Brevet FR2118094A1 — publié le 19720728

L'invention concerne un cylindre moteur hydraulique ou pneumatique. De tels cylindres moteurs trouvent emploi pour convertir en travail mécanique l'énergie de l'agent de travail placé sous pression. Dans des cas déterminés d'utilisation, il est désirable que le piston prévu dans le cylindre moteur accomplisse d'abord une certaine course en marche accélérée, la demande de force à la tige du piston étant réduite, et qu'ensuite il puisse transmettre par déplacement relativement lent une force notablement plus grande. Un tel domaine d'utilisation concerne, par exemple, les dispositifs de serrage rapide des machines-outils. La force qui maintient l'ouvrage doit être considérablement supérieure à celle qui est nécessaire seulement pour vaincre le frottement pendant la marche d'aller et de retour des mâchoires.Un autre cas d'utilisation réside dans le domaine de l'entrainement des outils à matricer, estamper et emboutir. I1 est désirable, ici, que l'outil, dans sa course à vide, soit d'abord arrêté par des forces faibles et qu'une force élevée ne s'exerce à la tige de piston que pendant le travail de déformation proprement dit. En effet, si ltopérateur a encore sa main entre l'outil et l'ouvrage, tandis que l'outil se déplace, le freinage par la main suffit pour amener l'outil à l'arrêt, ce qui diminue le danger d'accident. Pour obtenir ce mode de fonctionnement, on a jusqu'ici conformé le cylindre de telle sorte que son piston présente une première surface de piston plus petite actionnée par pression de l'agent de travail pendant la course d'aller le long d'une course de marche accélérée, et une deuxième surface de piston plus grande actionnée pendant la course d'aller le long d'une course de travail, et que parallèlement au cylindre soit branché, pendant la marche accélérée, une dérivation de l'agent de travail, une soupape pilote commandant par commutation les étapes de travail individuelles. Un tel cylindre moteur peut par exemple comprendre un simple piston avec tige de piston. Trois modes de fonctionnement sont alors possibles: 1. le piston est actionné, des deux côtés, par pression de l'agent de travail. I1 se meut alors en direction de la tige de piston en marche accélérée, et seule la surface de la tige de piston F1 est efficace. La force fournie est faible. 2. Le piston est détendu du côté de la tige de piston. Toute la surface du piston F2 est alors efficace; la force développée est augmentée dans le rapport de la surface du piston à la surface de la tige de piston. Pour un débit d'agent de travail constant, le piston se meut bien entendu avec un ralentissement correspondant. 3. La surface du piston située du côté de la tige est actionnée par pression de médium, le côté opposé à la tige de piston est détendu. Le piston se meut en retour. La surface efficace est F2-F1. On voit que deux seulement des grandeurs F1, F2, F2-y1 peuvent être choisies librement, et que la troisième en résulte forcément. Si, par exemple, on désire une grande différence entre F2 et F1, le retour se produit presque à la même vitesse (faible) que la course de travail. Cela est un inconvénient qui augmente la difficulté. Un autre inconvénient important de cet agencement réside dans le fait que le moyen de commande à savoir la soupape pour la commutation entre les modes de fonctionnement 1, 2 et 3 doit commander la totalité du débit de l'agent de travail. Cela signifie que, dans ses dimensions, pour provoquer le reflux de la chambre de cylindre située du côté de la tige de piston à la chambre de cylindre opposée à la tige de piston, elle doit être dimensionnée de façon à assurer autant que possible sans étranglement la dérivation (pontage) de la surface de piston, prévue pendant la marche accélérée. L'invention a pour but de réaliser un cylindre moteur hydraulique ou pneumatique, pourvu d'un piston relié à une tige de piston, qui présente une première surface de piston, plus petite, actionnée par pression de l'agent de travail pendant la course d'aller le long d'une course de marche accélérée, et une deuxième surface de piston, plus grande, actionnée pendant la course d'aller le long d'une course de marche de travail, comprenant une dérivation de l'agent de travail pontant le piston pendant la marche accélérée, et une soupape pilote pour la commande de l'agent de travail, dans lequel on puisse choisir librement les surfaces de piston déterminantes pour les vitesses et pour les forces pendant les divers modes de fonctionnement, et dans lequel notamment les soupapes pilotes n'aient besoin d'être dimensionnées que pour un débit partiel de la totalité de l'agent de travail mis en circulation. Ce but est atteint suivant l'invention en ce que la dérivation ne ponte le piston que sur