Brevet FR2368619A1 — publié le 19780519

La présente invention se rapporte à un ensemble contrecame-piston pour machine hydrostatique. Divers types de machines hydrostatiques tels que les moteurs hydrostatiques et les pompes hydrostatiques comprennent des pistons constitués simplement par des billes qui vont et viennent dans des cylindres appropriés. Les pistons-billes jouent également le rôle de contre-cames de sorte qu'ils sont animés d'un mouvement de translation alternative dans leurs cylindres sous l'effet de la coopération avec le profil d'une came qui peut être constituée, par exemple, par un chemin de roulement continu non circulaire (comme décrit, par exemple, dans le brevet britannique nO 1.255.006). On observe une tendance du fluide hydraulique à fuir le long des pistons-billes de ce type, en particulier en présence de hautes pressions et de couples élevées. Eli outre, étant donné qu'un couple élevé tend à provoquer l'apparition de grandes forces latérales entre la bille-piston et son cylindre, il peut se produire une usure excessive sur les surfaces qui coopèrent entre elles. Une solution qui a déjà été proposés pour résoudre ces problèmes consiste à munir un piston coulissant dans un cylindre d'un alvéole de logement de la bille ménagé dans son extrémité. Un passage de lubrification destiné à l'écoulement du fluide travaillant traverse le piston pour réunir la chambre de travail à l'alvéole de logement de la bille. Avec cet agencement, on peut obtenir une étanchéité effective mais l'un des avantages fondamentaux de la bille-piston est perdu : le problème réside dans le fait que la bille doit transmettre la contrainte axiale au piston par l'intermédiaire de surfaces de glissement entre la bille et son alvéole de logement et que le frottement de glissement réduit le rendement de la machine hydrostatique. Un but de l'invention est de réaliser un groupe ou ensemble contre-came-piston pour machine hydrostatique dans lequel on puisse obtenir un frottement faible et une étanchéité effective. Â cet effet, l'invention a pour objet un ensemble contrecame-piston pour machine hydrostatique comprenant un piston étagé et une bille, une première partie terminale du piston, dont la section constitue la section travaillante, étant adaptée pour coulisser à joint étanche dans un cylindre de travail et présentant une face terminale de travail destinée à subir l'action dtun fluide hydraulique sous pression, l'autre partie terminale du piston étant de diamètre supérieur au diamètre de la section travaillante et présentant dans sa face terminale un alvéole dans lequel la bille est logée, libre en rotation, et placée dans une position telle qu'elle fait saillie de l'alvéole pour pouvoir rouler sur une surface de came, le piston présentant un passage qui s'étend de sa face terminale de travail à la surface interne de l'alvéole, la bille étant appuyée à joint étanche contre la paroi de l'alvéole de sorte qu'une fraction importante de la surface de la bille est continuellement exposée à l'action de la pression de travail. En logeant la bille dans une partie de diamètre élargi du piston au lieu de la disposer dans un piston possèdant une section travaillante uniforme, on peut utiliser une bille plus grosse et possèdant une plus grande section effective exposée à la pression de travail. Le diamètre de la bille est de préférence supérieur au diamètre de la partie travaillante et la projection de la surface effective ou exposée de la bille est approximativement égale à la surface de la face terminale de travail du piston. En variante, le diamètre de la bille peut être approximativement égal au diamètre de la partie travaillante et une grande partie de la surface effective de la bille est exposée à l'action de la pression de travail. La portion extérieure de la partie de grand diamètre du piston présente de préférence une surface de portée adaptée pour coulisser contre une surface de portée complémentaire fixe par rapport au cylindre. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description qui va suivre, Aux dessins annexés, donnés uniquement à titre d'exemples, la Fig.1 est une coupe schématique d'un groupe ou ensen- ble contre-came-piston suivant l'invention; la Fig.2 est une vue en coupe d'un moteur hydraulique utilisant le groupe ou ensemble contre-came-piston du type représenté sur la Fig.1; la Fig.3 est une vue en coupe suivant la ligne III-III de la Fig.2; la Fig.4a est une courbe représentative du profil de la came; la Fig.4b est une courbe représentative de la vitesse du piston pour le profil de came représenté sur la Sig.4a; la Fig.4c est une courbe représentant le couple en fonction de l'angle de rotation;; la Fig.5 représente en demi-coupes, respectivement audessus et au-dessous de l'axe médian, deux types de pistons qui peuvent être utilisés dans un moteur hydraulique; et la Fig.6 représente une variante de réalisation d'un rotor pouvant être utilisé dans le moteur de la Fig.2. Suivant l'exemple d'exécution représenté sur la Fig.1, un groupe ou ensemble contre-came-piston pour pompe ou moteur hydraulique rotatif comprend un piston Il et une bille 12. Le piston 11 est un piston étagé et il coulisse de façon alternative dans un cylindre étagé 25. L'axe longitudinal du cylindre 25 s'étend radialement par rapport au rotor 27 du moteur hydraulique. La partie radialement intérieure 14 du cylindre 25 est constituée par un alésage de diamètre inférieur à celui de la partie radialement extérieure 24 de ce cylindre. Le piston 12 comprend une partie 13 radialement intérieure qui coulisse alternativement dans l'alésage 14, le joint formé entre cette partie et la paroi de l'alésage étant fermé par une garniture d'étanchéité 16 en PTFE (polytétrafluoroéthylêne). Le piston 11 présente une surface terminale de travail 15 sur laquelle agit la pression du fluide contenu dans l'alésage 14. la partie radialement extérieure 17 du piston 12 est de diamètre supérieur à celui de la partie radialement intérieure 13. Cette partie extérieure 17 présente dans sa surface radialement extérieure un alvéole 18 de logement de la bille, dans lequel la bille 12 est reçue. la bille est logée dans l'alvéole 18 de telle manière qu'il subsiste un jeu entre la surface radialement intérieure de la bille et la surface interne 26 de l'alvéole et la bille est retenue dans cet alvéole par la surface en forme de secteur -sphérique d'un elément de portée ou coussinet 19 qui porte sur une large zone de la bille située à cheval sur son équateur E. Ce coussinet 19 peut être réalisé en UN PIFE relativement élastique ou en une matière métallique pour coussinets; dans ce dernier cas, il doit être constitué par un coussinet en deux pièces. La bille 12 est montée dans le coussinet 19 et emboîtée dans l'alvéole 18 par l'extrémité radialement extérieure du piston puis fixée à ce piston par le rabattement de languette 21, qui sont également représentées en 21a dans la position qu'elles possèdent avant l'assemblage. La partie extérieure de grand diamètre 17 du piston 12 coulisse alternativement dans l'alésage 24 et porte sur sa périphérie extérieure une garniture de portée 23 qui glisse contre la paroi de l'alésage 24. la garniture 23 peut être constituée, par exemple, par une garniture en PTFE ou en Torlon (Marque déposée), cet élément n'a pas à se comporter comme une garniture d'étanchéité mais s'xl exerce cette fonction, le volume annulaire 29 situé derrière la partie de grand diamètre 17 du piston doit être 6vuilibré. La bille 12 est engagée dans l'alvéole 18 de telle manière qu'une partie importante de son volume fasse saillie radialement à l'extérieur de la partie de grand diamètre 17 du piston pour pouvoir coopérer avec un chemin de roulement 28 de la came. Le piston 11 présente un passage axial 22 qui relie sa face terminale travaillante 15 à une chambre 30 formée par le Jeu existant entre la partie intérieure de la bille 18, qui est exposée dans la direction radiale et la surface 26 de l'alvéole 18, de sorte que l'alésage 14 est en communication avec la chambre 30. Le diamètre de l'alésage 14 représente le diamètre N de la section travaillante et le diamètre effectif de la section ou de la projection de la surface de la bille qui est exposée radialement vers l'intérieur, c'est-à-dire qui n'est pas masquée par le coussinet sphérique 19 est indiqué en De et cette cote De est légèrement inférieure à Dw. La différence existant entre De et Dw donne naissance à un effort de réaction du piston Il sur la bille 12. Une pression hydrostatique P qui agit dans-l'alésage 