Brevet FR2485660A1 — publié le 19811231

L'invention est relative à un dispositif du genre des paliers et butées lisses à lubrification hydrodynami- que ou hydrostatique, muni de deux surfaces parallèles ou sensiblement parallèles qui sont animées d'un mouvement re- latif en fonctionnement et dont l'une est interrompue par au moins une gorge orientée transversalement par rapport à la direction du déplacement relatif de cette surface, obser- vé au niveau de cette gorge, l'ensemble étant tel que le lubrifiant fluide correspondant à la plus grande partie du débit de Newton soit évacué de ladite gorge vers l'extérieur du palier à mesure qu'il arrive au niveau de la gorge consi- dérée et des moyens étant prévus pour injecter du lubrifiant frais en quantité suffisante pour renouveler le film de sus- tentation en aval de cette gorge. Un tel dispositif a été décrit par le demandeur dans sa demande de brevet français 2.410.760 qui a été mise le 29 juin 1979 à la disposition du public. Il parait utile de rappeler ici quelques relations concernant le film de lubrifiant qui se forme et circule en- tre 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 A0 de référence (fixe ou mobile), ces deux pièces présentant l'une vers l'autre des surfaces planes entre lesquelles est maintenu un film de lu- brifiant et la surface plane de la deuxième pièce Ao étant supposée rectangulaire. Si l'on appelle: B: la dimension de la première surface plane, mesurée pa- rallèlement au vecteur de la vitesse v; 1: la dimension de cette même surface plane, mesurée per- pendiculairement à ce vecteur; F: la force nécessaire pour déplacer la première pièce A par rapport à la deuxième pièce A0; p: la viscosité du lubrifiant; h: la hauteur ou épaisseur du film de lubrifiant; et Q: le débit d'huile, appelé ci-après "débit de Newton", qui est provoqué par le déplacement relatif des deux pièces, en l'absence de toute fuite latérale (c'est-à-dire de toute fuite perpendiculaire au vecteur vitesse). La théorie de Newton se traduit par les deux rela- tions suivantes, en un système d'unités cohérent -.B. l.v h z - (1) et Q = l.h. 2 (2). *2 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: Q: l'élévation de la température du lubrifiant; la 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 = F.v = Q.P.c.0, P étant la puissance. En remplaçant F et Q par leurs valeurs tirées des relations (1) et (2), on en déduit que l'élévation de tempé- rature qui correspond aux déperditions.de l'effet Newton est donnée par la relation = 2p.B.v e = p.c.h2 (3)- Dans les paliers usuels, l'élévation de température mesurée est de deux à quatre fois supérieure à l'élévation de température théorique Q qui correspond aux déperditions de l'effet Newton, pour un tour de palier ou pour le par- cours de l'huile sous un brochet, 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 tempé- rature si élevée que le fluide perd sa viscosité et ses propriétés lubrifiantes. Les matériaux constituant les sur- faces adjacentes du dispositif perdent leurs caractéristi- ques et les contacts, de plus en plus nombreux, des pièces qui ne sont plus supportées par le film de lubrifiant con- duisent rapidement à une usure excessive et souvent au "grippage". Afin de diminuer la température maximale atteinte par le lubrifiant tout en autorisant une augmentation de l'écart de température entre l'entrée et la sortie du lu- brifiant fluide, cet écart étant mis à profit pour engendrer la force de sustentation entre les susdites surfaces, l'in- venteur a proposé, dans la susdite demande de brevet fran- çais 2.410.760, d'agencer les moyens susvisés de façon telle qu'ils injectent le lubrifiant frais à l'une des extrémités de la gorge avec une vitesse transversale suffisante pour chasser jusqu'à l'autre extrémité de la gorge considérée le lubrifiant chaud qui.y pénètre en raison de l'effet Newton. Cette solution connue est satisfaisante dans de nom- breux cas mais conduit parfois à