Brevet FR2214840A1 — publié le 19740819

La présente invention a pour objet un amortisseur hydraulique servant à arrenter une masse en translation en un point donné de sa traje-toire du type comprenant un cyiindre fermé à une extrémité et ouvert à l:autre, dans la jupe de ce cylindre une série de trous disposés suivant au moins une génératrice de ce dernier, un collecteur qui communique, d'une part, avec l'intérieur de ce cylindre au moyen de ladite série de trous et, d'autre part, avec un réservoir de liquide, et un piston qui coulisse dans c cylindre et qui, au cours de son déplacement vers l'extrémité fermée de ce dernier, ferme progressivement les trous de ce cylindre par lesquels ce liquide est chassé dans le collecteur. L'amortisseur hydrauliqu7- selon l'invertion trouve une application particulièrement intéressante dans le domaine de l'usinage automatique des tôles, où la masse en translatipn qu'il s'agit d'arrêter à une position donnée peut être la tôle elle-même qui se déplace d'un poste d'us.- nage a l'autre, ou encore une tette d'usinage qui se déplace d'une position d'usinage de la tôle à un autre position d'usinage. En général, le transfert d'un corps d'un point de départ un point d'arrivée s'obtient en rendant ce corps provisoirement solidaire d'un véhicule capable d'effectuer un parcours quelconque entre ces deux points. Le type de véhicule dépend de la nature du corps à transporter et des points extremes de la course, ainsi que du temps dont on dispose pour le déplacement lui-meme. Pour des déplacements courts (de quelques centimètres à quelques mètres), qui doivent se répéter à fréquence élevée, le véhicule est en général constitué par la partie mobile d'une machine ou d'un appareil appelé transporteur, dont le socle est fixe. Si l'on examine un déplacement rectiligne de la partie mobile du transporteur, on observe que ce déplacement est constitué par une portion initiale à accélération positive, une portion finale à accélération négative et, éventuelement, une portion intermédiaire à accélération nulle, Dans le domaine de l'usinage mécanique automatisé et, en particulier, de l'usinage automatisé des tôles, en plus de la nécessité de respecter une limite supérieure absolue pour l'accélératior, aussi bien positive que négative (décélérationj, il faut également que le point d'arrivée et d'arrêt de la masse en translation (tôle) soit défini avec une grande précision et demeure toujours le mêmes comme c'est le cas par exemple pour l'introduction d'une tôle dans une presse d'estampage et la sortie de cette tôle. Jusq-'i c jour pour satisfaire a de telles exigences, on a proposé ces sc'utiors d'un type purement mécanique utilisant par exemple des systèmes bielle-manivelle, ies systèmes à déplacement sinusoïdal et des dispositifs à came (mouvement à accélération donnés).On a également ptcposé des solutions consistant à appliquer, au véhicule ou à ia masse en translation, des forces preumatiques ou hydrauliques capables d'imprimer des accélérations positives et négatives exigées, En ce qui concerne les accélérations positives, pour les quelles il n'existe pas de difficultés particulières d'entraînement et d- commande, la tehnique met à la disposition des utilisateurs des installa tions qui rendent des services plus que satisfaisants; en revanche, en ce q-l concerne les accélérations négatives de la masse en translation, les amortisseurs hydrauliques et les freins hydrauliques dont on dispose jusqu'à présent ne sont pas utilisables, étant donné qu'ils ne peuvent pas assurer 'a préci,sicn élevée et reproductibilité nécessaires pour un arrêt de la masse n translation an un point donné de sa trajectoire. En effet, les amor- t'sseurs et freins hydrauliques connus sont essentiellement constitués par un groupe cylindre-piston dans lequel 12 déplacement du piston, dans le sens de la masse en translation et dans le sens inverse, est contrarié et retardé par un liquide contenu dans le cylindre, d'où il sort par une série d'ouvertures ménagées dans la jupe de ce cylindre.Lorsque le piston atteint la dernière de ces ouvertures et la bouche, Si le jeu entre le piston -t le cylindre est nul, le piston décharge son énergie résiduelle sur un volume de liquide peu compressible