Brevet FR2410760A1 — publié le 19790629

L'invention est relative aux dispositifs du genre des pa-liers et butées lisse à lubrification hydrodynamique, qui sont munis de moyens pour injecter un lubrifiant fluide entre deux surfaces parallèles ou sensiblement parallèles de ce dispositif, animées d'un mouvement relatif en fonctionnement, et pour évacuer les fuites de ce lubrifiant. Il parait utile de rappeler ici quelques relations concernant le film de lubrifiant qui se forme et circule entre les surfaces parallèles d'un palier ou d'une butée. Soit une première pièce A, se déplaçant à une vitesse linéaire v par rapport à une deuxième pièce A de référence (fixe ou mobile)., ces deux pièces présentant o l'une vers l'autre des surfaces planes entre lesquelles est maintenu un film de lubrifiant et la surface plane de la première pièce A étant supposée rectangulaire.Si lton appelle B : la dimension de la première surface plane, mesurée parallèlement au vecteur de la vitesse ; 1 : la dimension de cette même surface plane, mesurée perpendiculai rement à ce vecteur F : la force nécessaire pour déplacer la première pièce A par rapport à la deuxième A P : la viscosité du lubrifiant h : la hauteur ou épaisseur du film de lubrifiant Q : le débit d'huile, appelé ci-apres "débit de Newton, qui est provoque par le déplacement relatif des deux pièces, en l'absen ce de toute fuite latérale (c'est-à-dire perpendiculaire au vec teur vitesse). La théorie de Newton se traduit par les deux relations suivantes, en un système d'unités cohérent Le travail de la force F, ne donnant lieu à aucun équivalent mécanique, est entièrement transformé en chaleur dans le lubrifiant. Si l'on appelle : l'élévation de la température du lubrifiant la ia masse volumique du lubrifiant c : la chaleur spécifique du lubrifiant et si l'on néglige les échanges thermiques avec les parois, on peut écrire P a F.v = Q.p.c.e, P étant la puissance. En remplaçant F et Q par leurs valeurs tirées des relations (1) et (2), on en déduit que I'élévation de température qui correspond aux déperditions de l'effet Newton est donnée par la relation Pour établir un régime de lubrification hydrodynamique, on s'est efforcé jusqu'ici de créer géométriquement des coins d'huile (ou autre lubrifiant fluide) entre les surfaces en mouvement relatif des susdits dispositifs. Actuellement, les paliers à coins d'huile qui fonctionnent avec excentration ou avec des blochets ou patins en pente ont un taux de fuites latérales d'huile de l'ordre de 30 % (valeurs classiques donnant des performances optimales).L'expérience montre que l'élévation de température mesurée de tels dispositifs est de deux à quatre fois supérieure à l'élévation de température théorique qui correspond aux déperditions de l'effet Newton, pour un tour de palier ou pour le parcours de l'huile sous un blochet, et qui est définie par la relation (3) ci-dessus. Ceci revient à exprimer que l'huile n'est effectivement refroidie que lorsqu'elle sort de la portée par les fuites latérales. L'huile (ou autre fluide) restant sous la portée se trouve donc soumise à plusieurs cycles d'échauffement successifs et atteint ainsi une température si élevée que le fluide perd sa viscosité et ses propriétés lubrifiantes.Les matériaux constituant les surfaces adjacentes du dispositif perdent leurs caractéristiques et les contacts, de plus en plus nombreux, des pièces qui ne sont plus supportées par le film de lubrifiant conduisent rapidement au "grippage". Par ailleurs, la sustentation par surfaces planes ou cylindriques parallèles, dont la force correspond à la pression qui se crée sous la portée pour éjecter l'excès de volume de l'huile dû à la dilatation de celle-ci par échauffement consécutif à l'effet Newton, est peu utilisée car, dans ce cas a) le film d'huile est plus mince qu'avec les blochets usuels (par exemple, trois fois plus mince), dans des conditions égales par ailleurs b) la température atteinte est encore plus haute car au phénomène précédent s'ajoute le fait que les fuites latérales deviennent faibles et que par conséquent le refroidissement devient presque inexistant c) les relations mathématiques permettant dévaluer