des difficultés, parmi les- quelles on peut mentionner les deux suivantes - la composition des vitesses longitudinale (ou circonfé- rentielle) et transversale à l'intérieur de la gorge n'est effective qu'après parcours d'une largeur L (dimension cir- conférentielle) de l'ordre de 8H, H étant l'écart entre le fond de la gorge et la surface opposée du palier ou de la butée, ce qui augmente de façon indésirable la valeur qu'il est nécessaire de donner à la largeur L; - d'aucuns pensent qu'une pellicule de fluide reste adhéren- te à la pièce mobile et que, de ce fait, la pièce mobile est mal refroidie et qu'une partie du nouveau film de lubrifiant est constituée par cette pellicule de fluide précédemment échauffée. Il est possible d'éliminer ces deux difficultés en organisant la circulation transversale du lubrifiant avec une vitesse telle que l'écoulement soit turbulent. Dans ce cas, la répartition des vitesses dans la gorge est proche de la vitesse moyenne et il n'existe pratiquement pas de pellicule qui reste adhérente aux surfaces. On assure donc un refroidissement correct de la surface mobile, un rempla- cement complet de l'huile échauffée par de l'huile franche mais, même en diminuant la largeur L de la ou des gorges, cette solution conduit à des débits d'huile très importants. L'invention a pour but de perfectionner les paliers et butées lisses décrits dans la demande de brevet français 2.410.760 de façon telle qu'ils n'exigent que des débits de lubrifiant frais relativement modestes. Pour atteindre ce but, le dispositif du genre défi- ni en préambule est essentiellement caractérisé, selon l'in- vention, en ce qu'une palette, orientée parallèlement à la grande dimension de la gorge et agencée de façon à être maintenue appliquée en fonctionnement contre la surface op- posée à celle o est ménagée la ou chaque gorge, est logée dans celle-ci de façon à délimiter un compartiment aval o débouchent les moyens capables d'injecter le lubrifiant frais. Selon une première solution, une palette est disposée approximativement à mi-distance entre les bords amont et aval de la ou chaque gorge de façon à y séparer le compartiment aval d'un compartiment amont, duquel part un circuit d'évacua- tion du débit de Newton. Selon une deuxième solution, une palette est disposée contre le bord amont de la ou chaque gorge, le débit de Newton étant évacué latéralement par un passage de fuite entre les deux surfaces parallèles ou sensiblement parallèles. Selon l'état de la technique rappelé ci-dessus, le dé- bit du lubrifiant frais se sépare en deux fractions: une pre- mière fraction, de loin la plus importante, remplit le rôle d'un obturateur "fluidique", chargé de séparer le d&bit de Newton (lubrifiant chaud) du débit du lubrifiant frais de remplacement, et une deuxième fraction, moins importante, qui correspond à ce débit de remplacement. Selon l'invention, au contraire, l'obturateur "1flui- dique" est remplacé par la palette et il n'est donc besoin de maintenir que la fraction la moins importante du débit de lubrifiant frais. Le but défini ci-dessus est donc bien at- teint grâce à l'invention. L'invention va être maintenant décrite plus en dé- tail 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 plan partiel, l'un des éléments d'un palier lisse établi selon un premier mode de réalisation de l'invention. La figure 3 représente, à une plus grande échelle, le même palier, en coupe transversale selon la ligne III-III de la figure 2. La figure 4 montre schématiquement un circuit de lu- brifiant associé au palier lisse des figures 2 et 3. La figure 5 représente, par une vue partielle, en plan analogue à celle de la figure 2, l'un des éléments d'un palier lisse établi selon un deuxième mode de réalisation. Les figures 6 et 7 représentent respectivement la face amont et la face aval de la palette appartenant au pa- lier de la figure 5. Les figures 8 et 9 montrent la même paletteen coupe respectivement selon les