Brevet FR2008801A1 — publié le 19700123

i 2008801 L'invention est relative à des perfectionnements aux = pompes et moteurs fonctionnant avec des fluides, L'invention concerne plus particulièrement, sous un de ses aspects, un moteur hydraulique perfectionné à haut rendement. 5 Un but de la présente invention est de prévoir une cons truction de moteur à fluide adaptée pour donner une puissance de sortie maximale pour des dimensions et un poids donnés. Un autre but de l'invention est de fournir une pompe ou un moteur à fluide dans lequel les parties en mouvement- sont, par 10 inhérence, équilibrées dynamiquement et dans lequel les jeux en fonctionnement entre les parties en mouvement et les parties fixes voisines sont maintenus par un équilibrage hydrostatique dans les zones des lumières ou ouvertures, sans exiger la mise en charge d'un ressort ou l'utilisation d'une pression auxiliaire. 15 Un autre but, encore, de l'invention est de fournir une pompe ou un moteur hydraulique dans lequel les parties soumises à la pression du fluide hydraulique peuvent être usinées facilement et économiquement aux faibles tolérances nécessaires pour minimiser les fuites et les diminutions de rendement. 2 0 Un but important est de fournir un moteur à fluide agencé pour fonctionner avec de faibles fuites tandis qu'on maintient un débit non réduit de fluide sous pression vers les éléments mis en action par le fluide. Un but également important est de prévoir un moteur à 25 fluide ayant un volume de fluide minimal de lumière à lumière qui réalise la largeur de bande maximum qu'on peut obtenir dans les applications aux servomécanismes. Pour atteindre les buts précédents, une caractéristique importante de l'invention se rapporte à l'utilisation d'une plura-30 lité de paires de billes poussées en sens opposés et agissant sur des chemins de butée opposés. Les paires de billes sont disposées dans des cylindres ménagés dans un bloc rotatif cylindrique ou rotor monté sur un arbre de sortie. Le fluide sous pression est délivré de manière à pousser sur les surfaces intérieures des 35 billes de manière à écarter les billes les unes des autres dans les cylindres et à les amener à un contact de roulement avec les chemins de butée qui ont des surfaces inclinées par rapport à un plan normal à l'axe de l'arbre et qui accomplissent la fonction de transformer le mouvement d'écartement des billes en une rotation 40 du bloc de cylindre et de l'arbre. 69 15997 2 200880! Une autre caractéristique de l'invention concerne un dispositif à orifices qui maintient- le rotor centré dans le châssis du moteur en appliquant une pression égale sur les deux faces du rotor, et qui maintient, de ce fait, des jeux de fonctionnement 5 minimaux et réduit d'une manière très sensible les forces qui s'exercent sur l'arbre de sortie et, par conséquent, sur les paliers. La nécessité d'un arbre de sortie de grand diamètre est également évitée par le fait que des forces hydrostatiques équilibrées sont appliquées, aux éléments qui reçoivent la pression, dans 10 une direction parallèle à l'axe et que le rotor est sensiblement libre de forces radiales. Les dispositifs à fluide, pompes et moteurs, selon l'invention, comportent un rotor ayant une pluralité de trous cylindri ques, une surface à orifices, pour ouvrir et fermer, et un passage 15 a fluide, associé à chacun desdits trous, s'étendant depuis chaque trou et se terminant à ladite surface à orifices, une paire de pistons à billes disposée à l'intérieur de chacun desdits trous et une plaque à lumières, ayant une surface à lumières, pour ouvrir et fermer, qui vient au contact de ladite surface à orifices du-2 0 dit rotor, les deux surfaces étant face à face l'une par rapport à l'autre, ladite plaque comportant une pluralité de passages à flui de s'étendant à travers elle et se terminant à la surface à lumières de ladite plaque, et ils sont caractérisés par le fait que les axes desdits trous sont parallèles à l'axe dudit rotor et que la- 2 5 dite surface â orifices dudit rotor est perpendiculaire à l'axe dudit rotor. Les précédents buts et caractéristiques de la présente invention et les nombreux avantages qui