Brevet FR2500540A1 — publié le 19820827

Titre : Pom@e - moteur hydraulique réversible à débit variable à une ou Flusieurs courses par tour I - SECTEUR DE LA TECHNIQUE La présente invention concerne une architecture originale qui vermet de réaliser des mécanisme capables d'assurer de façon réversible les fonctions de pompe ou de moteur hydraulique à débit variable.Ce composant peut donc etre utilisé en iieu et place de moteurs ou de pompes classique pour toute transmission hydrostatique, et toute génération et utilisation d'huile sous pression; Je plus ce composant permet de pouvoir fonctionner à pression et régime beaucoup plus élevés que leur homologues actuels. Une version "m@teur - pompe lent " à débit variable peut notamment ètre inté-@ gré directement en guise de moyeu de roue automotrice, ou de mandrin de cabestan. Un tel organe permet notamment de faire du freinage récupératif ce ui est intéressant tant en propulsion -;u'en manutention. II - ET@T DE LA TECHNIQUE Actuellement il existe différentes architectures de pompes pour transmission hydrostatique. Lesplus performantes utilisent des pistons (radiaux ou en barillets ) Les moins intéressantes utilisent des engrenages ou des pompes à palettes. Les pompes à barillet ont une. grave limitation en régime maxi, en pression maximale et en capacité de grande variation de cylindrée utile actuellement. Les moteurs lents sont à cylindrée fixe et donc mal adaptés à la propulsion. III - BUT DE L' INVNTION L@invention vise à résoudre les problèmes des pompes à barillet classiques et à permettre de réaliser des pompes à une ou plusieurs courses par tour à débit variable et réversibles en moteur. Iv - PRINCIPE DE L' INVENTION Remplacer le barillet classique par un barillet double ayant ses alésages face-à-face de façon à ce qu'une tige eamanchée dans deux alésages se trouvant en alignement fasse office de piston à deux extrémités et ait sa :,rise de force en son centre.Ceci permet d'évite; le phénomène d'arqueboutement@arctéristique des moteurs traditionnels dont les pistons fonctionnent en cantilever . V - EOYENS MIS EN OE@VRE A- Cas ou moteur pompe rév@rsible a débit variable,simple course par tour. Examinons d'abord le moteur h@draulique à débit variable: 8191 Notons ''il est capable ce fonctionner en pompe.Le dessin ci - joint n pour but que d'ètre an support rour la deseription.Il est donc évident que la proportion et la forme des pieces peut évoluer en fonction des besoins de l'intégration du mécanisme dans un ensemble.Cela est particulièrement vrai pour le carter (13) qui dans le cas d'une transmissi n hydraulique complète peat avoir par exemple une forme en T@de façon à contenir @ mécanismes identiques, de ces mécanismes @tta@uant les roues du vénicule par l'intermediaire de dem@- @rbres à cardans et le 3 eme perpendiculaire aux 2 premiers étant directement atta@ué par le @ teur. L'originalit de ce moteur hyuraulique réside dans son agencement et les solations ichnologiques envisageables. Avant de préciser les caractéristiques technologiques originales de ce moteur il convient de le décrire : Le canal 9 apporte de l'huile HP au distributeur " HP gauche " qui est en forme de haricot ,Celui-ci s'étend sur une partie de la glace 28.Le canal 12 apporte de l'huile BP via 10 et Il au haricot"BP iroit". Le barillet 6 tour illonne dans la cavité du carter 13,coincé entre les glaces du piston 7 et du boucnon 8 @Le piston 7 reçoit sur son autre face la poussée d'un tampon d'huile HP situé dans la cavité 14 et dont le rôle est de maintenir un jeu quasi nulau niveau des glaces; le con telle radial du barillet 6 est assuré par des portées (21) qui peuvent être à palier fluide ou à "coussinets minces. La prise de force (ou l'introduction dans le cas du fonctionnement en pompe ) s'effeopar exemple à l'aide de"l'os à moêlle" 18 via des cannelures.L'étanchéité interneexterne est assurée par un joint (19)mis en pression par l'écrou(20).Ce joint peut être de type