les caractéris tiques du film d'huile sont mal connues ou contestées. Or, le phénomène de sustentation, qui se produit dans les paliers ou butées à surfaces planes ou cylindriques parallèles, n'existe qu'en raison de la différence de température entre l'entrée et la sortie du lubrifiant fluide par rapport aux surfaces en mouvement relatif. En d'autres termes, l'effet de "coin d'huile" doit entre créé non pas géométriquement, mais thermiquement par dilatation progressive du lubrifiant. Au contraire, on s'efforçait jusqu'ici d'abaisser globalement la température de l'huile, ce qui avait pour conséquence d'atténuer la différence de température entre l'entrée et la sortie du lubrifiant fluide et par conséquent de contrarier le phénomène de sustentation. L'invention a pour but de diminuer la température maximale atteinte par le lubrifiant tout en autorisant une augmentation de l'écart de température mis à profit pour engendrer la force de sustentation. Pour atteindre ce but, le dispositif conforme à l'invention est essentiellement caractérisé en ce que l'une des surfaces parallèles ou sensiblement parallèles du dispositif est interrompue par au moins une gorge qui est orientée transversalement par rapport à la direction du déplacement relatif de cette surface, observé au niveau de cette gorge, et en ce que les susdits moyens sont agencés de façon à engendrer une vitesse de déplacement du lubrifiant, dans la ou chaque gorge, qui est suffisante pour évacuer de cette gorge tout le lubrifiant qui correspond au débit de Newton, à mesure qu'il pénètre dans la gorge considérée, et à injecter, dans l'intervalle compris entre les deux surfaces parallèles ou sensiblement parallèles, du lubrifiant frais pour renouveler le film de sustentation en aval de cette gorge. Lorsqu'il s'agit d'une butée plane, a gorge en question est orientée radialement ou à peu près radialement par rapport à l'axe de rotation de la butée. Lorsqu'il s'agit d'un palier cylindrique, cette gorge est orientée parallèlement ou à peu près parallèlement à l'axe de rotation du palier. De toute façon, la température d'entrée (huile fraiche injectée dans la gorge) et la température de sortie (huile échauffée par passage entre les deux surfaces parallèles)sont pratiquement constantes en régime permanent. Le flux principal de lubrifiant, qui n'a pas pour rôle de refroidir l'extérieur du dispositif, nSen extrait pas de calories par échange avec les parois, ce qui diminuerait l'efficacité de l'effet Newton.La différence entre les températures d'entrée et de sortie est donc sensiblement constante et maximale et, par conséquent, la force de sustentation est elle-meme maximale. Selon un mode de réalisation particulièrement avantageux, les moyens susvisés injectent le lubrifiant frais à l'une des extrémités de cette gorge avec une vitesse suffisante pour chasser jusqu'à l'autre extrémité de la gorge considérée le lubrifiant qui y pénètre en raison de l'effet Newton après échauffement, celle des deux surfaces parallèles ou sensiblement parallèles qui comporte la ou chaque gorge étant de préférence fixe. De préférence, les moyens susvisés comportent une pompe à lubrifiant dont le refoulement est relié à la première extrémité de la ou chaque gorge et dont l'aspiration est reliée à la deuxième extrémité de cette gorge, un dispositif de refroidissement étant associé au circuit de la pompe. L'invention va être maintenant décrite plus en détail à l'aide des dessins annexés qui en représentent divers modes de réalisation. La figure 1 est un schéma permettant de situer les paramètres essentiels de l'effet Newton. La figure 2 représente, en coupe verticale, une butée lisse à laquelle 1'invention peut être appliquée. La figure 3 montre, à plus grande échelle, le détail indiqué en III à la figure 2 et illustre la façon dont l'invention peut être appliquée à cette butée lisse. La figure 4 représente, en plan, la moitié de l'un des éléments de la même butée lisse, vu selon la ligne IV-IV de la figure 2. La figure 5 montre une variante de la figure 3. Les figures 6 et 7 illustrent, par des vues comparatives en plan, la façon dont doivent être déterminés les paramètres essentiels