Brevet FR2181525A1 — publié le 19731207

lia présente invention concerne les vérins hydrauliques, et plus particulièrement, mais non eclusivement, les vérins hydrauliques utilisés pour la commande des disjoncteurs électriques. Depuis plusieurs almées, dans certaines applications des vérins hydrauliques, on tend à augmenter la rapidité des manoeuvres. De plus, les masses à entrainer sont souvent plus importantes que par le passé. C'est le cas par exemple pour les disjoncteurs électriques à ouverture rapide pour haute et très hautes tensions. Ces problèmes ont été résolus, entre autres, par l'accroissement de la pression du fluide hydraulique alimentant les vérins. Du fait de l'accroissement des masses en mouvement et des vitesses de déplacement, il a fallu de plus en plus prévoir des systèmes d'amortissement des fins de course, pour limiter les chocs à chaaue manoeuvre. Il est déjà connu d'adjoindre à des vérins hydrauliques des amortisseurs, ou "dash-pot" hydrauliques, qui sont montés à l'exté rieur du vérin, par exemple sur la tige sortante. Mais ces dispositifs augmentent l'encombrement et le prix des vérins. On connaît également des dispositifs amortisseurs incorporés au vérin et constitués, par exemple, par un organe effilé lié au piston, cet organe pénétrant en fin de course, dans une cavité prévue à l'une des extrémités au cylindre. On réalise ainsi un freinage par mise en compression de l'huile dans la cavité et par laminage de cette huile entre la cavité et l'organe effilé. Cependant lorsqu'il s'agit de vitesses élevées (p;.r exemple de l'ordre ae 10 à 15 m/sec.), et lorsque le vérin actionne.des masses importantes (par exemple, plusieurs dizaines de Eg), qu'il faut freiner et arrêter à chaque fin de course sur des distances courtes, (par exemple, quelques centimètres), on serait obligé de prévoir entre les deux organes amortisseurs un jeu extrêmement réduit pour obtenir une mise en compression et un laminaè de l'huile suffisants pour provoquer l'amz:rtissement recherché.Un vérin étant constitué de plusieurs pièces assemblées les unes aux autres, on ne pourrait pratiquement réaliser ce jeu réduit qu'au prix d'un centrage parfait des différentes nièces et d'un usinage très précis, donc coûteux. D'autre art, dans les systèmes amortisseurs incorporés connus jus@u'à présent, les garnitures d'étanchéité du vérin sont soumises aux pressions élevées apparaissant dans l'amortisseur à chaque fin de course amortie. Dans les cas indiqués ci-dessus, ces pressions peuvent atteindre plusieurs milliers de bars et ne tarderaient pas à détruire les garnitures. La présente invention permet de remédier à ces inconvénients et de réaliser des vérins hydrauliques à amortisseurs incorporés qui ne nécessitent pas un usinage ni un centrage plus précis que des vérins sans amortisseurs, tout en permettant le freinage de masses élevées entrainées à grande vitesse. D'autre part, le dispositif suivant l'invention évite que les garnitures ne soient soumises aux pressions élevées d'amortissement. L'invention a pour objet un vérin hydraulique à amortisseur de fin de course incorporé, dans lequel l'un des organes du vérin, cylindre ou piston, est pourvu d'un élément amortisseur femelle tandis que l'autre organe est pourvu d'un élément amortisseur mâle qui coopère avec l'élément femelle à l'une des fins de course du piston, le dit vérin étant caractérisé en ce que l'élément amortisseur femelle est constitué par une bague montée flottante dans un logement prévu dans l'organe du vérin, cylindre ou piston, qui est pourvu de la dite bague, le dit logement autorisant un flottement radial de la dite bague, par rapport au dit organe, et en ce que la surface intérieure de la bague détermine avec la surface extérieure de l'élément mâle, un intervalle annulaire à volume variable, de mise en compression du fluide hydraulique, et à section variable, de lami- nage du dit fluide. Grâce au montage flottant