mécanique ou à "lèvre",une saignée et des canaux type 24 centrifugent l'huile qui suinte et évitent ainsi la mise em-pression da joint 19. Le barillet 6 contient des forages dans lesquels se déplacent des pistons 1; ceuxci sont soumis directement aux existant entre les sources HP et BP. Chaque piston porte en son milieu des rotules sphériques à poussée axiale(2, qui sont solidement fixées à celui-ci(29).Chaque siège 3 des rotules 2 appuie dans un lamage du plateau tournant(4).Ceplateau est constitué de 2 parties identiques qui sont pla ces de part et d'autr de la came statique 5,celle-ci fait office de vilebre@uin Les faces type23 absorbent la poussée axiale des pistons, les périmètres type 22 controlent la coaxialité des plateaux type 4 lors de leur rotation.Remarquer que le lamage sus mentionné peut être en forme de"stade vélodrome" à grand axe disposé ra dialeaent.Les portées (22 et 23)peuvent être à coussinet mince, à microbilles (brevet 7921035), à palier fluide, ou à roulement à bille, ou à rouleaux. En 27 est aménagés une saignéedans chaque plateau .Elle peut comporter un anneau anti-extrusion (51), un joint U, par exemple en téflon(32), et un ressort(3 ) qui peut être un Oring Des canaux type 26 apportent de l'huile HP dans l'espace compris entre les 2 plateaux Cette huile repousse les 2 plateaux et absorbe donc les jeux entre 3, 4, et 2. En plus de ce rôle mécanique, l'huile assure la lubrification de toutes les faces travaillantes puisque celles-ci constituent ses seuls moyens de fuite.Le canal 25 draine les fuites. Enfin, le piston 7 peut être entrainé en roration sur une fraction de tour par l'arbre 15 qui prend appui sur le couvercle 17 et est mu par un vérin linéaire (16) ou préférentiellement par un vérin rotatif, L'intéret de pouvoir faire tourner 7 est le suivant :(figures 3, 4 et 5) Comme le montrent ces shémas, on peut constater qu'il suffit de pouvoir faire tourner une des deux glaces statoriques qui servent de distributeur pour pouvoir passer progressivement de la pleine puissance à la puissance zéro.fig8le travail fourni par la glace 7 est nul (dans cette position, seule la glace 8 fournit une distribution d'huile fournissant un travail utile remarquons que pour obtenir la "marche arrière ", ilfaut soit avoir un inverseur de débit, qui permute les lumières BP en BP et réciproquement, soit la deuxième glace statorique mobile, ce qui est envisageable. v' Par ce procédé, nous avons donc obtenu l'équivalent d'un moteur à cylindrée va- riable, tout en ayant évité le travail pénible qui consiste à contrôler le mouvement du plateau.Remarouons su'une aiternative élégante consiste à prévoir de pouvoir en trainer la came 5 en rotation à l'aide d'un vérin @ui peut être soit linéaire soit rotatif et ui peut entre eventuellement directement usiné dans la semelle de la came 5 cui fait varier la pseudo cylindrée utile et permet de passer de "pleine puissance avant " à "pleine puissance arrière " progressivement via la"puissance zéro".On pa*- donc également du régime moteur au régime pompe. Remarouons (I) ou'il y a intéret à @prévoir avec un tel type de moteur de fonctionner a très haute pression, car d'une part l'architecture générale s'y prète bien, les surfaces des faces glissantes étant naturellement surdimensionnées par rapçort à la concurrence,et d'autre part elles foctionnent dans des conditions optimales. @insi si on considère les contraintes mécaniques trasmissibles dans les paliers déli cats tels 2,3 et 3,4, il est possible en utilisant des pistons@12 et des rotules du commerce de fonctionner sou plus de a 000 Bars de@@P! En effet par exemple, une rotule axiale 12 admet une charge dynamique d@ 3250 D@N alors que sous 2000 bars de@@P, le piston double effet exercera une contraint de 2260 DAN seulement. Définition: on appelle " rail du vilebrequin " la came 5 titre d'exemple : une pompe à 9 pistons doubles a;-ant une course de 8,84 mm pour un diamètre de iston de 12 mlii aura une cylindrée