14 oblige la contre-came constituée par le piston Il et la bille 12, à exercer une poussée Tc sur le chemin de roulement de la came et la composante axiale Ta de la poussée Tc est T qui est égale à la composante axiale la de la force de réaction Lt qui s'exerce entre la bille 12 et le chemin de roulement 28. la pression P agit également directement sur la partie exposée de la bille 12 avec une poussée PM De2 . Etant donné que la composante axiale de la force de réaction Ia vaut PMDw/4, la contrainte Fm exercée par le piston sur la bille est PM (Dw2 De2). De cette façon, si l'on choisit pour De une valeur seulement très légèrement inférieure à Dw, la contrainte exercée par le piston sur la bille peut être maintenue à une valeur minimale permettant de réduire l'usure entre le coussinet 19 et la bille 12, tout en pouvant également être suffisamment grande pour assurer l'établissement d'un joint étanche au fluide entre le coussinet et la bille. La force de réaction Lt comprend une composante axiale la et une composante équatoriale Le. La composante équatoriale Le est transmise au piston par l'intermédiaire de la bille 12 et du coussinet 19 et donne naissance, d'une part, à un certain frottement qui offre une résistance à la rotation de la bille, et, d'autre part, à une force latérale qui est transmise au rotor 27 par l'intermédiaire du piston. La composante équatoriale le varie avec l'inclinaison du chemin de roulement de la came par rapport à l'axe du cylindre 25. Si l'inclinaison est faible, Le est sensiblement inférieure à La et la force de frottement est relativement faible.La garniture de portée 23 qui est comprise entre la partie de grand diamètre 17 du piston Il et la paroi de l'alésage 24 est agencée pour être à peu près centrée sur la composante équatoriale Pe de la poussée Tc qui est exercée par la contre-came, de sorte que la composante équatoriale Te est transmise à peu près en totalité au rotor 27 par l'intermédiaire de cette garniture. De cette façon il ne s'exerce aucune charge latérale, ou du moins qu'une charge latérale faible, entre la partie de petit diamètre ou radialement intérieure 13 du piston et l'alésage 14, de sorte que la garniture d'étanchéité 16 peut être conçue comme une garniture d'étanchéité effective à faible coefficient de frottement sans avoir à être capable d'absorber des contraintes latérales. Ig serait possible de rendre De égal à Dw de manière que la contrainte Fm exercée sur la bille 12 par le piston Il soit égale à zéro. Toutefois, il est souhaitable qu'il s'exerce une petite force finie parce que cette force est favorable à l'éta- blissement d'un joint étanche entre la bille et son alvéole, ainsi qu'on l'a décrit plus haut, et également au maintien posi- tif de la position de la bille par rapport à sa surface de portée. Il est évident que le diamètre E de la bille doigt être supérieur à De et que, en général, E est égal ou légèrement supérieur à Dw.Toutefois, dans les cas où il est nécessaire de prévoir une surface de portée particulièrement grande entre la bille et l'alvéole, il pourrait être nécessaire de donner à E une valeur nettement supérieure à Dw. la contre-came présentant la construction de base décrite en regard de la Fig.1 fait partie d'une machine hydrostatique telle que celle représentée sur les Fig.2 et 3. La machine représentée sur les Fig.2 et 3 est un moteur hydraulique mais la contre-came peut également être utilisée dans une pompe de construction analogue. Le moteur hydraulique comprend un carter fixe 31 de forme sensiblement cylindrique et qui présente un chemin de roulement 28 à profil de came sur sa surface radialement intérieure. Ainsi qu'on l'a indiqué par lue schéma de la Fig.4a, le profil de cette came correspond aux indications du brevet britannique nO 1.255. 