de la bague dans son logement, on obtient un auto-centrage automatique précis de la bague par ra port à l'organe amortisseur mâle. De préférence, pour les facilités d'usinage, la surface intérieure de la bague est cylindrique et de section constante, taudis que la surface extérieure de l'organe amortisseur coopérant est à section variable, par exemple conique ou étagée, pour déter@iner entre ces deux pièces le passage annulaire à section variable Erécitée. Dans ce oui suit, on utilisera seulement le terme "organe étagé". Bien entendu la solution inverse pourrait être utilisée, ou encore les deux surfaces en regard l:ouriaient être c@niques ou éta- gées. Suivant une forme de réalisation e l'1venticn, dans le cas o l'on doit amortir les deux fins de course1 chacune des extrémités du cylindre du vérin (c'est à dire la tête et le fond du vérin) comporte un logement de récepticn de la bague d'amortissement, tandis que deux organes étagés d'amortissement sont portés nar le piston, l'un sur la face libre du piston, et l'autre sur la face tournée vers la tige de piston, le dit autre organe étagé faisant alors de@préférence partie de la tige de piston elle-meme. Suivant une forme de réalisation inverse, les logements des bagues flottantes peuvent être prévus dans le piston, tandis que les organes étagés sont fixés à la tête et au fond du cylindre du vérin. Suivant encore une autre forme de réalisation, intermédiaire entre les deux précédentes, le piston peut comporter, sur son coté libre, un logement de réception d'une bague d'amortissement et, sur son côté opposé, un organe étagé. Dans ce cas, la bague d'amortissement du piston coopère avec un organe étagé solidaire du fond du cylindre, tandis que l'organe étagé du piston coopère avec une bague d'amortissement montée flottante dans un logement ménagé dana la tête du cylindre que traverse la tige du piston. La présente invention s'applique aux vérins à simple et à double effet à piston étanche, c'est à dire dans lesquels le piston est pourvu d'une garniture d'étanchéité délimitant deux chambres à volume variable dans le cylindre. Mais l'invention s' applique également aux vérins à iston plongeur dans lesquels l'étanchéité est seulement assurée par une garniture au passage de la tige de piston à travers la te te de vérin. On verra dans la description qui suit que, grâce à l'auto centrage de la bague d'amortissement rendu possible par son montage flottant dans le logement précité, on peut prévoir un jeu très réduit entre cette bague et les pièces mobiles oui la traversent, notamment la tige du piston. Grace à ce jeu réduit, les surpressions d'amortissement sont c@nfin@es dans l'espace annulaire à volume variable précité, sans être transnaises aux garnitures du vérin. les faibles fuites qui peuvent ce produire entre cet espace annulaire et les @ar@itures ssnt récupérées par des canaux de retour qui seront décrit dans ce oui suit. On verra également que, malgré son muntage flottant dans son logement, la bague est appliquée contre le fond de son logement par la surpression d'amortissement et que cette application est suffisamment forte pour assurer l'étanchéité entre la bague et le-fond, ce qui évite encore la transmission des surpressions d'amortissement aux garnitures du vérin. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui suit et à l'examen des dessins annexés qui montrent, à titre d'exemples non limitatifs, divers modes de réalisation de l'invention. La Fig.1 est une vue en coupe d'un vérin à piston plongeur avec amortisseur pour la fin de course de retour. La Fig.2 est une vue en coupe d'un vérin à piston étanche, à double effet, avec amortissement des deux fins de course. La Fig.3 est une vue en coupe d'un vérin à piston plongeur, avec amortissement des deux fins de course. Le vérin à piston plongeur représenté sur la Fig. 1 comprend les éléments connus suivants : un cylindre 2, une tête de vérin 4 vissée sur