de l'invention. Les figures 8, 8A, 8B et 8C représentent divers profils de la surface à gorges, développée selon la ligne VIII-VIII de la figure 4. La figure 9 illustre, par une vue en perspective avec parties coupées, l'application de l'invention à un palier cylindrique lisse. La figure 10 représente, en coupe axiale, une variante de la figure 9. Les figures 11, 12, 13 et 14 représentent chacune une varian- te de la figure 6. La figure 1 permet de situer, sur les pièces A et Ao, les paramètres v, F, B, 1 et h dont il a été question ci-dessus lors du rappel des notions relatives à l'effet Newton. La butée verticale lisse, qui est représentée aux figures 2 et 3, comprend un élément rotatif 1, qui est solidarisé avec un arbre tournant vertical 2 par un- clavetage 3, et deux éléments superposés non rotatifs 4 et 5. L'élément supérieur non rotatif 4 est limité par une surface supérieure 6, qui est plane en majeure partie et sur laquelle s'appuie la surface inférieure plane 10 de l'élément rotatif 1, et par une surface inférieure 7 qui est sphériquement convexe et qui s'appuie sur-la surface supérieure, sphériquement concave, de l'élément inférieur fixe 5. La surface partiellement sphérique 7 et la surface qui lui est conjuguée ont un centre commun C, ce qui permet à l'élément supérieur 4 de se centrer automatiquement par rapport à l'arbre 2. L'élément 4 est empêché de tourner autour d'un axe vertical par engagement d'un téton 8, en saillie par rapport à la surface 7, dans une boutonnière radiale ménagée sur la surface conjuguée de l'élé- ment inférieur fixe 5. Selon l'invention, la surface 6 de l'élément 4 est interrompue par quatre gorges 9 dont chacune est orientée transversalement par rapport à la direction du déplacement relatif de cette surface, observé au niveau de la gorge considérée, c'est-à-dire qui est orientée radialement. De plus, la butée est équipée de moyens agencés de façon à évacuer de chaque gorge 9 tout le lubrifiant qui correspond au débit de Newton (selon le vecteur de la vitesse v à la figure 4), à mesure qu'il pénètre dans la gorge 9 considérée, et à injecter, dans l'intervalle compris entre les deux surfaces parallèles 6 et 10, du lubrifiant frais pour renouveler le film de lubrifiant en aval de cette gorge 9. Comme il ressort de la figure 4, chaque gorge 9 est orientée radialement par rapport à l'axe de rotation de la butée. Chaque gorge 9 est limitée vers l'extérieur par un bord d'étanchéité 28 ou 29 et elle est large (perpendiculairement au vecteur de la vitesse v) et peu profonde pour que 1a vitesse du lubrifiant v, dans cette gorge (voir la figure 6), perpendiculaire au flux de Newton, soit assurée de provoquer un balayage complet du lubrifiant qui a été échauffé par son passage entre les surfaces 6 et lO.En effet, si la gorge était étroite et profonde comme l'indique en 9d la figure 7 à titre comparatif, il y aurait un mélange de flux frais et du flux chaud dans la gorge 9d, sans certitude de balayage. La trajectoire d'une goutte de lubrifiant échauffé a été schématisée par un trait mixte oblique fléché à chacune des figures 6 et 7 pour mieux faire comprendre l'influence de la largeur et de la profondeur des gorges 9. Le fluide de balayage, entrant à la figure 6 par une fente 21 décrite en détail ci-après, interdit à de l'huile chaude ou tiède de pénétrer dans la portée (distance de sécurité d > . Contrairement à l'invention, le fluide de balayage de la figure 7 conduit à un mélange sans intérêt de fluide frais et de fluide chaud. Comme il est d'usage, l'un au moins des bords de la gorge 9 a une forme légèrement en pente et adoucie, comme montré en 32 à la figure 8, pour favoriser l'entrée du lubrifiant frais sous la portée située en aval de la gorge 9 (voir aussi la figure 6). La notion de vitesse v (figure 6) implique une certaine pression p1 disponible dans la fente d'entrée 21 (relation de Ber 2 nouilli : p = - ) ainsi qu'un certain débit Q1 qui est nécessaire 2 pour assurer cette vitesse dans la section transversale de cette gorge. Ce système conduit à la définition des paramètres du circuit P1 et Q1 et, par voie de conséquence, de la puissance à lui consacrer. Le débit