006, dans lequel on prévoit un petit segment de repos, 51 ou 52, dans le profil de la came au point mort de creux ou de crête. Entre chaque creux et la crête adjacente, le profil comprend une partie 53 qui présente un rayon constamment croissant ou constamment décroissant, selon que le traJet de la contre-came s'étend d'un creux à une crête ou d'une crête à un creux. Ce rayon constamment croissant introduit une phase de vitesse constante du piston dans la caractéristique du mouvement. la courbe représentant la vitesse du piston en fonction de l'angle est sensiblement celle indiquée sur la Fiv.4~. Cette phase de vitesse constante occupe à peu près 30% de la rotation du rotor entre un creux et la crête suivante. L'introduction de la phase de vitesse constante peut éliminer les fluctuations du couple de sorte qu'avec le moteur représenté sur les Fig.2 et 3, la phase de vitesse constante peut être agencée de manière à placer la phase d'accélération 87 dans les mêmes limites que la phase de décélération d'une autre bille 88. Les deux accélérations opposées s'annulent mutuellement et, avec l'arrangement de piston représenté sur les Fig.2 et 3, il est possible d'obtenir un couple constant. Les contre-cames sont agencées pour travailler en trois paires opposées et le chemin de roulement continu 28 présente quatre lobes. Il en résulte que la came présente effectivement douze parties sur lesquelles le couple est engendré et, par conséquent, pour un couple constant, chaque piston produit un couple constant sur 300 par lobe. La Fig.4c est un schéma d'une courbe représentative de la variation du couple en fonction de l'angle et les lignes pointillées qui forment le rectangle montrent l'étendue effective du couple de 300. Les trois courbes tracées respectivement en traits pleins, en tireté et en traits mixtes représentent le couple des jeux de piston 1, 2 et 3 et on voit que ces pistons ont un mode de travail qui contribue à produire un couple constant sans accoup. Le carter cylindrique 31 du moteur comprend deux demicarters, dont l'un constitue un flasque terminal annulaire 46 tandis que l'autre, le demi-carter 47, présente sensiblement la forme d'un disque et porte la came 28 sur la surface radialement intérieure de sa paroi latérale 48. Les deux demi-carters 46 et 47 sont boulonnés l'un sur l'autre. Le demi-carter 47 en forme de disque porte un axe 32 en porte-à-faux autour de l'axe géométrique duquel le rotor 27 tourne. L'axe 32 comprend deux parties coaxiales, une partie intérieure 44 et une partie extérieure 45. L'axe 32 fait saillie à l'intérieur du carter et également à l'extérieur du carter et la partie située à l'extérieur du carter 31 présente un orifice d'entrée 37 et un orifice de sortie 38 pour la circulation du fluide hydraulique. L'axe est composé de deux parties pour la facilité de la fabrication mais on le considérera dans la description comme un élément d'un seul tenant. Un alésage coaxial 36 ménagé dans l'axe 32 est relié par une première extrémité à l'orifice d'entrée 37, tandis qu'à son autre extrémité il présente quatre premiers passages radiaux 38 espacés à intervalles angulaires réguliers et qui sont destinés à communiquer avec les cylindres 25 du rotor. L'axe 32 renferme également quatre passages longitudinaux 33 qui sont reliés à une première extrémité à l'orifice de sortie 34 par l'intermédiaire d'un passage annulaire 41, tandis qu'à l'autre extrémité il présente quatre seconds passages radiaux 35 espacés d'intervalles angulaires réguliers, qui sont agencés de manière que chacun de ces seconds passages radiaux 35 soit équidistant de deux premiers passages radiaux 38.Les seconds passages radiaux 35 sont également destinés à communiquer avec les cylindres 25 du rotor. De cette façon, on obtient huit passages radiaux 35 et 38, espacés d'intervalles angulaires égaux et qui sont agencés en alternance pour communiquer les uns avec l'orifice d'entrée 34 et les autres avec l'orifice de sortie 37. La partie de l'axe 32 qui fait saillie à l'intérieur du carter 31 porte le rotor 27. Ce rotor 27 comprend un arbre d'entraînement coaxial 49, qui fait saillie dans le sens cppose- l'axe 32 et émerge à travers l'ouverture centrale du flasque d'extrémité annulaire 46. L'ouverture centrale forme une surface de portée étanche pour l'arbre d'entraînement 49 et supporte le rotor 25 dans'sa rotation autour de l'axe central 32. Le rotor 27 présente six cylindres étagés 25 espacés d'intervalles angulaires rectilignes et dont chacun présente un orifice radial 39 aligné axialement sur la couronne de passages radiaux 35 et 38. Par conséquent, lorsque le rotor tourne, chaque cylindre 25 entre alternativement en communication avec un passage de sortie 35 et avec un passage d'entrée 38 par l'intermédiaire de