le cylindre 2, une garniture d'étanchéité 6 au passage du piston plongeur 8 à travers la tete de vérin et un fond de cylindre désigné par la référence générale 10. De préférence, la garniture 6 est une garniture du type à ressort dont le ressort 12 est maintenu comprimé par un chapeau 14 vissé dans la tête 4. le piston â est guidé par rapport au cylindre, d'une part, par l'alésage de faible hauteur 16 prévu au-dessus de la garniture dans le chapeau 14 et, d'autre part, par une bague 18 montée au voisinage de l'extrémité du piston plongeur. Ce type de guidage, avec guidage supérieur (en 16) sensiblement rotulaire, a été décrit dans le brevet français No 1.415.615.Il est à noter que la bague 18 (ou un épanouissement analogue du piston) n'a aucune fonction d' étanchéité entre le piston et le cylindre et qu'elle n'assure que. le guidge. En fait, cn a zu observer qu'il n'y a pas de frottement métal sur métal entre la bague et le cylindre, du fait de la circulation de l'huile tout autour du piston plongeur qui produit un effet hydrodynamique entre les deux pièces. Dans le fond 10 du cylindre est ménagé un conduit 20 d'arrivée et de départ du fluide hydraulique sous pression. L'organe à actionner par le vérin, par exemple le contact mobile d'un disjoncteur électrique, est relié, généralement par l'intermédiaire d'une tige isolante, à l'extrémité 22 de la tige de piston. Cet organe est en général actionné à l'encontre d'un dispositif élastique, par exemple le ressort de déclenchement du disjoncteur. Conformément à l'invention, le dispositif amortisseur comprend un élément amortisseur femelle constitué par une bague 24 et un élément amortisseur mâle constitué, dans ce mode de réalisation, par un prolongement 26 du piston plongeur 8. La bague 24 est montée flottante dans un logement 28 creusé dans le fond du cylindre et, plus précisément, creusé dans la partie du fond 10 constituée par un manchon 30 vissé à l'extrémité inférieure du cylindre 2, le fond du cylindre étant obturé par une plaque de fond 32 assemblée au manchon 30 par des vis 34. le diamb- tre de l'alésage du logement 28 est supérieur au diamètre extérieur de la bague 24 et la hauteur du logement 28 est telle, par rapport à la hauteur de la bague, que cette dernière est libre de se déplacer dans le sens radial (montage "flottant") pour se centrer d'elle me'se par rapport à l'é'ément mâle, ou prolongement 26. Ce prolongement 26 peut avoir une forme tronconique ou sensiblement tronconique, mais l'usinage est plus simple si on le réalise sous une forme étagée, par exemple en 3 étages 96,- 36' - 36" de diamètres croissants. la surface intérieure de la bague 24 détermine, avec la surface extérieure du prolongement étagé 26, un intervalle annuisire 38 à volume variable, où le fluide est mis en compression lorsque l'élément mâle et l'élément femelle viennent coopérer en fin de course basse du vérin. Simultanément, il est créé entre ces deux surfaces un intervalle étranglé à section variable où le liquide mis en compression est laminé lorsqu'il s'échappe du volume variable précité. Dans le mode de réalisation représenté, le volume précité est fermé vers le bas par la plaque de fond 32, mais il est bien entendu que la bague 24 elle-m8me pourrait comporter un fond. il est bien entendu également que la surface variable étagée pourrait autre prévue sur la surface interne de la bague, et non pas sur le prolongement du piston. Comme on l'a vu dans ce qui précède, un vérin est constitué, pour des raisons constructives et économiques, d'un nombro relative- ment important de pièces assemblées les unes aux autres, et de pièces mobiles les unes par rapport aux autres. il est donc évident qu t avec les tolérances de montage successives, il serait très difficile de réaliser un centrage rigoureux des pièces entre elles. Grace à l'invention, et notamment grâce à la liberté de déplacement radial de la bague, celle-ci peut se centrer