résultent de son emploi seront mieux compris à l'aide de la description détaillée, qui 3 0 suit, d'un mode de réalisation de l'invention et effectuée avec référence aux dessins ci-annexés. La fig. 1 de ces dessins est une vue en plan d'un moteur à fluide selon la présente invention. La fig. 2 est une vue en coupe verticale suivant 2-2, 35 fig. 1. ~ La fig. 3 est une vue en coupe horizontale suivant 3-3, fig. 1. La fig. 4- est une vue développée schématique illustrant l'action du .piston, à bille pendant un 'seul tour de l'arbre de 40 sortie. -, 0H1Q1HAL1 ' ... è 69 15997 3 200880T La fig. 5 est une vue semblable à la fig. 4, mais représentant l'admission du fluide dans le rotor et son échappement dudit rotor. La fig. 6, enfin, est une représentation graphique à une 5 échelle arbitraire ncn linéair-- de la près sien du fluide pour différentes positions angulaires au cours d'une révolution de l'arbre de sortie. En se reportant maintenant aux dessins, et en particulier aux fig. là 3, on voit qu'il est représenté un moteur établi con-10 fermement à l'invention et qui comprend un carter en plusieurs parties. Ce carter comporte un chapeau d'extrémité 10, une entretoise 12, un chapeau intermédiaire 14 et une plaque de montage 16. Le chapeau d'extrémité 10 et 1'entretoise 22 sont fixés au chapeau intermédiaire 1- j-.ir de? vis 10 qui traversent librement le cha-15 peau d'extrémité et l'ei.r; iteice et q»;i *ienner.t en prise avec des trous filetés pi-i vus dini 3e chareau intermédiaire. D'une manière analogue, la ria^ui de ^.jntage 16 e f: : -_e au chapeau intermédiaire 14 par des vis 20 traversant librement ladite plaque de montage et venant en prise, dans le chapeau intermédiaire, avec les 2 0 mêmes trous filetés que ceux avec lesquels les vis 15 viennent en prise. La mise en ligne du chapeau d'extrémité 10, de 1'entretoise 12 et du chapeau intermédiaire 14 est assurée par un manchon 22 dont le diamètre extérieur est usiné de manière qu'on obtienne un ajustage glissant dudit manchon dans les trois éléments. L'étan-25 chéité autour du manchon est obtenue par une paire de joints toriques (ou bagues 0) 24. Un autre joint torique 26 est prévu pour assurer l'étanchëité entre les faces du chapeau intermédiaire 14 et de la plaque de montage 16. Un trou 2C, servant de guide pour l'assemblage, est percé dans l'entretoise 12 de manière à recevoir 30 librement des pions de repérage 30 enfoncés dans le chapeau d'extrémité 10 et le chapeau intermédiaire 14. Le moteur, selon l'invention, est agencé pour tourner dans un sens quelconque par une simple inversion des conduits d'admissien et d'échappement comme on le verra. Toutefois, dans le but d'une 35 plus claire compréhension, l'arbre de sortie désigné par 32 sera supposé tourner dans le sens des aiguilles d'une montre lorsqu'on le voit comme sur la fig. 1. Dans ces conditions, un fluide sous pression est fourni à l'entrée 34 tandis qu'une canalisation de retour est reliée à la sortie 36. L'entrée 34 communique avec deux 40 collecteurs de pression 38 en forme de haricot et reliés entre - \ BAD ORIGINAL 69 15997 4 2008801 elles; la sortie 36, d'une manière semblable, est reliée à deux collecteurs de retour 40. La pression de fluide se traduit en une rotation de l'arbre de sortie 32 grâce à une pluralité de paires de billes ou de 5 pistons à billes poussés en sens opposés, lesdits pistons à billes ou'billes étant portés par un rotor 42 claveté sur l'arbre 32. Les paires de billes sont montées selon un ajustage glissant et de manière à être poussées vers l'extérieur, contre les faces inclinées angulairement de chemins de butée fixes 44 et 46 respective-10 ment extérieur et intérieur. Les chemins de butée 44 et 46 sont reçus respectivement dans des logements appropriés ménagés dans le chapeau d'extrémité 10 et dans le chapeau intermédiaire 14 et orientés angulairement par des pions 48 et 50. Dans un but de clarté, lors de la description du mouvement des billes sous l'effet de la 15 pression du fluide, chaque paire ou couple de billes, en partant de la partie supérieure de la."