qui la l-ui restitue sous la forme d!un rebon dissement., à la suite de quoi le piston, et la masse en translation qui lui est attachée, s'arrêtent, Etant donné que l'on ne peut ni prévoir ni calculer l'importance d'un tel rebondissement, et qu'il dépend d'un grand nombre de grandeur chimico-physiques. ia position finale d'arrêt du piston et de la masse en translation varie de façon imprévisible.Dans le cas ou ie jeu entre le piston et Le cylindre n'est pas nul, à l'erreur due à ce rebondisse m-ct s'ajoute l'erreur résultat des fuites par ce jeu. Le brevet des Etats Lris d'Amérique n 2 846 029 déprit un dispositif hydraulique de retardement comprenant essentiellement un cylindre fermé à une extrémité et ouvert à son autre extrémité, une série d'ouvertures de même diamètre et également distantes es unes des autres. ménagées sur une ou plusieurs génératrices de a jupe de ce cylindre, un collscteur situé à l'extérieur du cylindre et communiquant avec l'intérieur de ce dernier par ladite série d'ouvertures, et un piston qui coulisse dans ce cylindre et qui, au cours de son déplacement vers l'extrémité fermés du cylindre, bouche progressivement ces ouvertures A l:extrémité fermée du cylindre sont, de plus, ménagées d'autres ouvertures qui mettent ultérieurement liintérieur du cylindre en commur4zation avec ce collecteur.Une fois que la dernière des ouvertures de la jupe du cylindre se trouve fermée par le piston dansaon déplacement, les ouvertures de l'extrémité fermée du cylindre demeurent ouvertes et elles constituent pour le liquide un passage permanent qui ne dépend pas d la position que le piston occupe à l'intérieur du cylindre. Il en résulte que ce piston, une fois dépassé la dernière des ouvertures de la jupe, poursuit sa course vers l'extrémité fermée du cylindre avec une vitesse non nulle et prat4quement constante, et vient frapper cette extrémité fermée avec cette vitesse. Cela produit un effet de choc qui ne permet pas l'arrêt du piston et par conséquent de la masse an translation qui lui est liée, en un point déterminé et avec la précision voulue, et ce choc risque de provoquer des sollicitations sur la masse an translation. A la base de l'invention se trouve l'idée de réaliser un amortisseur hydraulique présentant des caractéristiques de construction et de fonctionnement qui permettent d'assurer un réglage efficace de la décélération d'une masse en translation, afin d'éviter qu'elle ne s'écarte de façon sensible d'une valeur donnée, et d'assurer l'arrêt de cette masse en un point donné de sa trajectoire9 aVec une grande précision. L'invention résout ce problème de la façon suivante cette série de trous est ménagée dans une cloison mince qui constitue une partie de la jupe du cylindre, ces trous étant-répartis dans cette paroi mince de telle manière qu'en chaque point atteint par le piston au cours de son déplacement vers 1 extrémité fermée du cylindre, le rapport entre le débit Q du liquide à travers les trous qui sont encore ouverts et la surface S de ces derni-rs,scit pratiquement ccrstar.t et réponde à la formule dans laquelle désigne la chute de pression du liquide d'amont en aval de ces trous, 5 , la i-ensité du liquida et K le coeff4ctent connu d'ecoulement des liquides à travers des trous percés dans des cloisons minces, et ce piston est muni, sur sa face tournée vers l'extrémité fermée du cylindre, d'une saillie circulaire coaxiale, d'un diamètre inférieur à cc::ui du piston et d'uns hauteur telle que cette saillie vienne au contact, à vitesse nulle, de l'extrémité fermée du cylindre lorsque le dernier de ces trous de la paroi mince rtest pas encore complètement bouché par le piston D'autres caractéristiques et avantages de l'inventior ressortiront de la description qui va suivre, faite en regard des dessins annexés et donnant, à titre explicatif mais nullement limitatif, une forme de réalisation de liinvention. Sur ces dessins, la figure 1 est une coupe schématique dlun amortisseur hydraulique selon l'invention; la figure 2 représente, à plus grande échelle, un détail de cet. amortisseur; la figure 3 représente le profil d'une fente théorique de passage du liquide poussé par le piston, fissure qui présente exactement le rapport 9 constant; et