Q1 ainsi défini étant beaucoup plus grand que le débit de Newton, son élévation de température est beaucoup plus faible que celle définie ci-dessus par la relation (3) et suffisamment petite pour qu'on puisse confondre la température d'entrée sous la portée aval avec la température d'arrivée de l'huile fraiche. La température moyenne des pièces du système se stabilise à peu près à la moyenne des températures d'entrée et de sortie du flux du débit de Newton entre les surfaces 6 et 10 d'une portée, le flux des fuites latérales étant à peu près à cette même température moyenne, et il n'y a donc pas d'échange calorifique sensible entre les portées et le fluide baignant l'extérieur du dispositif. Pour fixer les idées, la profondeur de la gorge 9 est généralement comprise entre 0,1 et 10 mm tandis que l'écart entre le bord d'étanchéité 28 ou 29 et la surface opposée 10 est généralement compris entre 5 et 50 lum. Selon le mode de réalisation des figures 2 à 4, les moyens susvisés comprennent une pompe à lubrifiant 11 dont le refoulement est relié à l'une des extrémités de chaque gorge 9 par une canalisa tion telle que 12 et dont l'aspiration est reliée à l'autre extrémité de cette gorge par une canalisation telle que -13, un dispositif de refroidissement ou radiateur 14 étant placé en aval de la pompe 11. Si le lubrifiant est liquide (huile), le circuit comprend en général un réservoir. 15 et un filtre 16. Les canalisatiQns 12 aboutissant aux diverses gorges 9 et les canalisations 13 partant de ces gorges sont montées en parallèle ou en série par rapport à la pompe 11 et aux accessoires 14, 15, 16 de celle-ci. Des canaux 17, 18 d'une part et 19, 20 d'autre part sont ménagés dans les éléments 4 et 5 de façon à pouvoir communiquer en permanence entre eux malgré les légers débattements de l'élément 4 et à relier les canalisations 12 et 13 à chaque gorge 9. Chaque canal 18 débouche dans sa gorge 9 par une fente 21 et chaque canal 20 part de cette gorge par une fente 22, les fentes 21 et 22 étant allongées en direction circonférentielle (voir la figure 4). A la figure 3, on a schématisé par des flèches F le sens de circulation principal du lubrifiant. On a également schématisé par des flèches f à la figure 3 les fuites latérales qui sont captées dans l'espace 23 compris entre les éléments 1, 4 et 5 d'une part et un carter extérieur étanche 24 d'autre part (voir la figure 2), ces fuites pouvant être par exemple ramenées au réservoir 15 par l'intermédiaire d'un raccord 25. De toute façon et comme expliqué ci-dessus, la vitesse d'arrivée du lubrifiant par la fente 21 est telle, compte tenu de la vitesse d'entrée v du lubrifiant chaud par le bord amont 26 de chaque gorge 9, que tout le lubrifiant chaud soit évacué par la fente opposée 22 et que le lubrifiant frais pénètre entre les surfaces opposées 6 et 10, par le bord aval 27 de chaque gorge. 9, de façon à y renouveler le film de lubrifiant. Chaque goutte de lubrifiant ne subit ainsi qu'un cycle d'échauffement entre le bord aval 27 de chaque gorge 9 et le bord amont 26 de la gorge 9 suivante (voir la figure 4). En général, les températures d'entrée (fente 21) sont égales entre elles et les températures de sortie (fente 22) sont aussi égales entre elles, mais de petites variations sont possibles. Bien que les gorges 9 soient au nombre de quatre à la figure 4 t ce nombre peut être diminué ou augmenté selon les conditions de travail particulières de la butée. La figure 5 représente une variante dans laquelle l'élément fixe de la butée, désigné ici par 5a, coopère directement avec l'élément rotatif 1, c'est-à-dire sans l'intermédiaire d'un élément sta-. tionnaire tel que celui qui est désigné par 4 aux figures 2 et 3. Dans ce cas, les canalisations 12 et 13 (figure 3) peuvent être reliées directement à des canaux 18a et 20a traversant l'élément 5a et aboutissant à chaque gorge 9. De plus, il a été supposé que, dans le mode de réalisation des figures 2 à 4, les surfaces 6 et 10 étaient planes et parallèles, ainsi qu'on l'a schématisé à plus grande échelle à la figure 8 où l'on a également fait apparaitre la cote h (épaisseur du film d'huile ou écart entre les surfaces 6 et 