son orifice 39. iârsque 2e rotor 27 occupe la position relative par rapport au carter 31 qui est représentée sur 18 Fig.2, deux cylindres diamétralement opposés 25b et 25e sont isolés, les deux cylindres diamétralement opposés 25a et 25d communiquent avec l'orifice d'entrée 27, par l'intermédiaire de l'alésage 36 et les cylindres 25c et 25f communiquent avec l'orifice de sortie 34 par l'intermédiaire des passages longitudinaux 33 et des passages annulaires 41. Les six contre-cames coulissent alternativement, chacune dans l'un des six cylindres étagés 25. Les contre-cames travaillent sur le principe décrit plus haut et seront décrites ci-après avec plus de détails. Toutefois, dans le moteur représenté sur la Fig.3, chaque piston 11 présente un alésage axial 81 qui communique avec la surface radialement intérieure ou surface effective exposée de la bille 12 par l'intermédiaire de plusieurs petits passages 82. Un ressort hélicoldal 50 est interposé entre la base de chaque cylindre 25 et la face terminale de l'alésage 81 de manière à solliciter le piston dans le sens qui tend à maintenir la bille dans son alvéole à l'intérieur du piston, puisqu'ici, la bille n'est plus maintenue par un coussinet qui l'enveloppe de part et d'autre de son équateur. La Fig.4a représente les cylindres 25e, 25b et 25c dans leur position relative par rapport au profil de la came, la came étant représentée dans le sens inverse des aiguilles d'une montre entre les points 42 et 43 de son profil. Â tout moment quelconque de la rotation du rotor, au moins deux cylindres 25 sont en communication avec le passage d'entrée 36, sauf lorsque deux cylindres s'éloignent de la position d'alignement avec les passages d'entrée que deux autres cylindres se placent vers la position d'alignement avec ces passages d'entrée. Par conséquent, à cet instant il y a quatre cylindres qui communiquent avec le passage d'entrée 36. Le point de recouvrement est situé environ 150 après que la bille de la contre-came ait franchi la crête et est entrée dans sa course motrice. La caractéristique consistant en ce que les quatre pistons sont reliés à l'entrée de pression prend une certaine importance aux petites vitesses de rotation, par exemple de 1 tr/ mn.En effet, dans cette situation, le couple de sortie étant constant, le frottement entre les billes 12 et leurs coussinets 19 est deux fois plus fort que pendant le milieu de la course motrice, où il ne se produit de frottement qu'entre deux billes et leurs pistons respectifs. De cette façon, la sortie du rotor est momentanément réduite. Ce problème est résolu par l'utilisation d'une deuxième rangée de six cylindres 58, (voir Fig.6) qui est espacée axialement de la première rangée de cylindres 25 dans laquelle les cylindres sont orientés radialement par rapport au même axe du rotor mais décalés circonférentiellement de 150 par rapport aux cylindres de la première rangée. De cette façon, à tout instant, la pression d'entrée est reliée à six des douzes cylindres. La Fig.5 montre deux types différents de contre-cames qui peuvent être utilisées dans le moteur représenté sur les Fig. 2 et 3. Le piston étagé 61 possède une partie de grand diamètre 62 et une partie de petit diamètre 63. La partie de petit diamètre 63 porte le garniture d'étanchéité annulaire 16 destinée à fermer hermétiquement le joint sur la paroi de 11 alésage 14, comme décrit plus haut. la garniture d'étanchéité comprend une bague intérieure 64 en matière élastomère et une bague extérieure en PTFE. La partie de granddiamètre 62 du piston porte la bille 12 dans un alvéole hémisphérique 18 ménagé dans sa face externe. La bille 12 est engagée dans l'alvéole 18 de telle manière que cet alvéole n'embrasse la bille que sur un coté de son équateur E. La bille 12 est maintenue dans l'alvéole par le ressort 50 qui tend à appliquer le piston contre le chemin de roulement 28 de la came, comme on l'a décrit plus haut. La bille 12 est appuyée contre le fond et les côtés de l'alvéole 18 mais une cavité annulaire 66 est formée dans la partie inférieure de l'alvéole pour ménager une chambre entre la surface de la bille 12 qui est radialement intérieure (par rapport au rotor 27) et la base de l'alvéole. Cette cavité 66 est reliée par plusieurs passages 82 au fond d'un