les figures 4 et 5 représentent une forme de réalisation approximative de cette fente à l'aide d'une série de trous. L'amortisseur hydraulique 1 selon l'invention est ess-n- ti-ellement constitué par un corps 2 qui délimite, intérieurement, une première cavité 3 inférieure et une seconde cavité 4 supérieure, entre lesquelles le liquide peut circuler par un passage 5. Dans la cavité inférieure 3 est fixée fermement une cage, ou tambour, cylindrique 6, fermée à une extrémité par une paroi de fond 7, constituée par ce corps 2 ou reliée fermement à ce corps, et ouverte à son autre extrémité 8. Dans cette cage cylindrique 6 est monté, coaxialement et de façon coulissante, un piston 9, dont la tige lu sort du corps 2 par l:ouverture 8. Ce piston cet la paroi de fond 7 de la cage 6 délimitent une chambre 11 qui communique, pour le passage du liquide, avec la cavité supérieure 4 du corps 2, au moyen d:une série de trous 17 ménagés dans l'épais- seur de cette cage.Un liquide sous pression remplit complètement la chambre il et partiellement la cavité 4; cette dernière constituant un réservoir dans lequel, eu-dessus de la surface libre 12 du liquide, se trouve un coussin d?air 13, maintenu sous une pression constante de valeur donnée, par exem ole au moyen d'un moto-compressaur (non représenté), qui communique avec l'intérieur du réservoir 4 par une ouverture 14 ménagée dans le plafor.d 15 du réservoir Ce liquide sous- pressIon (par exemple, de l'huile) entraîne dans des conditions normales le piston 9 contre une portée annulaire 16, constituée par le corps 2 au droit d l'extrémité ouverte 8 de la chambre inférieure 3- Les trous 17 sont ménagés dans une portion longitudinale 6a de la cage 6, ou celle-ci s'amincit jusqu'a une valeur égale ou très voisine au diamètre des trous, de sorte que l'on peut considérer ceux-ci, du point de vue hydraulique, comme des trous dans une paros mince Cette portion longitudinale 6a de la cage 6 va de la paroi de fond 7 de la cbambre 11 jusqu'à un point voisin de la face intérieure du piston 9, lorsque ce piston est appliqué contre la portée annu- laire 16. De préférence, la longueur de cette parte 6a est égale ou légèrement inférieure à la longueur du piston 9. Lorsque la masse en translation 18 a arrêter viant frapper l'extrémité lOa de la tige 10, à l'extérieur du corps 2, le piston 9 se déplace vers la paroi de fond 7 de la cage 6, gêné par l'effet retardateur du liquide contenu dans la chambre ll, de laquelle ie liquide sort par les trous 17 en pénétrant dans le réservoir 4. Au cours da ce déplacement, le piston 9 ferme peu à peu les trous 17. Afin de permettre le réglage de la décélération de la masse en translation 18 à des valeurs inférieures à une valeur absolue d'accélération donnée, et afin que cette décélération se produise sans discontinuité, on répartit les trous 17 sur la portion 6a de la cage 6 de manière telle qu'en chaque point du mouvement décéléré, le rapport entre le débit Q de l'huile assuré par le piston et qui traverse les trous 17 restés ouverts et la surface S de ces trous encore ouverts, soit égal à une valeur constante donnée, et réponde à la formule formule dans laquelle A p représente la -chute de pression du liquide d'amont en aval des trous qui restent ouverts, p est la densité du liquide et K est le coefficient connu d'écoulement des liquides à travers des trous dans des parois minces. La valeur de la chute de pression Ap est donnée par la formule dans laquelle M représente la masse à freiner, V sa vitesse au début de la course de freinage, C la course du piston 9 et A la surface de ce piston. De ces deux formules on déduit I1 est possible de définir une fente continue satisfaisant de façon rigoureuse à la formule (3), tandis que la série de trous 17 définie ci-dessus est d'une réalisatIon pratique très facile et assure une bonne approximation. En appliquant un procédé graphique quelconque, analytique ou numérique, on parvient à tracer une série de trous 17 (ou de petites fantes) dans la faible épaisseur de la cage 6 et sur toute la longueur de la ccrse d freinage, ces t-o-JS satisfaisant à la formule (3) donnée ci-dessus La formule (3) donne une solution rigoureuse de ce pro blème dan- un cas particulier : la sortie