10).L'invention peut tout aussi bien s'appliquer dans le cas où la surface 6 a un développement circonférentiel en dents de scie, comme indiqué en 6a à la figure 8A, les gorges 9a étant placées aux points bas de ce développement, ou dans le cas où la surface 6 a un développement en zig-zag, avec des zones montantes 6b et des zones descendantes 6c (voir la figure 8B), les gorges 9b étant alors disposées aux points bas de ce développement, ou encore dans le cas où la surface 6 a un développement approximativement sinusoïdal comme indiqué en 6d à la figure 8C, les gorges 9c et 9d pouvant être plus ou moins écartées de la surface 10 de la manière représentée. Enfin, l'invention, qui a été décrite ci-dessus dans son application aux butées, peut tout aussi bien s'appliquer aux paliers cylindriques comme le montre la figure 9 où, pour rendre le dessin plus clair, on n'a pas représenté l'élément tournant de surface extérieure cylindrique et lisse. Dans ce cas, le coussinet 30 du palier est muni, sur sa surface intérieure, de gorges 9 identiques aux gorges 9 du mode de réalisation des figures 2 à 4 ou 5, mis à part le fait qu'elles sont orientées parallèlement ou à peu près parallèlement à l'axe de rotation du palier. En d'autres termes, les fentes 21 et 22 se déduisent l'une de l'autre par une translation parallèle à cet axe. Selon une construction classique, le coussinet 30 est porté par un bâti 31 à travers lequel passent des canaux d'arrivée 18a et de sortie 20a identiques à ceux de la figure 5.Dans ce cas, il peut y avoir intérêt à répartir les gorges 9 en fonction des charges reçues par le palier, c'est-à-dire à des intervalles angulaires différents en direction circonférentielle. Dans le cas où l'alimentation par l'extérieur du coussinet ou bague 30 (comme dans le cas de la figure 9) est rendue difficile, par exemple par un mouvement de ce coussinet (cas d'une bielle de moteur thermique, par exemple), on peut, tout en laissant les gorges 9 et fentes ou rainures 21, 22 sur cette bague 30, réaliser les alimenta tions par des canaux 33 et 34 ménagés dans l'arbre rotatif 35, de la façon représentée à la figure 10. Ces canaux communiquent avec des gorges circulaires 36 et 37, creusées à la périphérie de l'arbre 35, au niveau axial des rainures 21 et 22. Selon le genre d'application, la bague 30 peut être ou non munie, d'un côté ou des deux côtés, d'un joint de retenue 38 pour le lubrifiant fluide. Un tel joint est supprimé en particulier lorsque l'évacuation du lubrifiant se fait la téral emen t. Les figures Il et 12 montrent qu'on peut augmenter le nombre des fentes d'alimentation 21 et celui des fentes de retour 22, par rapport aux modes de réalisation des figures 2 à 6, 9 et 10. Pour une même vitesse v qui conditionne le flux de débit fluide du film porteur résultant de la théorie de Newton, cette disposition permet d'obtenir l'évacuation totale de ce flux à l'aide d'une vitesse v1 plus faible que ce qu'elle serait avec seulement une fente 21 et une fente 22. L'abaissement de v1 permet d'abaisser la pression d'alimentation, pour un débit identique, et par conséquent de diminuer la puissance consacrée au circuit de lubrification du palier ou de la butée. A la figure 11 par exemple, on a prévu une fente d'alimentation centrale 21 entre deux fentes de retour 22 tandis qu'à la figure 12, on a prévu deux fentes d'alimentation 21 alternant avec trois fentes de retour 22. Ainsi qu'il a été.précisé ci-dessus, les extrémités de la gorge 9 sont de préférence limitées par des bords d'étanchéité 28 ou 29 pour éviter que le lubrifiant, arrivant par la fente 21 sous la pression nécessaire pour y engendrer la vitesse v1 requise, ne s'échappe directement vers le carter 24. Dans certains cas, la gorge 9 peut être dépourvue de tels bords d'étanchéité si l'arrivée ou le départ du lubrifiant peut se faire latéralement, à l'emplacement généralement occupé par cesbords d'étanchéité. Dans le cas de la figure 10 par exemple, l'évacuation du lubrifiant pourrait se faire latéralement le long de l'arbre 35 et non par l'intermédiaire du canal 34 et l'arrivée du lubrifiant se faire centralement,de la façon schématisée à la figure 13 qui