de 18cm; sous 2000 Bars de# P, elle 0contrôlera 30v sM à 5000 tours( 815 h,. Un piston double complet tout acier pesant seulement 465 g (1+(2+3)2 ) subit à 10000 toars/mn une accélération de 1028 G et donc exerce des contraintes d'inertie sur un palier(2- 3)correspondant à 469 H N, donc au maximum l'effort axial le long au pis- ton est de 2729 DAN (abstraction faite des frottements.) ce régime, le piston se déplace à 9,44 m/s ce ni est très raisonnable.La limitation de vitesse de rotation provient donc uniquement des vitesses tangentielles admissibles en 22 et 23. (Notons sue @'on peut faire appel à ia théorie de l'élastohydrodynami que et à des butées à patins oscillants pour traiter ce problème.) Enfin, mécaniquement, rien ne s'oppose à l'utilisation de pressions telles que celles envisagées. S@R Ce composant celui est bien capable le fonctionner aux pressi ns classiques.(600 Bars) uvre donc le domaine des hautes pressions. Remar@uons(2)Rappelons que les haricots HP et BP sont constitués de 2 portions d'une saignée circulaire taillée coaxialement à l'axe du moteur dans la glace type 28 Une zone morte mesurant 1,5 diamètre de piston sépare la demi saignée HP de la BP. Lorsque cette zone morte est placée de telle sorte qu'elle coincide avec les points morts haut et b@s des pistons, lévolution de la course sur une telle fraction de révo lution est suffisamment faible pour passer inaperçue. ar contre , ce n'est pas du tout le cas/si l'on fait tourner 5 ou 7 et que la bande morte est franchie ailleurs qu'au point mort. Par exemple, il existe 2 poits que nous appellerons points critique, situés exactement à mi-chemin entre les 2 points morts,où la course évolue très vite pour une fraction de tour. Avec un moteur fonctionnant à basse pression, on arriverait à une difficulté insurmontable: par contre, si on fonctionne en HF, il est possible de mettre à profit cette anomalie pour augmenter le rendement du mécanisme.A titre d'exemple, supposent que le moteur fonctionne entre 2200 Bars et 200 Bars,lors d'une compression sous 2000 Bars, un volume d'huile subit une compression de 8@% .Il faut donc dessiner un méca nisme tel que lors du franchissement de la zone morte séparant les haricots HP et BP au niveau ces points critiques, le volume balayé par les pistons corresponde à 8 % du volume de fluide enfermé dans les cylindres. L'intéret dJun tel procédé réside dans le fait eue par exemple un volume d'nmile sous 200@Bars provenant du haricot ES se trouve alors enfermé porté à 2200 Bars pendant le passage de la zone morteet mis en contact avec le haricot HP qui se trou ve à la même @ression que lui,ce qui évite des pertes par compression brutale, lami nage et tourbillons. Même @rinci@e inv@rsé lors du passage de la zone morte opposée. un tel réglage permet de réduire les bruits hydraudynamiques. Remarcuons (3 : @n autre avantage de cette disposition réside dans le fait que d'habitude un piston reçoit de la HP, pousse sur le plateau,entraine le barillet, ce ni a pour effet de faire remonter le piston diamétralement opposé et de chasser huile BP qu'il déplace. On voit donc ue dans ce mécanisme classique,les paliers transmettent non seulement ce ue l'on pourrait appeler l'énergie motrice, c'est- à dire ce ni sert à l'extéririeur, mais également l'énergie de servitude oui sert à refouler l'huile et à vaincre l'inertie(qui peut être tres élevée) es pistons dia métralement opposés sur le plateau.Par exemple, pour une HP de 2200 Bars et une El de 200 Bars, le palier du piston moteur transmet un effort corrspondant à 2200 Bars et le piston refoulé subit un effort co@respondant à 200 Bars. Avec les pistons double effet que nous préconisons, l'énergie de servitude(récupérée uu côté BP) passe directement d'une face motrice à l'autre. s' Llle n'est donc pas divisée par la carré au rendement de transmission mécanique, comme c'est le cas dans une pompe classique. On voit donc que l'on à beaucoup moins de pertes internes, et