lignesVfl-VM etIXaX de la figure 7. La figure 10 montre, par une vue en coupe analogue à celle des figures 8 et 9, une palette établie selon une pre- mière variante. La figure 11 montre, par une vue en coupe analogue à celle des figures 8 et 9, le haut d'une palette établie selon une deuxième variante. La figure 12 illustre la répartition des débits de lubrifiant, en amont d'une palette. La figure 13 représente diverses variantes de forme pour la palette de la figure 5. La figure 1 permet de situer, sur les pièces A et A., 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 portion de palier cylindrique lisse ou de butée, qui est représentée partiellement aux figures 2 et 3, com- prend deux surfaces parallèles ou sensiblement parallèles 1 et 2 qui sont animées d'un mouvement relatif en fonctionne- ment. En général, la surface 1, d'allure continue, appar- tient à une pièce mobile à la vitesse v et la surface 2 ap- partient à une pièce fixe. Cette surface 2 est interrompue par au moins une gorge 3 orientée transversalement par rap- port à la direction du vecteur de la vitesse v. L'ensemble est tel que le lubrifiant fluide correspondant à la plus grande partie du débit de Newton (débit Qf schématisé par des flèches à la figure 3), soit évacué de la (ou chaque) gorge 3 vers l'extérieur du palier à mesure qu'il arrive au niveau de cette gorge (débit Qs schématisé par des flèches aux figures 3 et 4) et des moyens étant prévus pour injec- ter du lubrifiant frais en quantité suffisante (débit Qe, figures 3 et 4) pour renouveler le film de sustentation en aval de la gorge 3. Conformément à l'invention, une palette 4, orientée parallèlement à la grande dimension de la gorge 3 et agencée de façon à être maintenue appliquée en fonctionnement contre la surface opposée 1, est logée dans la gorge 3 de façon à délimiter un compartiment aval 5 o débouchent, par au moins un orifice 6, les moyens capables d'injecter le lubrifiant frais e Selon le mode de réalisation des figures 2 et 3, la palette _ est disposée approximativement à mi-distance entre le bord amont 7 et le bord aval 8 de la gorge 3 de façon à y séparer le compartiment aval 5 d'un compartiment amont 9 et un circuit d'évacuation du débit de Newton part de ce compartiment amont 9 par au moins un orifice 10. La figure 4 montre le schéma d'un circuit de lubri- fiant associé au palier des figures 2 et 3. Une pompe Il aspire du lubrifiant frais dans un réservoir 12 et le débite par un conduit de refoulement 13, à un débit Qa. Le conduit de refoulement 13 se divise en deux branches 14 et 15, la branche 14 étant munie d'un filtre fin 16 et aboutissant aux orifices 6. La branche 15 est munie d'une restriction RI définissant la pression d'alimentaiion des films de susten- tation (débit Qe) par le dosage du débit principal de ba- layage Qb passant par cette branche 15. Celle-ci traverse par des canaux la pièce fixe o sont ménagées les gorges 3 et/ou lèche la surface latérale de cette pièce de façon à la refroidir et est munie d'un filtre 17, moins fin que le filtre 16, et d'un échangeur de chaleur de refroidissement 18. Cette branche 15 retourne au réservoir 12. Enfin, un conduit 19, relié aux orifices 10, ramène le débit Qs au réservoir 12 o il est refroidi par mélange avec le débit Qb Le conduit 19 est muni d'un étranglement de sortie R2 évitant les phénomè- nes de cavitation. Le système permet d'installer d'une part un refroidissement (échangeur 18) et une filtration (filtre 17) classiques sur le circuit de balayage qui est générale- ment celuiqui véhicule le plus grand débit Qb et d'autre part une filtration très fine mais pas trop volumineuse (filtre 16) sur le débit d'alimentation (Qe) des films, ce qui assure au palier une protection maximale contre l'usure. Pour appliquer la palette 4 contre la surface 1, on la soumet à l'action d'un ressort 20 et/ou d'une pression d'huile captée de préférence sur la branche 14 par un orifice 21, comme schématisé à la