automatiquement d'elle-même par rapport au prolongement étagé 26. Etant donné qu'on est ainsi assure d'un centrage parfait des 2 pièces, ou, en d'autres termes, qu'on évite ainsi toute incompatibilité de centrage entre les deux pièces, non seulement dès la mise en route de l'appareil mais également dans le temps, on peut prévoir un jeu très réduit entre les 2 pièces de l'amortisseur et obtenir de cette manière un effet d'amortissement infiniment plus énergique qu'avec les systèmes amortisseurs incorporés classiques qui obligeaient à tenir compte des jeux et tolérances de construction accumulés. Dans la pratique. on eut admettre que la bague 24 se déplace - - - centr@e - - dans son logement et prend sa place/défiliitive dès les premiers fonctionnements, des déplacements ultérieurs de la bague dans son logement ne se produisant plus ensuite quten raison de l'usure, des dilatations ou de démontages. On voit également que, dans le mode de réalisation représenté sur la Fig. 1, les hautes pressions ou surpressions d'amortissement (parfois plusieurs milliers de bars) sont confinées dans le volume 38 et n'agissent pas sur la garniture 6. En effet les surpressions a' l'amortissement dans le volume 38 repoussent la bague 24 vers le haut (sur la Fig. 1) et appliquent de façon étanche la surface annulaire supérieure de cette bague contre l'épaulement 40 qui limite vers le haut le logement de la bague. On a vu, à propos de la Fig. 1, le système d'amortissement appliqué à un vérin, pour l'amortissement d'une seule des firs de course, d;ns l'exemple, la course de retour du vérin. La Fig. 2 se rapporte à un vérin à double effet, à piston étanche (et non plus à piston plongeur), avec amortissement des 2 fins de course. Sur cette figure, les mimes éléments portent les mêmes chiffres de référence que sur la Fig. 1 et ne seront pas décrits à nouveau. les éléments différents sont les suivants : le piston 42, étant de t@pe étanche, porte une garniture étanche 44 montée au-dessus de l'étr@ite zone e g@idage @8 ; le piston 42 est solidaire d'une tige de piston 44 dont l'extrémité 22 sort à l'extérieur du cylindre 2; la tête du vérin 4 comporte un órifice 46 d'admission et de re f@ulement d'huile. Le dis@ositif amortisseur en fin de course haute du piston est nalogue a celui oui a été décrit à propos de la Fig. 1, c'est à dire qu'une bague 24. est montée flottante, dans le sens radial, dans un logement 281 ménagé dans le chapeau 14 qui est vis@é sur la tête n serin 4. Une partie en saillie 48, prévue dans la tête ce vérin 4, retient la bague 241 dans son logement. L'organe amortiss- eur mâle, coopérant avec la bague, est constitué par une partie étagée 261 de la tige de piston 44 adjacente au piston 42. Grâce au montage flottant de la bague dans son logement, la dite bague est centrée en permanence par la tige de piston 44 qui la trverse, le jeu entre la tige de piston et l'alésage 50 de la étant flèl & BR Comme dans le cas précédent, lorsque les surpressions d'amor- tissement se produisent, la face supérieure de la bague est appliquée forte...ent, de façon sensiblement étanche, contre la face en regard 401 constituant le fond du logement de la bague. l'amortissement en fi: de course basse (toujours en regardant la Fig. 2) est également réalisé, conformément à l'invention, au moyen d'une bague flottante 242 et d'un élément coopérant étagé 262. Mais, suivant la disposition représentée, la bague est montée dans un logement 282 prévu sur la ace arrière du piston 42, tandis que l'élément étagé 262 est fixe et et, cette fois, porté par le fond 10 du cylindre du vérin.L bague 242 est retenue dans son lo- gement par une bague 54 vissée à l'extréc:ité du pi@ton mais qui laisse à la bague 242 la liberté de vouer, ou flotter, radialement pour se centrer automatiquement sur l'élément étagé 262. On a représenté sur la Fig. 2 le piston en fin de course basse, à la f@n de l'amortissement. Il est ainsi