que tout le potentiel de portance des paliers type 2,3,4 sert uniquement à l'énergie motrice destinée à l'extérieur. Examinons maintenant l'agencement (figure 1) comme on l'a vu. On trouve un piston 1 constitué d'une tige dont les 2 extrémi@tés servent de piston et le milieu de zone d'entrainement du "vibrequain" cela permet de ne plus faire travailler le piston en cantilever comme c'est le cas et la faiblaisse des ponpes à barillet. On s'affranchi ainsi du principal problème qui limite les performances de ces pompes @ ci par ailleurs, sont les veilleurs du moment. Examinons sommairement comment travaille un piston classique en cantilever (voir figure 6). Il est soumis d'une part à des efforts d'inertie au rang desquels il feut comp- ter la force centrifuge et d'autre part, sous la poussée du fluide, il appuit sur plateau ; cet effort créé donc un moment de basculement du piston qui doit li bré au niveau de son pseudo encastrement glissant par la création d'un couple antagoniste. On voit donc que, dans la zone d'emmanchement du piston dans son alésage, il y a des zones très chargées et ceci de façon irrégulière comme le montre le dessin ci-contra il existe des risques d'usure et de grippage aux points très solicités tel 'lu,. On peut donc dire que le potentiel de portance latérale du palier constitué par le ton et son alésage n'est utilisé qu'environ au 1/5 de ses possibilités et qu'en plus une partie de cette portance ne sert à transmettre que les efforts nécessairas à l'énergie de servitude. Par contre, dans le cas que nous préconisons, les problèmes d'in@c@ogénéi@@ c traintes à l'emmanchement sont réduits à la flexion élastique de l'arbre sous ch @@e. En effet, le couple de basculement du pisotn n'existe plus puisque le piston est par faitement guidé à ses 2 extrémités. On récupère donc grâce à cette disposition tout le potentiel de portance des @alie@@ et il n'existe plus de zone fortement solicitées propice a' l'usure. Il est donc possible de faire fonctionner ce mécanisme sous forte pression à haut régime ou avec de grandes inclinaisons du "plateau" (4) sans avoir les problèmes de tanue mécaniques des dispositifs classiques. Remarquons qu'il est possible d'envisager d'inverser l'empilage des @ièces 2, 3, 4, 5 en ayant 2 pièces (5) qui prennent en sandwitch 2 pièces (4@ qui elles m@mes prennent 2 pièces (3) en sandwitch et celles-ci coincent 2 pièces (2) qui sont dos h. do (@om- bé vers l'extérieur) et fixées sur le piston (1). Une tellc disposition eXt @ais@ble mais est moins compacte et augmente le porte à feux du piston. Au niveau réalisation la fixation (29) peut être une soudure, un filetage collé, ou un clipsage. Remarquons qu'une soudure par BE (Bombardement Electronique) permettrait d'utiliser, une "barre calibrée" et des rotules du commerce, produits t as prix en très grande série, sans les déformer. Il est également possible d'envisager àde partir de rotules du commerce et d'une tige avec épaulement en fibre de carhone cpoxy "moulée en place" sur l'empilement 5, 4, 3, 2 qui servirait de support ai moule. Remarquons qu'il est également envisageable que les pièces 2 fassent partie intégrale de la tige (1). Dans un tel cas de moulage les pièces type 3 servent alors de moule à la partie tionnelle de 2. Dans le cas d'une exécution inversée du type décrit à la remarque 2, il est possible de tailler dans la masse ou de mouler un axe 1 portant des parties fonctionnelles type 2 en son centre ayant le bombé dirigé vers l'extérieur. Le barillet 6 se prête lui aussi à beaucoup de variantes de réalisation. il peut autre soit démontable (37) vissé, soudé ou collé, soit monobloc. Les alésages des pistons peuvent être usinés, ce qui peut être le cas d'un barillet d6- montable ou d'un barillet dont on fait les aléaages avant d'usiner la gorge BZB. Il est également possible de prévoir un barillet comportant une ébauche métallique cou- lée puis reprise en usinage (démontable). Celle-ci est alors équipée