la course de marche accélérée, et qu'elle est en permanence soumise à la pression de l'agent de travail, et que le piston présente, du côté opposé à la tige de piston, un piston auxiliaire de section transversale efficace supérieure à celle de la tige de piston, auquel est combiné un cylindre auxiliaire raccordé à la soupape pilote. Tandis que, dans les cylindres moteurs ordinaires, la commutation entre marche accélérée et marche de travail intervient en fonction du temps, c'est-à-dire par manoeuvre de la ou des soupapes pilotes, la commutation dans l'agencement suivant l'invention, a lieu en fonction de la course du piston. Cela signifie que la course de marche accélérée est fixée par le point de débouché de la dérivation dans le cylindre, ladite dérivation pouvant avec avantage être réalisée très simplement en alésant intérieurement le cylindre par excès sur toute la course de marche accélérée, de telle sorte que l'agent de travail circule librement autour du piston. De cette façon, les pertes d'étranglement doivent être maintenues faiblies, et le cylindre conserve sa forme fondamentale simple.Et comme le pontage est soumis à la pression en mermanence - c' est-à-dire pendant toute la course d'aller et toute la course de retour du piston - , aucune intervention de commande n'est nécessaire, et il n'est nullement utile que le pontage soit placé hors de l'intérieur du cylindre. Il faut maintenant - comme pour l'examen précédent - rechercher quelles surfaces sont efficaces pour chacun des modes de fonctionnement. Le sens dans lequel la tige de piston s'éloigne du piston sera défini comme sens positif. Marche accélérée: Sur le côté du piston opposé à la tige de piston, la surface de piston F2 diminuée de la surface du piston auxiliaire F3 est soixmj.se à la pression par le pontage, et le piston auxiliaire lui-même est mis sous pression par la soupape pilote. Du côté de la tige de piston, la surface de piston diminuée de la surface de la tige de piston F1 est sous pression, également par l'inter nédiaire du pontage. Sur le piston agissent donc des forces pro portionnelles à la grandeur FE = (F2-F3) + (F3) - (F2-F1) 1 F1 et ces forces s'exercent dans le sens dans lequel la tige de piston s'éloigne du piston, puisque cette direction des forces a été définie comme positive. Marche de travail Dès que le piston a dépassé l'orifice du pontage, c'est-àdire dès qu'il a atteint la fin de l'alésage de l'intérieur du cylindre, et qu'il pénètre dans un tronçon de cylindre dans lequel le piston assure l'étanchéité mutuelle des chambres de cylindre situées devant et derrière lui, la marche de travail doit commencer. A cet effet, la chambre de cylindre située du c8té de la tige de piston doit être détendue. Cela peut être réalisé de la façon habituelle, par exemple en actionnant une soupape auxiliaire, ou bien - plus simplement encore - en faisant parcourir une autre échancrure de commande à travers la tige de piston, qui peut, à cet effet, présenter un tronçon de diamètre réduit.La force agissant sur la tige de piston est encore proportionnelle aux surfaces efficaces: FA = (F2-F3) + F3 = F2 Retour La soupape pilote est commutée, de sorte que la chambre de cylindre du côté de la tige de piston est mise sous pression, et la chambre du cylindre auxiliaire est détendue. La chambre de cylindre opposée à la tige de piston est comme auparavant - par l'intermédiaire du pontage - sous pression. La force de retour est par suite proportionnelle à FR = - (F2 - F1) + F2-F3) = - (F-F1) On voit que les forces pour chacun des trois cycles de fonctionnement peuvent être arbitrairement choisies, puisque l'on dispose de trois surfaces pouvant être choisies indépendamment l'une de l'autre.Une limitation résulte pourtant de l'é- quation du retour, à savoir que le piston auxiliaire doit avoir une surface F3 supérieure à celle de la tige de piston, sans quoi le retour n'a pas lieu. Dans une forme préférée de réalisation de l'objet de l'invention, le piston auxiliaire est conformé en piston annulaire. I1 est alors possible, comme on le montrera plus loin, de choisir les dimensions de la tige de piston et du piston auxiliaire, même si l'on désire d'importantes différences entre les surfaces efficaces, de telle sorte que l'intervention des forces élevées ne provoque aucune contrainte de flexion inadmissible. Comme on l'a indiqué plus haut, la détente de la chambre de cylindre située du côté de la tige de piston doit se produire simultanément à l'entrée du piston dans la course de travail. Mais, d'autre part, il est prévu à cet effet des moyens de commande séparés, de sorte qu'il n'est pas exclu que soit complètement isolé, pendant un court instant du circuit de l'agent de travail, le volume de cylindre situé du côté de la tige de