figure 3, ou fournie par une autre 24D5660 source extérieure ou encore à partir de la pression du film. A cet effet, la palette 4 est logée avec un faible jeu à l'intérieur d'un logement radial 33 qui débouche dans la gorge 3 et au fond duquel arrive du lubrifiant fluide sous pression. Si l'on néglige le petit film résiduel qui peut exister au-dessus de la palette 4, on a, en négligeant les fuites latérales, Qs = Qf (huile échauffée) et Qe = Qf (huile fraîche). Ces débits étant faibles, les gorges et canaux peu- vent être de petite section, ce qui permet de disposer d'une surface fixe 2 de plus grande étendue. La palette 4 peut être composée de nombreux maté- riaux, adaptés aux conditions particulières: métaux, matiè- res plastiques, composés renforcés, cuirs, etc... Le frottement de la palette 4 sur la surface 1 reste faible et la consommation d'énergie que nécessite ce frotte- ment est petite par rapport à celle que nécessite la produc- tion du courant transversal de lubrifiant selon la demande de brevet français antérieure susvisée. Il apparaît que la diminution du frottement fonctionnel du patin s'abaisse de par l'augmentation d'épaisseur du film. Cette diminution peut être supérieure à l'augmentation du frottement créé par la palette 4. Selon le mode de réalisation de la figure 5, une pa- lette 4 est disposée ontre le bord amont 7 de la gorge 3 et ne limite dans celle-ci qu'un compartiment aval 5 analogue à celui des figures 2 et 3. Dans ce cas, le débit de Newton est évacué latéralement par un passage de fuite entre les deux surfaces sensiblement parallèles 1 et 2, comme indiqué par les flèches - de la figure 12. Avec le mode de réalisation de la figure 5, il est particulièrement important de prévoir des moyens pour pla- quer la palette 4- contre le bord amont 7 de la gorge 3, c'est-à-dire pour maintenir au niveau du bord aval 8 le jeu a (voir la figure 9) que doit posséder la palette 4 dans le logement 33 pour pouvoir s'y déplacer librement, un tel jeu pouvant être de l'ordre de 0,1 mm. A cet effet et comme illustré aux figures 6 à 9, on agence les susdits moyens de façon qu'ils soulagent la plus grande partie de la face amont 22 (figure 6) de la pa- lette 4 de l'action de la pression du film (20 bars, par exemple) et qu'ils transmettent cette pression sur une par- tie notable de la face aval 23 (figure 7), Selon le mode de réalisation représenté, la palette 4 est traversée d'une part par deux trous 24 qui partent de la face aval 23 pour transmettre la pression d'alimentatLon du film (par exemple 2 bars) à une zone de la face amont 22 qui est limitée par une rainure continue 25. De cette façon, seule la surface S2 de cette face amont 22, extérieure à la rainure 25, se trou- ve exposée à la pression du film à l'amont de la palette 4. Celle-ci est traversée d'autre part par un trou 26 qui part d'une rainure d'alimentation 27 provenant du haut de la face amont 22 de la palette et qui aboutit sur la face aval 23 à l'intérieur d'une zone de surface Sl, limitée sur cette face aval par un joint d'étanchéité compressible 28 qui est logé dans une rainure continue 29. De préférence, la rainure 25 aune forme en T (figure 6) encadrant le trou 26, ce qui permet de donner la valeur minimale à la surface S2. Il est clair que, si la surface S, est supérieure à la surface S2' la résultante des forces de pression qui s'exercent sur les faces amont 22 et aval 23 de la palette 4 est dirigée d'aval en amont, si bien que la palette 4 est ef- fectivement plaquée contre le bord amont 7 de la gorge 3. Les figures 8 et 9 montrent que la palette 4 est dotée d'un bord supérieur 30 plan et parallèle à la partie voisine des surfaces 1 et 2. Selon la variante de la figure 10 24ko5660 qui est adaptée à des vitesses v plus grandes que le mode de réalisation des figures 8 et 9, le bord supérieur 31 est en retrait à sa partie centrale, comme d'ailleurs celui de la palette de la figure 3. Selon cette variante dé la figure 