passage axial 81 qui est creusé dans la partie de petit diamètre 63 du piston. Le joint entre la bille 12 et la surface de l'alvéole est fermé hermétiquement par une garniture d'étanchéité 67 qui comprend une bague 69 en matière élastomère, maintenue dans le fond d'une gorge 68 qui est elle-m8me ménagée dans la surface de l'alvéole hémisphérique, et une bague d'étanchéité 70 en PTFE qui forme le joint étanche sur la surface de la bille 12. Le diamètre de la face terminale 71 de la partie de petit diamètre du piston constitue le diamètre Dw de la section travaillante du piston et le diamètre de la partie de la bille 12 qui est exposée àl'action du fluide contenu dans la chambre 66 est De. Dans la variante représentee au-dessus de la ligne X-X, le piston 61 est constitué par une pièce moulée ou usinée en une matière plastique pour portées. La matière connue sous le nom de orlon (Marque déposée) nuance 4301 est une matière pour portées et, de cette façon, il n'est pas nécessaire de prévoir un coussinet séparé sur le côté qui reçoit la bille ni une garniture sur la surface périphérique de la partie de grand diamètre 62. Dans la variante située au-dessous de la ligne X-X, le piston est réalisé en métal, par exemple en laiton, et muni d'une garniture 71 en Orlon, obtenue par moulage direct sur le piston en laiton, de manière à former un coussinet pour recevoir la bille 12 et pour absorber la réaction du piston contre la paroi du cylindre 25. REVENDICATIONS 1. Ensemble contre-came-piston pour machine hydrostatique comprenant un piston étagé et une bille, une première partie terminale du piston, dont la section constitue la section travaillante, étant adaptée pour coulisser à joint étanche dans un cylindre de travail et présentant une face terminale de travail destinée à subir l'action d'un fluide hydraulique sous pression, l'autre partie terminale du piston étant de diamètre supérieur au diamètre de la section travaillante et présentant dans sa face terminale un alvéole dans lequel la bille est logée, libre en rotation, et placée dans une position telle qu'elle fait saillie de l'alvéole pour pouvoir rouler sur une surface de came, le piston présentant un passage qui s'étend de la face terminale de travail à la surface interne de l'alvéole, caractérisé en ce que la bille (12) est appuyée à joint étanche contre la paroi de l'alvéole (18) de sorte qu'une fraction importante (De) de la surface de la bille (12) est continuellement exposée à l'action de la pression de travail (P). 2.- Ensemble suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'aire de la surface exposée de la bille est approximativement égale ou très légèrement inférieure à l'aire de la face terminale de travail (15) du piston (11), et en ce que ce résultat est obtenu en prenant pour diamètre effectif (De) de la bille (12) une valeur approximativement égale au diamètre de la section travaillante (D) du piston (11). 3.- Ensemble suivant la revendication 2, caractérisé en ce que le diamètre (E) de la bille est supérieur au diamètre (Dw) de la section travaillante. 4.- Ensemble suivant la revendication 2, caractérisé en ce que le diamètre (E) de la bille est approximativement égal au diamètre (Dw) de la section travaillante. 5.- Ensemble suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la surface périphérique de la partie de grand diamètre (17) du piston (11) présente une surface de portée (23) adaptée pour coulisser contre une surface de portée complémentaire (24) fixe par rapport au cylindre travaillant. 6.- Ensemble suivant la revendication 5, caractérisé en cè que la surface de portée est faite de la même matière que le corps du piston. 7.- Ensemble suivant la revendication 4, caractérisé en ce que le piston (11) est sollicité en permanence en direction de la surface de came (28, Fig.3) de manière à maintenir positivement la bille (12) en position dans son alvéole (18). 8.- Machine hydrostatique destinée à être utilisée comme pompe ou moteur hydraulique1 et comprenant une surface de came, au moins une contre-came et des cylindres de travail dans lesquels les contre-cames-coulissent de façon alternative, cette machine hydrostatique étant caractérisée en ce que chacune des contre-cames est conforme à l'une quelconque des revendications précédentes.