piston. Cela est évidemment inadmissible dans le cas des cylindres hydrauliques, dans lesquels l'agent de travail peut pratiquement être considéré comme incompressible, et, dans le cas des cylindres pneumatiques, cela est au moins indésirable, car l'étanchéité du piston serait fortement éprouvée. C'est pourquoi, il est prévu, suivant une autre caractéristique de l'invention, que lesdits volumes de cylindre soient détendus au moyen de simples soupapes de retenue. L'invention est décrite en détail ci-après, avec référence aux dessins annexés, sur lesquels la Fig. 1 montre une première forme de réalisation du cylindre moteur suivant l'invention, en coupe longitudinale demischématique, les figures partielles la à 1f étant relatives à des positions successives du piston, et les conduites de racesr- dement étant hachurées lorsqu'elles sont sous pression; la Fig. 2 est un graphique montrant les relations entre la vitesse du piston, la force efficace à la tige de piston et le débit de l'agent de travail actionnant le piston; et la Fig. 3 représente une deuxième forme préférée de réalisation du cylindre moteur suivant l'invention. lie cylindre moteur de la Fig. 1 comprend un cylindre 10 avec un cylindre auxiliaire 12 rapporté au cylindre 10 ou d'une seule pièce avec lui. L'agencement combiné de pistons comprend le piston 14 la tige de piston 16 et le piston auxiliaire 18, qui peut être solidaire du piston 14. Le cylindre 10 présente un alésage 20, qui établit un pontage entre la chambre de cylindre 22, située du côté de la tige de piston, et la chambre 24 située du côté opposé, car l'agent de travail traverse pratiquement sans étranglement l'intervalle annulaire 25. A une soupape pilote 30, sont raccordées, d'une part, la chambre 32 du cylindre auxiliaire et, d'autre part, une chambre pilote 34 qui, pendant la marche accélérée, est séparée du circuit de l'agent de travail par la tige de piston 16 (Fig. la). L'alésage 20 est relié en permanence par un passage 40 au côté de refoulement d'une pompe à agent de travail (non représen tée). La Fig. la montre la position du piston immédiatement après la commutation de la soupape 30. Comme il a été expliqué, le piston se déplace maintenant en marche rapide vers la gauche, avec la tige de piston et le piston auxiliaire, et l'agent de travail dans les chambres de cylindre 22, 24 circule librement autour du piston 14. La pompe a seulement à fournir que"'ia quan- tité d'agent de travail qui correspond au volume de la tige de piston, et la soupape pilote peut en conséquence être de dimension réduite. Finalement, le piston 14 arrive dans la zone du cylindre dans laquelle l'alésage 20 n'est pas prévu, de sorte qu'il rend mutuellement étanches les chambres de cylindre 22, 24. C'est à ce moment que doit se produire automatiquement le passage à la marche de travail, et à cet effet la chambre de cylindre 22 doit être détendu. Pour celà, la tige de piston 16 présente un tron çon 50 de diamètre amoindri, et l'épaulement, entre la tige de piston 16 et le tronçon 50 doit autant que possible, venir dans la position des pistons pour laquelle l'étanchéité des chambres de cylindre 22, 24 est assurée par le piston 14 en pénétrant dans la chambre pilote 34, qui d'ailleurs est fermée à la branche de retour de la soupape 30. Mais, comme cette "simultanéité" ne peut pas être réalisée en pratique, la chambre de cylindre 22 présente sa propre sortie 52, qui est reliée par une soupape de retenue 54 au pontage, ou à la conduite 42. La soupape de retenue est nécessaire, car après une autre faible course vers l'avant, la marche de travail commence quand la chambre pilote 34 commu nique avec la chambre de cylindre 22 (voir Fig. lc). Il est évident qu'au lieu du tronçon 50 et de la chambre pilote 74, on peut aussi choisir un autre agencement pour placer la chambre de cylindre 22 au c8té d'aspiration de la soupape 30, par exemple un tiroir actionné par la tige de piston, qui relie alors le passage 52 avec le retour.On comprend que ce tiroir, lui aussi n'a besoin d'être dimensionné que pour la faible quantité de l'agent de travail qui est déplacée pendant la marche de travail. Sur le dessin, on a représenté la course de marche accélérée notablement plus longue que la course de la marche de tra vais. Naturellement cela n'est nullement indispensable, mais seulement désirable dans les cas d'application cités en commen çant. La Fig. ld représente la situation immédiatement après la commutation de la soupape 30 sur le retour. Toutes les chambres de cylindre, y compris la chambre pilote 34, mais excepté la chambre de cylindre auxiliaire 34, sont sous pression. La marche accélérée a lieu à vitesse constante. La zone de passage, dans laquelle la chambre de cylindre 22 est éventuellement fermée, est réalisée