10, le maintien du bord supérieur 31 contre la surface oppo- sée 1 est assuré par un piston 32 prenant appui sur le fond du logement 33. Selon la variante de la figure 11, le bord supérieur 34 de la palette 4 a une forme en biseau de façon -à s'écarter progressivement de la surface 1 vers l'aval, c'est-à-dire vers la droite de la figure 11. Des mesures ont permis de constater qu'avec le mode de réalisation des figures 5 à 10, on obtenait des films plus épais qu'avec le mode de réalisation précédent (figu- res 2 et 3). Bien que la palette 4 ait été représentée à la figu- re 5 comme ayant un profil rectiligne lorsqu'on la regarde en plan, diverses autres formes peuvent être adoptées comme le montre la figure 13, par exemple une forme en V pour la palette 4a ou une forme en C pour la palette 4b. Enfin, il est à noter que le lubrifiant frais peut être injecté aussi bien sous la forme d'un liquide que sous celle d'un brouillard. il REVENDICATIONS 1. Dispositif du genre des paliers et butées lisses à lubrification hydrodynamique ou hydrostatique, muni de deux surfaces parallèles ou sensiblement parallèles qui sont animées d'un mouvement relatif en fonctionnement et dont l'une est interrompue par au moins une gorge orientée trans- versalement par rapport à la direction du déplacement relatif de cette surface, observé au niveau de cette gorge, l'ensem- ble étant tel que le lubrifiant fluide correspondant à la plus grande partie du débit de Newton soit évacué de ladite gorge vers l'extérieur du palier à mesure qu'il arrive au niveau de la gorge considérée et des moyens étant prévus pour injecter du lubrifiant frais en quantité suffisante pour renouveler le film de sustentation en aval de cette gorge, caractérisé en ce qu'une palette, orientée parallèlement à la grande dimension de la gorge et agencée de façon à être maintenue appliquée en fonctionnement contre la surface op- posée à celle o est ménagée la ou chaque gorge, est logée dans celle-ci de façon à délimiter un compartiment aval o débouchent les moyens capables d'injecter le lubrifiant frais. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une palette est disposée approximativement à mi- distance entre les bords amont et aval de la ou chaque gorge de façon à y séparer le compartiment aval d'un compartiment amont, duquel part un circuit d'évacuation du débit de Newton. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérise en ce qu'une palette est disposée contre le bord amont de la ou chaque gorge, le débit de Newton étant évacué latérale- ment par un passage de fuite entre les deux surfaces paral- lèles ou sensiblement parallèles. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 3, caractérisé en ce que la palette est sollicitée par une pression de lubrifiant captée sur les moyens d'in- jection du lubrifiant frais. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 4, caractérisé en ce qu'une pompe délivre du lu- brifiant frais en parallèle dans le compartiment aval de la ou chaque gorge et dans un circuit de balayage revenant à un réservoir d'alimentation, par l'intermédiaire d'un échan- geur de refroidissement, le circuit d'évacuation du débit de Newton aboutissant au même réservoir. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 5, caractérisé en ce que des moyens sollicitent la palette vers la face amont de la gorge, en fonctionnement. 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que les moyens de sollicitation comprennent des passa- ges traversant la palette de façon d'une part à faire régner la pression du film de lubrifiant sur une zone de surface S1 de la face aval de la palette et d'autre part à ne laisser s'exercer cette pression du film de lubrifiant que sur une zone limitée de surface S2 de la face amont de la palette, SI étant supérieure à S2. 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que la zone de surface SI de la face aval de la pa- lette est limitée par un joint d'étanchéité compressible.