visible que la chambre d'amortissement à volume variable 382 doit pouvoir être réalimentée en huile lorsqu'on alimente à nouveau ltorifice 20 en huile sous pression pour effectuer la course vers le haut du piston. Dans ce but, l'élément étagé 262 est percé d'un canal axial 56 et radial 56' sur lesquels est interrosé un clapet anti-retour 58 qui se ferme lorsque commence l'amortissement.Dans cet exemple encore, on voit que la garniture de piston 44 ntest pas soumise aux pressions extrêmement élevées engendrées dans la chambre d'amortissement La Fig. 3 représente un vérin à piston plongeur avec amortissement des deux fins de course. lies éléments identiques portent les mimes chiffres de référence que sur les Fig. 1 et 2. Il suffit de dire que les 2 systèmes amortisseurs sont identiques à celui décrit pour l'amortissement de la course haute dans le vérin de la Fig. 2. Les 2 bagues d'amortissement 243 et.244 sont montées flottantes dans des logements ménagés respectivement dans le fond 10 du cylindre et dans la tête 4 du vérin. Les 2 éléments mâles étagés 263 et 264 sont tous les deux solidaires du piston plongeur 8 et sont constitués, de préférence, par une seule pièce vissée à l'extrémité de la tige du piston plongeur. On peut noter à ce sujet que la partie centrale 18 de cette pièce constitue le guidage du piston dans le cylindre (comme il a été décrit sous la même référence à propos de la Fig. 1) sans jouer aucun rôle d'étanchéité, puisqu'il s'agit d'un piston plongeur. Dans le vérin de la Fig. 1, l'orifice 20 d'admission|échappe- ment du fluide hydraulique était percé latéralement dans le fond 10 du cylindre. Dans le variante de la Fig. 3, on a représenté cet@ori- fice 20 comme étant rercé suivant l'axe du cylindre, ce qui nécessite de prévoir dans le piston un canal axial 60 et divers perçages radiaux oui seront indiques dans 1 description du fonctionnement qui suit. Lorsque le piston se déplace ver@ @e haut, Les perçages 62 arrivent @n regard de l'@@@sage @@@@rieur 50 de la bague 244, ce qui empêche @e @@@ide contenu dans le volume @nnulaire 384 de @'@@@apper ve@@ @'aval @@@@iston par le @nal axial c0. En @ême @@@ps le @@@t de l'élémen@ @@@gé 2@@@ génè@re @ans l@ @@@@ @@@@ ce @@@ @ait commencer l'effet de com@@ession du fluide dans le volume @@@@@@ire @84, la @@@ue @@ant @@@i@ement ce@@r e grâce au jeu radial appréciable prévu dans son logement. les débits de fuite, après laminage de l'huile entre les 2 éléments amortisseurs sont canalisés par les perçages 64 qui communiquent avec le canal 60. lies débits de fuite vers la garniture peuvent'être canalisés soit par un perçage tel que 52 sur la Fig. 2, soit par un perçage 66 dans le piston, indiqué en traits interrompus sur la Fig. 3. Pour l'amortissement de la fin de course basse, l'élément étagé 263 est prolongé par une partie d'extrémité 68 qui pénètre avec un faible jeu dans l'alésage 70 de la bague 243 (comme la tige de piston 8 qui traverse l'alésage 50 de la bague supérieure 244), pour fermer l'espace à volume variable 383. la pénétration de l'ex- trémité 68 dans l'alésage 70 peut se faire sans choc et sans frottement, malgré ce faible jeu, grâce à l'auto-centrage de la bague flottante 243, par effet hydrodynamique. 72 lie freinage commence quand le 1er étage/de l'élément étagé 263 a pénétré dans la bague 243 et développe les pressions d'amortissement très élevées, dont il a été question plus haut, dans l'espace clos à volume variable 383. lies débits de fuite d'huile après laminage sont reccueillis par un perçage 74 communiquant avec le canal 60. On peut noter, que, en partant de la position basse du piston, lorsqu'on établit à nouveau la pression du fluide d'alimentation à travers l'orifice 20, pour effectuer la course active vers le haut du piston, la pression du fluide n'agit tout d'abord que sur la section réduite de l'extrémité 68 du piston. Ce n'est qu'après que l'é- lément étagé 263 a dépassé la bague 243 que la pression agit sur la totalité de la section du piston. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée à l'exemple décrit et représenté ; elle est susceptible de nombreuses variantes accessibles à l'homme de l'art, suivant les applications envisagées et sans qu'on s'écarte pour cela de l'esprit de l'invention. - REVENDICATIONS t - Vérin hydraulique à amortisseur de fin de course incorporé, dans lequel l'un des organes du vérin, cylindre ou piston, est pourvu d'un élément amortisseur femelle tandis que l'autre organe est pourvu d'un élément amortisseur mâle qui coopère avec l'élément femelle à l'une des fins de course du piston, ledit vérin étant caractérisé en ce que l'élément amortisseur femelle est constitué par une bague montée flottante dans un logement prévu dans l'organe du vérin, cylindre ou piston, qui est pourvu de la dite bague, le dit logement autorisant un flottement radial de la dite bague par rapport au dit organe, et en ce que la surface intérieure de la bague détermine avec la surface extérieure de l'élément mâle, un intervalle annulaire à volume variable, de mise en compression du fluide hydraulique, et à section variable, de laminage du dit fluide. 2 - Vérin suivant la revendication 1, avec amortisseur incorporé pour lesifins de course, caractérisé en ce que chacune des 2 extrémités du cylindre du vérin comporte un logement dans lequel est montée flottante dans le sens radial une bague d'amortissement, et en ce que le piston est pourvu, sur chacune de ses 2 fj-'.ces, d'un élément amortisseur mâle. 3 - Vérin suivant la revendication 1, avec amortisseur incorporé pour les 2 fins de course, caractérisé en ce que l'une des 2 extrémités du vérin cohorte un logement dans lequel est montée flottante une 1ère bague d'amortissement avec laquelle coopère un ler élément amortisseur mâle porté par le piston, et en ce que l'autre extrémité du cylindre est pourvue Q un 2ème élément amortisseur mâle qui coopère avec une 2ème bague d'amortissement mcntée flottante dans la face du piston opposée à celle qui porte le 1er élément amortisseur mâle. 4 - Vérin suivant l'une quelconque des Revendications 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que l'élément amortisseur mâle a une forme tronco- nique. 5 - Vérin suivant l'une quelconque es Revendications 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que l'élément a@ortisseur ale a une forme étagée. o - Vérin suivant l'une quelconque des Revendications 1 5, caractérisé en ce qu'il comporte, à l'une uu moins ces extrémités du cylindre, und b gue d'amortissement traverse par la tire de piston dudit vérin, et en ce que le jeu radial entre la bague et son logement est environ 10 à 30 fois plus grand que le jeu enivre la bague et la tre de piston. 7 - Vérin suivant l'une quelconque des Revendications 1 à 6, caractéris@ en ce que l'un au moins des organes tige de piston, tête de vérin et élément amortisseur est percé d'au moins un conauit de canalisation des fuites de fluide hydraulique de l'intervalle à volume variable précité vers le volume intérieur du cylindre. - Vérin suivant l'une quelconque des Revendications 1 à 7, caractérisé en c' que le piston du dit vérin est un piston plongeur en ce que le cylindre du dit vérin comporte, à l'une de ses extrémités, un alésage de passage et de guidage du dit piston ainsi qu'une garniture d'étanchéité au passage du dit piston ; et en ce que le dit piston comporte, au voisinage de son extrémité intérieure, une bague de guidage du piston dans le cylindre 9 - Vérin suivant la Revendication 3 caractérisé en ce que le 2ème élément amortisseur mâle est percé d'un canal axial qui communique, par l'intermédiaire d'un clapet anti retour, avec le volume intérieur du cylindre. 10 - Vérin hydraulique suivant l'une quelconque des Revendica tions 1 à 9, caractérisé en ce que la tige du dit vérin est attelée au contact mobile d'un disjoncteur électrique.