par le fait que la chambre pilote 34 est reliée par une autre soupape de retenue 56 avec le passage 52. Cette position est représentée sur la Fig. le . Vers la fin du retour enfin, les chambres de cylindre 22, 24 communiquent de nouveau entre elles par le pontage, et aussi avec la chambre pilote 34 par la soupape 30 (Fig. 1f ). La Fig. 2 montre l'évolution de la vitesse du piston v, de la force P à la tige de piston, et du débit Q de 11 agent de travail à travers la soupape pilote en fonction de la course du piston S. A titre de comparaison, on a donné l'ordre de grandeur du débit de l'agent de travail Q3 à travers le pontage, afin d'indiquer de combien peuvent être choisies plus petites les dimensions des soupapes et des conduites suivant l'invention. Enfin, la Fig. 3 montre schématiquement une forme de réalisation du cylindre moteur suivant l'invention, qui est pré fériée notamment pour de hautes pressions et de hautes demandes de force pendant la marche de travail. Dans ce cas, on ne doit pas conformer la tige de piston avec une section transversale réduite de façon quelconque, mais cette section est fixée à une valeur minimale par les contraintes de flexion qui interviennent. Pour permettre, cependant, une avance rapide pendant la marche accélérée, il faut alors fournir une quantité importante d'agent de travail, bien que cela ne soit pas nécessaire du point de vue de la force. La forme de réalisation de la Fig. 3 montre une solution de ce problème. Les raccords de conduites correspondant à ceux de la Fig. 1, lorsqu'un autre agencement n'est pas représenté, et les pièces qui correspondent à celles de la Fig. 1, sont affectés des mêmes chiffres de référence précédés du chiffre "1 ..." lie cylindre auxiliaire 112 est conformé en cylindre annulaire, et le piston auxiliaire 118 de même en piston annulaire0 La chambre de piston 160, à surface interne efficace F4, est reliée par une perforation 162 avec la cuve de la pompe. On alors les égalités suivantes pour les surfaces efficaces à chaque instant, auxquelles sont proportionnelles les forces à la tige de piston Marche accélérée : FE = (F2-F3 > + (F-F4) - (F2-F1) 1-F4 Marche de travail: FA = (F2-F3) + (F3-F4) = F2 - F4 Retour: FR = - (F2-F1) + (F2-y3) = - (F3-F1) On voit que la tige de piston peut être dimensionnée suivant les forces maximales qui interviennent et que, cependant, le rapport des forces pendant la marche accélérée et le retour peut, par choix approprié des dimensions des diamètres intérieur et extérieur du piston auxiliaire, être amené à une faible valeur désirée. La chambre de piston 160 n'a pas forcément besoin d'être reliée par la perforation 162 avec la cuve de la pompe. Elle peut, aussi, être raccordée à la soupape pilote, ce qui donne des rapports de surfaces différents entre eux, ou bien elle peut être raccordée à une source de pression qui lui soit propre. REVENDICATIONS 1. Cylindre moteur hydraulique ou pneumatique avec un piston relié à une tige de piston, et présentant une première surface de piston plus petite actionnée par pression de l'agent de travail pendant la course d'aller le long d'une course de marche accélérée, et une deuxième surface de piston plus grande actionnée pendant la course d'aller le long d'une course de marche de travail, comportent un by pass de l'agent de travail pontant le piston pendant la marche accélérée, et une soupape pilote pour la commande de l'agent de travail, caractérisé en ce que le by pass (20, 25) ne ponte le piston (14, 114) que pendant la course de marche accélérée, et qu'il est soumis en permanence à la pression de médium, et en ce que le piston (14, 114) présente, du c8té tourné à l'opposé de la tige de piston (16), un piston auxiliaire (18, 118) de section transversale efficace supérieure à celle de la tige de piston (16), auquel est combiné un cylindre auxiliaire (1?, 112) raccordé à la soupape pilote (30). 2. Cylindre moteur hydraulique ou pneumatique selon revendication 1 caractérisé en ce que le cylindre (10) présente, sur la course de marche accélérée, un alésage (20) pour former un intervalle annulaire (25) servant de pontage entre le piston (14) et la paroi interne du cylindre. 3. Cylindre moteur hydraulique ou pneumatique selon revendication 1 caractérisé par des soupapes (54, 56) pour l'équilibrage de pression de chambres de cylindre (22) momentanément séparées du circuit lors du passage de la marche accélérée à la marche de travail. 4. Cylindre moteur hydraulique ou pneumatique selon revendication 1, caractérisé en-ce que le piston auxiliaire (118) est conformé en piston annulaire, et le cylindre auxiliaire (112) en cylindre annulaire, et en ce que la chambre de piston annulaire (160) ainsi formée est en permanence déchargée de la pression de l'agent de travail.