., ligne de coupe 2-2 (fig. 1), c'est-à-dire en partant de la position "midi" et en tournant dans le sens des aiguilles d'une montre quand on va de gauche à droite sur la fig. 4, a été identifié par un chiffre individuel de réfé-20 rence : 52, 54, 56, 58, 60, 62, 64, 66 et 68 respectivement. Des passages sont prévus dans le rotor 42 pour conduire le fluide sous pression sur les surfaces intérieures des paires ou couples de pistons à billes de manière à pousser les billes vers l'extérieur et à les écarter l'une de l'autre et de manière à faire retourner 25 le fluide au collecteur 40 lorsque les pistons à bil-les se déplacent l'un vers l'autre. Les lumières ou orifices 70, 72, 74, 76, 78, 80, 82, 84 et 86 sont associés respectivement aux couples de pistons à billes 52, 5M-, 56, 58, 60, 62, 64, 66 et 68.' Chaque ori^ fice est relié à l'espace compris entre les pistons à bille du 30 couple correspondant à cet orifice par un passage 88 incliné. Avant de décrire l'écoulement du fluide sous pression, le mouvement résultant des billes et la transformation de ce mouvement en rotation du rotor 42, certains détails supplémentaires sur la disposition des collecteurs et orifices, ainsi que les avantages 35 qui seront maintenant plus complètement appréciés, vont être expliqués. Pour la description qui suit, il faut d'abord noter qu'il y a deux collecteurs de pression 38 en forme de haricot, sensiblement en regard l'une de l'autre, une dans le chapeau d'extrémité 10 en communication directe avec l'entrée 34 et l'autre dans le chapeau 40 intermédiaire 14 en communication indirecte avec l'entrée 34 par ~ î _ original ^ i 6.9 15997 5 2008301 les orifices 70, 72, 74 et 76, comme montré sur les fig. 1 et 5, qui sont en communication avec la tubulure de pression dans le chapeau d'extrémité 10. Ainsi chaque orifice remplit une double fonction, à savoir, d'une part, de fournir un passage à l'espace 5 compris entre le couple correspondant de pistons à bille et, d'autre part, de relier entre elles les deux collecteurs 38 lorsque ledit orifice est en communication avec un collecteur, ce qui, de ce fait, maintient les deux collecteurs à des pressions égales à tout moment. Le résultat est que le rotor 42, qui est soumis à la 10 pression totale du fluide agissant sur des surfaces égales sur ses deux côtés, se trouve centré et équilibré hydrostatiquement et, puisque le rotor' est libre d'avoir un léger mouvement axial sur l'arbre.32, son jeu de fonctionnement, fourni par une différence d'épaisseur entre le rotor et 1'entretoise 12, est de moitié en 15 chacune des deux zones comprises entre deux faces, à savoir celle comprise entre le rotor et le chapeau d'extrémité 10 et celle comprise entre le rotor et le chapeau intermédiaire 14. L'équilibrage hydrostatique qui, de ce fait, est obtenu dans un moteur à fluide selon la présente invention offre deux avantages 20 importants. Tout d'abord, le jeu entre le rotor et les surfaces voisines des chapeaux 10 et 14 peut être contrôlé avec précision en prévoyant une différence spécifique entre les épaisseurs du rotor et de 1'entretoise 12, minimisant par ce moyen les fuites entre les faces. Lorsque le moteur est actionné par un fluide 25 hydraulique, l'équilibrage hydrostatique a pour effet supplémentaire, en maintenant le rotor centré entre les surfaces internes des chapeaux, d'assurer la présence d'une mince couche de fluide hydraulique ayant des qualités lubrifiantes et, de ce fait, de réduire le frottement et d'améliorer le rendement du moteur. 30 Afin d'empêcher les fuites de fluide depuis les tubulures de pression, à travers les orifices, vers les tubulures de retour, des barrières ou épaulements 90 et 92 sont prévus entre les extrémités des tubulures de chaque côté du rotor 42. L'épaulement 90 qui est traversé par la ligne 2-2, entre les orifices 70 et 86 sur la 35 fig. 1, consiste en une séparation, entre les extrémités supérieures des collecteurs 38 et 40, dont la largeur est légèrement plus grande que le diamètre des orifices 70 à 86 inclus. Les surfaces intérieures des épaulements 90 se trouvent dans les plans des chapeaux 10 et 14. Sur la fig. 5, les épaulements 90 sont montrés au 40 centre de la figure, tandis que les épaulements 92 sont montrés ën 69 15997 8 200880T deux parties séparées, aux extrémités de la figure mais, en fait, lesdits épaulements 92 sont également traversés par la ligne de coupe 2-2 et servent-à assurer l'étanchéité de l'orifice 78 comme montré sur la fig. 1. 