illustre une variante du palier cylindrique de la figure 10. La figure 14 représente schématiquement une autre variante selon laquelle le lubrifiant est introduit latéralement par une rainure 40, alimentée en lubrifiant sous pression, et évacué aussi latéralement par une rainure 41 reliée au carter du dispositif. Cette dernière variante s'applique avantageusement à la glace de distribution d'un moteur hydraulique rotatif, tel que les moteurs décrits dans les brevets français 1.347.202, 1.347.220 et 1.547.410 du demandeur. Quel que soit le mode de réalisation adopté, on obtient des butées et paliers dont le fonctionnement ressort suffisamment de ce qui précede pour qu'il soit inutile d'y revenir. La présente invention s'applique aux paliers et butées à "coin fluide" dont elle abaisse la température de fonctionnement, ce qui augmente l'épaisseur des films et diminue l'usure, et elle permet par ailleurs de développer les butées et paliers à surfaces parallèles qui sont actuellement peu utilisés. Cependant les portées à faces parallèles, qui sont plus simples à réaliser, fonctionnent aussi bien dans un sens que dans l'autre, ne connaissent pas de rupture du film hydrodynamique lorsque la vitesse stabaisse (point critique des paliers classiques) et maintiennent un film même à l'arrêt, lorsque le fluide est convenable et que la pression n'est pas trop élevée. De plus les portées à faces parallèles, utilisant un film d'épaisseur uniforme que l'on dimensionne en jouant sur la viscosité du fluide, offrent une beaucoup plus grande capacité de charge dynamique (théorie du film par rapprochement). REVENDICATIONS 1 - Dispositif du genre des paliers et butées lisses à lubrification hydrodynamique, qui est muni de moyens pour injecter un lubrifiant fluide entre deux surfaces parallèles ou sensiblement parallèles de ce dispositif, animées d'un mouvement relatif en fonctionnement, et pour évacuer les fuites de ce lubrifiant, caractérisé en ce que l'une des surfaces parallèles ou sensiblement parallèles du dispositif est interrompue par au moines une gorge qui est orientée transversalement par rapport à la direction du déplacement relatif de cette surface, observé au niveau de cette gorge, et en ce que les susdits moyens sont agencés de façon à engendrer une vitesse de déplacement du lubrifiant, dans la ou chaque gorge, qui est suffisante pour évacuer de cette gorge tout le lubrifiant correspondant au débit de Newton, à mesure qu'il pénètre dans la gorge considérée, et à injecter, dans l'intervalle compris entre les deux surfaces parallèles ou sensiblement parallèles, du lubrifiant frais pour renouveler le film de sustentation en aval de cette gorge. 2 - Butée plane selon la revendication 1, caractérisée en ce que la ou chaque gorge est orientée radialement ou à peu près radialement par rapport à l'axe de la butée. 3 - Palier cylindrique selon la revendication t, caractérisé en ce que la ou chaque gorge est orientée parallèlement ou à peu près parallèlement à l'axe de rotation du palier. 4 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les moyens susvisés injectent le lubrifiant frais à l'une des extrémités de cette gorge avec une vitesse suffisante pour chasser jusqu'à l'autre extrémité de la gorge considérée le lubrifiant qui y pénètre en raison de l'effet Newton après échauffement, celle des deux surfaces parallèles ou sensiblement parallèles que comporte la ou chaque gorge étant de préférence fixe. 5 - Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que les moyens susvisés comportent une pompe à lubrifiant dont le refoulement est relié à la première extrémité de la ou chaque gorge et dont l'aspiration est reliée à la deuxième extrémité de cette gorge, un dispositif de refroidissement étant associé-au circuit de la pompe. 6 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la ou chaque gorge a une profondeur com prise entre 0,1 et 10 mm. 7 - Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que la ou chaque gorge est limitée par un bord d'étanchéité. 8 - Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'écart entre le bord d'étanchéité et la surface opposée du dispositif est compris entre 5 et 50 tlm.