャンバポートをさらに具備する、請求項１３記載の油圧装置。
油圧用作動油を送入し、前記内部シリンダー閉口端付近の前記内部シリンダー及び前記ピストンロッドの中に形成された作動油搬送路のうち一つに形成される第一油圧用作動油チャンバポートをさらに具備する、請求項１３記載の油圧装置。
油圧用作動油を送入し、前記ピストンロッドの中に形成された作動油搬送路に形成されたインナー部ポートをさらに具備する、請求項１３記載の油圧装置。
前記内部シリンダーに作動油シールを設けるための前記スリーブシリンダー開口端付近にある軸シールと、
油圧用作動油を送入し、前記軸シール付近の前記スリーブシリンダーに形成されたインナー部ポートと、
油圧用作動油を送入し、前記シリンダーシール付近の前記内部シリンダーに形成された第二インナー部ポートと、
をさらに具備する、請求項１３記載の油圧装置。
機械部品に作動可能に接し、前記機械部品に機械力を送るための基部と、
前記機械部品を相互に動かすための油圧シリンダーと、
を具備し、前記油圧シリンダーが、
前記基部に機械的に接し、伸長位置と後退位置の間に固定されて、第二油圧用作動油チャンバを区画するためのスリーブシリンダーと、
前記スリーブシリンダーの内側にあり、実質的に第一油圧用作動油チャンバを区画するための内部シリンダーと、
前記スリーブシリンダーの内側にあるピストンロッドおよび前記内部シリンダーの内側にあるピストンキャップを有するピストンと、
前記ピストンキャップおよび前記内部シリンダーの内部との間に区画されるインナー部と、
前記第一及び第二チャンバに油圧作動的に連結するための第一作動油連結部と、
前記インナー部に油圧作動的に連結するための第二作動油連結部と、
前記内部シリンダーを伸長位置と後退位置の間で効果的に移動させるために、前記第一及び第二作動油連結部のうち一方を交互に加圧しながら前記第一及び第二作動油連結部のもう一方を開放するための油圧装置と、
前記第一作動油連結部が、前記第一及び第二チャンバの少なくとも一方を選択的に加圧するための弁装置と、
を具備し、前記弁装置が、前記第一及び第二作動油ラインのうち一方に加圧流体をそれぞれ送入し、前記第一及び第二作動油ラインのうちもう一方からの還元流体を送入するように選択的に作動可能な四方弁と、
加圧流体を前記第一作動油チャンバに第一速度モードで送入し、内部シリンダーを移動させ、それにより前記第二チャンバ内に陰圧を生成して第一チェックバルブを開き、その中に受動的に作動油を吸引するために前記第一作動油ラインに設けられた二方弁と、
第一既定装置圧を検知して、前記第一速度モードで開いて加圧流体を前記第二作動油チャンバに送入する一方前記二方弁を閉じるための、そして前記第二チャンバに作動油を移送して第二速度モードを生成するために前記第一作動油ラインに設けられた油圧装置。
前記弁装置が、第二規定装置圧を検知して第三速度モードで開いて加圧流体を前記第一及び第二作動油チャンバに送入するための第二シーケンスバルブを、前記第一作動油ラインにさらに具備する、請求項１８記載の油圧装置。