5 Le fonctionnement du moteur va être maintenant décrit avec référence aux fig. 1 et H à 6, en supposant que le fluide sous pression est fourni à l'entrée 34 et, de l'entrée, aux collecteurs de pression 38, pour engendrer une rotation dans le sens des aiguilles d'une montre comme indiqué sur la fig. 1, ou de gauche à 10 droite comme on peut le voir sur les fig. 4 et 5. Lorsque le fluide sous pression est délivré à l'entrée 34, le rotor occupant la position montrée, le fluide traverse les orifices 70, 72, 74 et 7 6 pour se rendre dans les espaces compris entre les billes 52, 54, 56 et 58. En considérant par exemple les billes 52 qui se trouvent 15 dans leur position de rapprochement maximum, près du début de leur course motrice, on voit que ces billes 52 sont poussées vers l'extérieur par le fluide et que ce mouvement des billes 52 vers l'extérieur, sous l'influence du fluide, se poursuit jusqu'à ce qu'elles atteignent la position occupée par les billes 60. Le mouvement 20 vers l'extérieur des billes 52 se traduit, grâce à l'inclinaison des chemins de butée 44 et 46, en une rotation du rotor qui est couplé, par des clavettes, à l'arbre de sortie 32. La pression vers l'extérieur à laquelle les billes 52, 54, 56 et 58 sont soumises, à partir du moment où l'orifice 70 vient en communication avec le 25 collecteur 38 jusqu'à ce qu'elles atteignent la position occupée par les billes 60 où l'orifice 78 correspondant est isolé du collecteur 38 par les épaulements 90, est représentée en 94 sur la fig. 6 où une ligne en pointillé 96 représente la pression de traversée. Une plus basse valeur pour la pression de sortie 30 est montrée en 98. A l'instant qui correspond à la représentation des fig. 1, 4 et 5, les pistons à billes 52, 54, 56 et 58 sont poussés vers l'extérieur par le fluide sous pression et la somme de leurs pressions vers l'extérieur est transformée en une rotation du rotor par la composante, suivant la circonférence, de la 35 force de réaction contre le chemin de butée. Au même moment, les billes 60 sont rendues sans effet, puisque leur communication avec soit ]e collecteur de pression, soit 3ecollecteur de retour est coupée. Pour la même position du rotor, les'orifices respectifs 80, 82 , 84 et 86, étant en communication avec le collecteur de retour 40, 40 sont obligés, du fait de la rotation du rotor 42 et de la conver- 69 1599.7 7 2008801 gence des parties des chemins de butée avec lesquelles lesdites billes sont en contact, de revenir dans la position de rapprochement maximum qui est atteinte pour la position centrale la plus haute, comme visible sur la figure 1, position qui correspond à l'isole-5 ment des orifices considérés par 11épaulement 92. L'arbre 32 est monté à son extrémité intérieure, dans un palier à aiguilles 100 d'un côté du rotor 12 et, de l'autre côté du rotor dans un palier 102 à double rangée de billes. Lorsque le moteur doit être actionné par un fluide hydraulique sous haute pres-Xo sion, le fluide qui s'échappe sert à lubrifier les paliers. Des passages 104 et 106 sont prévus pour l'évacuation du fluide en excès. à partir des paliers 100 et 102 respectivement. En particulier le fluide qui s'échappe et qui lubrifie le palier 102 est maintenu dans le carter par un joint d'arbre 108. Le fluide qui s'échappe 15 est constitué par du fluide hydraulique qui n'atteint pas He collecteur de retour 40 et s'écoule, hors du carter, par un orifice de fuite 110. La rotation de l'arbre 32 a été décrite ci-dessus comme s'effectuant dans le sens des aiguilles d'une montre, comme visi-20 ble sur la figure 1. Ceci a été fait simplement dans un but de clarté puisqu'on a souligné que le rotor et l'arbre peuvent tourner dans une direction quelconque suivant que ctesfc l'aitrœ 34 eu la sortie 36 qui reçoit le fluide sous pression. Il apparaît immédiatement que, lorsque le fluide sous pression est relié à ce qui a été 25 appelé jusqu'ici la sortie 36, les billes 68, 66, 64 et 62 