du liquide de la chambre 11 sge- test e par une fente d'un profil égal au schéma, qui va en s'élargissant de façon continue vers la paroi de fond 7 de la chambre.Une solution moins précise, mais d'une réalisation pratique plus commode, consiste à remplacer cette fente théorique par une série de trous 17 et par une dernière ouvertu- re 19 qui arrive jusqu'S la paroi de fond 7. Lorsque le piston 9 se trouve au point X, la surface des trocs 17 et 19 restant ouverts à travers lesquels stécoule le liquide sous l'effet du piston qci se déplace à la vitesse qu'il a à ce point X, doit entre égale à celte qui est représentée par la zone en pointillé du schéma. En pratIque, sur la portion 6a de la cage 6, le nombre des trous 17, lecr diamètre et leur répartition ainsi que les dimensions de l'ouverture 19 sont choisis de manière que la surface totale soit le plus possible voisine de la surface théorique délimitée par la courbe de la figure 3. Au voisinage du point théorique d'arrêt du piston 9 (et, par suite, de la masse en translation 18), le réglage de la décélération et de la vitesse du piston devient très incertain. En effet, au point où la dernière ouverture 19 finit de se fermer, le piston 9 doit avoir encore une vitesse non nulle, faute de quoi il risque de s'arrêter par frottement avant d'atteindre ce point théorique d'arrêt. Mais l'énergie cinétique de la masse en translation correspondant à cette vitesse non nulle se transforme en énergie élastique de compression du liquide qui reste dans ia chambre 11-, et cette énergie est restituée brusquement en provoquant un rebondissement avec, pour conséquence, une imprécision fâcheuse sur le point d'arrêt.Il est donc nécessaire que, avant d'avoir bouché la dernière ouverture 19, Le piston 9 rencontre une portée mécanique contre laquelle il s'arrête sans rebondir. A cette fin, la face du piston 9 tournée vers la paroi. de fond 7 de la chambre lI présente un retrait périphérique annulaire 21 qui délimite une saillie circulaire coaxiale 22, diun diamètre inférieur à celui du piston 9 La profondeur de ce retrait 21 (qui est indispensable pour le réglage de ia décélération sur le dernier millimètre de cours du pistonj est une fonction bien définie ae la vitesse initiale de la masse 18, de cette masse el1ememe, de la surface 9 du piston 9, de la course C de ce piston et de la viscosité de l'huIle. En pratique, la valeur de ce retrait 21 est égale à la ourse que le piston 9 devraIt encore avoir à parcourir pour boucher complè triment la dernière ouverture 19 de passage de liquide, à l'instant où la face 22a de la saillie 22 arrive contre la paroi du fond 7. A cet instant, la vitesse du piston 9 est nulle et l'arrdt de celui-ci est donc assuré. Mais, un peu avant cet instant, pour que la dernière ouverture 19 de passage du liquide soit complètement fermée, il reste au piston 9 à parcourir une portion de sa course égale àla profondeur du retrait 21 plus quelques dixièmes de millimètres, la fcrce qui s'oppose au déplâcement du piston 9 est due en partie à l'écoulement du liquide par la partie encore ouverte de la dernière ouverture 19 et, en partieS à la résistance opposée par le liquide pour stéchapper par l'espace très faible compris entre la face 22a du piston et ia paroi de fond 7 de la chambre 11. En raison de la présence de la saillie circulaire coaxiale 22, la décélération, même dans la phase finale de la course du piston 9, ne dépasse jamais la valeur maximale fixée. On. donnera ci-après deux formes de réalisation pratiques de l'amortisseur selon l'invention. Exemple 1 - Diamètre du piston : 5 cm; - Course du piston (égale à la longueur de la portion 6a de la paroi mince): 20 mm; - Poids de la masse en translation à arrêter : 5000 kg; - Vitesse de choc entre la masse à arrêter et la tige 10 : 100 cm/s; - Décélération : 2 500 cm/ss; Pression de l'air dans le réservoir : 5 atmosphères; - Viscosité cinématique du liquide (huile): 25 centistokes. Pour un tel amortisseur, le diamètre et la répartItion des trous 19 sur la portion 6a de paroi mince sont représentés, à grande échelle, sur la figures 4 et 5. Sur ces figures, les trous 17 ont tous un. diamètre égal à 0,8 mm et les dimensions a, b, c .... h, i ont respective,-. ment