sont obligées de s'écarter sous l'action du fluide s'écoulant dans les espaces existant entre elles, depuis la tubulure 40 et au travers des orifices respectifs 86, 84, 82 et 80. A ce moment, les billes 60, dont l'orifice 78 est isolé ou bloqué par les épaulements 90, 30 sont sans effet, juste avant de commencer leur mouvement de retrait Au même moment les billes 58, 56, 54 et 52 se trouvent dans leur phase de rapprochement tandis que le fluide compris entre elles est évacué dans le collecteur 38 à travers les orifices respectifs 76, 74, 72 et 70. Non seulement on peut faire fonctionner le moteur 35 dans n'importe quel sens, mais on peut également inverser son sens de rotation à pleine vitesse dans un très bref intervalle de temps, sans provoquer de dommage. Fondamentalement, la raison de cette inversion rapide réside dans la masse tournante relativement faible en comparaison des masses tournantes des moteurs classiques à 40 débit semblable. La faible masse tournante permet de fortes accé- 15997 8 200880 T lèrations et décélérations. Pour les applications aux moteurs hydrauliques à grande vitesse dans lesquels le temps d'inversion est important, les performances du moteur sont améliorées en réduisant encore la masse des parties tournantes. Ceci peut être facilement réalisé en prévoyant un rotor 42 en alliage léger d'aluminium, par exemple. Les surfaces d'usure du rotor d'aluminium, les surfaces d'extrémité qui sont au contact des chapeaux 10 et 14, et les logements cylindriques pour les billes sont de préférence traités de manière à avoir une surface de finition d'oxyde d'aluminium dur. Pour réduire encore la masse tournante, on peut employer des bilfc creuses que l'on trouve dans le commerce. Pour les utilisations à des pressions très élevées, les surfaces des chemins 44 et 46 qui viennent au contact des billes, au lieu d'être plates, sont concaves de manière à établir entre le chemin et les billes une ligne de contact au lieu d'un point. Lorsque le moteur doit fonctionner avec un gaz comprimé, de l'air par exemple, à une pression habituellement beaucoup plus basse que dans le cas d'un fluide hydraulique, les parties servant au fonctionnement et le carter peuvent être réalisés en matière plastique telle qu'un polyamide du genre Nylon. Dans un tel cas, le rotor 42 et les chemins 44 et 46 peuvent être moulés et les billes peuvent être des billes de précision en Nylon que l'on trouve facilement dans le commerce. Un tel moteur peut être fabriqué en grandes quantités, à bas prix, n'exige pas de lubrification et, en raison de sa faible masse, fonctionne efficacement sous de faibles pressions de gaz. On a souligné que le dispositif selon l'invention peut servir non seulement comme un moteur mais aussi comme une pompe. Lorsque le dispositif est utilisé comme une pompe, le liquide est introduit par l'entrée à une faible pression légèrement au-dessus de la pression atmosphérique, par exemple à une pression de 1,7 -2 bars, dans le but d'écarter les billes et de les mettre en contact avec les chemins à partir de leurs positions relatives de plus grand rapprochement. Ainsi, en utilisant le présent dispositif comme une pompe, du liquide à faible pression est introduit par l'entrée 34 dans le collecteur 38. L'arbre 32 est entraîné dans le sens des aiguilles d'une montre, comme visible sur la figure 1. En se déplaçant de la position des orifices 70 à la position des orifices 78, les billes sont poussées vers l'extérieur contre les chemins, dans l'espace compris entre lesdits chemins et rempli 69 15997 9 2008801 par le fluide sous faible pression. Selon une variante, les billes peuvent être écartées et poussées contre les chemins, par des ressorts interposés. Comme le rotor tourne en entraînant les billes depuis la position de l'orifice 78 à la position de l'orifice 86, 5 les billes sont obligées de se rapprocher en raison de la convergence des. chemins et, de ce fait, compriment le fluide entre elles et débitent du liquide à très haute pression dans le collecteur 40 et à la sortie 36. Une autre variante, dans le domaine de l'invention, réside 10 en un simple changement de la structure de base dans le but de faire fonctionner le dispositif comme une pompe à volume déplacé par tour variable, c'est-à-dire à débit unitaire ou débit par tour variable. Jusqu'ici on a décrit le dispositif comme comprenant des chemins fixes 44 et 46 dont la forme va en s'évasant, chaque che-15 min ayant une surface fixe inclinée venant au contact des billes. Dans ces conditions, l'inclinaison est calculée de manière qu'il lui corresponde un mouvement axial légèrement inférieur au rayon des billes.Ebur transformer le dispositif en une pompe à volume déplacé variable, il est simplement nécessaire de prévoir un organe 20 mobile remplaçant chacun des chemins de butée 44 et 46, et de monter chaque organe de remplacement réglable angulairement entre un plan radial et une position correspondant à celle de la surface des chemins qui vient au contact des billes. La position angulaire des deux organes de remplacement peut être, alors, réglée simulta-25 nément au moyen de cames de réglage montées sur un arbre commun, par exemple. Ainsi, lorsque les surfaces des organes de remplacement venant au contact des billes se trouvent dans des plans normaux à l'axe de l'arbre, il n'y a plus de débit à la sortie de la pompe. A partir de cette position, les inclinaisons des surfaces 30 au contact des billes peuvent être augmentées, ce qui fait égale-menter le volume déplacé par tour ou le débit par tour jusqu'à un maximum atteint pour les positions des surfaces des chemins 44 et 46 au contact des billes. Une transmission hydraulique comprenant une pompe et un 35 moteur, dont l'un ou l'autre ou les deux sont agencés pour fonctionner à volume déplacé par tour variable, fait également partie du domaine de l'invention. Si la pompe et le moteur sont montés tous les deux dans le même carter, des rapports de vitesse réglables avec précision sur un large intervalle peuvent être obtenus en 40 utilisant un réglage commun pour l'inclinaison des chemins à la 15997 10 2008801 fois de la pompe et du rotor, La pompe est naturellement entraînée par un premier moteur, par exemple par un moteur électrique, et des passages sont prévus dans le carter pour transporter le fluide de la pompe au moteur. Comme il va de soi, et comme il résulte d'ailleurs déjà de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à ceux de ses modes d'application, non plus qu'à ceux des modes de réalisation de ses diverses parties, ayant été plus spécialement envisagés ; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes. 69 15997 ii 2008801 REVENDICATIONS 1. Dispositif à fluide du genre de ceux qui comprennent un rotor ayant une pluralité de trous cylindriques, une surface à orifices, pour ouvrir et fermer, et un passage à fluide, associé 5 à chacun desdits trous, s'étendant depuis chaque trou et se terminant à ladite surface à orifices, une paire de pistons à billes disposée à l'intérieur de chacun desdits trous et une plaque à lumières, ayant une surface à lumières pour ouvrir et fermer, qui vient au contact de ladite surface à orifices dudit rotor, 10 les deux surfaces étant face à face l'une par rapport à l'autre, ladite plaque comportant une pluralité de passages à fluide s'é-tendant à travers *elle et se teiminant à la surface à lumières de ladite plaque, ce dispositif étant caractérisé par le fait que les axes desdits trous sont parallèles à l'axe dudit rotor et que 15 ladite surface à orifices dudit rotor est perpendiculaire à l'axe dudit rotor. 2. Dispositif à fluide selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'une paire de chemins de butée est disposée sur les côtés dudit rotor, opposés axialement, et que chacun des- 20 dits chemins comprend une face axiale venant au contact d'un des susdits pistons. 3. Dispositif à fluide selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le rotor comprend une paire de surfaces à orifices, pour ouvrir et fermer, espacées axialement, et que le 25 passage, pour le fluide, dudit rotor, associé à chacun desdits trous comprend une première partie s*étendant à travers l'épaisseur axiale dudit rotor entre les surfaces à orifices dudit rotor et une seconde partie s'étendant de ladite première partie à chaque trou. BAD ORlGlHA>L