les valeurs suivantes, en millimètres : 2,4; 2,7; 2,5; 2,2; 2,0; i,8; l 1,3 et 0,7. La dernière ouverture 19 est constituée par une première portion 20 d'une longueur de 1S7 mm et d'une largeur de 098 mm, et une seconde portion 20a, diune longueur de 1 mm et d'une largeur de 1,6 mm. Cette dernière portion 20a arrive au contact de la paroi de fond 7 de la cage 6. Le diamètre de ia saillie circulaire 21 est de 3,2 cm et sa hauteur est de 0,3 mm. Exemple 2 Diamètre du piston : 4 cm; - Course du piston ou d'arrêt (égale à la longueur de la portion 6a de paroi mince): 10,3 cm; - Poids de la masse à arrêter : 1000 kg; - Vitesse d'impact de la masse à arrêter contre la tige 10 : 170 cm/s; - Décélération : 980 cm/s2; - Pression de l'air dans ie réservoir : nulle; Viscosité cinématique du liquide : 25 centistokes. Pour un amortisseur de ce type, l'ensemble des trous, dIsposés suivant une même ligne sur la portion 6a de paroi mince, se subdivise en un premier groupe de 39 trous de 0,6 mm de diamètre, un second groupe de quatre trous de 0,8 mm de diamètre et une dernière ouverture 19 qui se termina au contact de la paroi de fond 7. Le centre du premier trou du pre- mier groupe est à 1,9 mm du début de la course du piston; les distances d'axe en axe entre les trous de ce premier groupe ont pour valeur, en millimètres : 3,6; 3,6; 3,5; 3,4; 3,4; 3,3; 3,2; 3,2; 3,1; 3,0; 3,0; 2,9; 2,8; 2,8; 2,7; 2,6; 2,6; 2,5; 2,4; 2,4; 2,3; 2,2; 2,2; 2,1; 2,0; 2,0; 1,9; 1,8; 1,8; 1,7; 1,6; 1,6; 1,5; 1,4; 1,4; 1,3; 1,2; 1,2. La distance entre axes entre le premier trou du second groupe et le dernier trou du premier groupe est de 1,4 mm; les-distances dDaxe en axe entre les trous de second groupe ont pour-valeur, en millimètres : 1,6; 1,4 et 1,2. L'ouverture 19 commence à une distance de 1,2 mm du centre du dernier trou du second groupe et elle est constituée par'une fenotre rectangulaire d'une largeur de 0,8 mm et d'une longueur de 3 mm. La saillie circulaire 21 a un diamètre de 2,5 cm et une sauteur de 0,4 mn. R E V E N D I C A T I O N S 1. Amortissaur hydraulique servant à arrêter une masse en translation en un point donné de sa trajectoire du type comprenant un cy ordre fermé à une extrémité et ouvert à l'autre5 dans la jupe de ce cylindre une série de trous disposés suivant au moins une génératrice de ce derr.-'er, un collecteur qui communique, d'une part5 avec l'intérieur de ce cylindre au moyen de ladite série de trous et, autre part, avec un réservoir de liquide, et un piston qui coulisse dans ce cylindre et qui5 au cours de son déplacement vers l'extrémité fermée de ce dernier, ferme prograssivement les trous de ce cylindre par lesquels ce liquide est chassé dans le collec- teur, cet amortisseur hydraulique étant caractérisé en ce que cette série de trous est ménagée dans une cloison- mince qui constitue une partie de la jupe du cylindre, ces trous étant répartis dans cette paroli mince de telle manière qu'en chaque point atteint par le piston au cours de son déplacement vers l'extrémité fermée du cylindre, le rapport entre le débit Q du liquide à travers les trous qui sont encore ouverts et la surface S de ces derniers soit pratiquement constant et réponde à la'formule dans laquelle A p désigne la chute de pression du liquide d'amont en aval de ces trous, 3, la densité du liquide et K le coefficient connu.d'êcoule- ment des liquides à travers des trous percés dans des cloisons minces, et ce piston est muni', sur sa face tournée vers l'extrémité fermée du cylindre, d'une saillie circulaire coaxiale, d'un diamètre inférieur à celui du piston' et d'une hauteur telle que cette saillie vienne au contact, à vitesse nulle, de l'extrémité fermée du cylindre lorsque le dernier de ces trous de la paroi mince n'est pas encore complètement bouché par le piston. 2 Amortisseur hydraulique selon la revendication 1, carac térisé en ce que, dans ce réservoir et au-dessus de la surface libre du liquide, se trouve de l'air sous pression constante pendant tcut le mouvs- ment décéléré du piston. 3 Amortisseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ces trous dans la paroi mince sont ménagés sur une portion longitud4nale de la jupe du cylindre qui occupe une longueur inférieure à la longueur du piston.