de 5, 4, 3, 2, 1 on rajoute des bagues genre canon de perçage 35, on empile le tout, on installe un outillage de maintient et l'on colle les canons de perçage en place en même temps Que la démontabilité 37. L'étanchéité peut être assurée : soit par déformation élastique de l'extrémité de la tige 30 du piston 1 ou d'un joint cuvette plastique placé à cet endroit, soit par un jeu très faible piston tige, soit par un joint d'étanchéité dynamique 34 placé soit dans une gorge, soit pris en sandwitch entre 2 bagues 35 et 36 qui peuvent être collées soudées ou coulées en places.Un joint situé dans une gorge du piston est aussi viable. L'intérêt des bigues rapportées est multiple, on est assuré d'une parfaite coaxialité et d'un aligne:nent excellent malgré un usinage grossier de l'alésage dans lequel on introduit les bagues. D'autre part il est possible d'utiliser des bagues produites pour un autre usage en très grande série sur des machines très précises donnant des côtes intérieures sériées à bas prix (canons de perçage) ; Il est également possible d'utiliser un panachage de bagues en faisant par exemple appel à des coussinets D. U. (Bague téflon chargé), des coussinets bronze ou des coussinets mince analogues à ceux utilisés pour les paliers d'automobile, de façon à assurer des capacités de charge élevée à bas prix (matériel existant dans le commerce aux bonnes cotesj. Là, il est également possible de faire appel à des paliers à micro billes pour assurer un guidage précis exent de jeu (voir Brevet 7921035) et à très faible frottement. Il existe enfin une autre possibilité qui consiste à couler le barillet par exemple en fibre de verre ou de carbone + epoxy en emprisonnant dans le moule l'empilage 5, 4, 3, 2, 1 et éventuellement 35. Cela permet de prévoir un barillet indémontable, l'empilement 5, 4, 3, 2, 1 étant alors prisonnier et les pistons 1 servant de moule à la chemise dans sa partie utile. Le moule démontable complétant le reste de l'alésage. Il existe enfin une possibilité supplémentaire pour réaliser des paliers "sur mesure" elle consiste à réaliser un barillet démontable métallique à enfermer l'empilage 5, 4, 3, 2, 1 puis à couler en place les paliers. Un outillage positionnant les pistons par rapport au barillet ébauche 6. Les paliers peuvent être en bronze, en métal de frottement pour coussinet, en plastique (chargé ou non) et enfin en verre ou en métal "fritté sur place" hydraustatiquement. Le pilotage précis de la température de figeage et la connaissance des coefficients de dilatation des différents matériaux impliqués permet tant de contrôler le jeu final de fonctionnement. RemarQue s Il est possible d'utiliser des "moules à broches" pour réaliser le moulage du barillet et de ses alésages ; la mise en place des pistons et de plateaux (4) démontable se faisant ensuite avec soudure (par bombaidement électronique? ou vissage collé "en place". Il est possible d'inverser la position relative 5, C sans sortir du cadre du brevet, c' est-à-dire avoir le barillet double relié non plus par la partie cylindrique centrale C mais par une partie cylindrique reliant le périmètre extérieur de chaque % barillet. Les pièces 4 et 5 étant transposées en partie centrale c' est-à-dire la pièce 5 occu, pant la zone de la pièce 18 de la figure 1. Le carter 13 vu ses grandes dimentions "dilue" bien les contraintes il peut être en métaux léger (alu, magnésium) ou en plastique renforcé de fibres. V) B Cas du moteur pompe réversible à débit variable multi course par tour : Il n'y a pas de différence fondamentale entre le simple course et le multi course au niveau de la partie piston cylindre dont on conserve la "phylosophie". La différence majeure provient du dessin du "vllebrequin 101" et de son "rail 5" c'està-dire de la façon dont on réalise la prise de force mécanique au oentre du piston 1-1'. Le "rail" incliné figure 7 est alors remplacé par un rail qui pré site des cammes donnant plusieurs courses par tour. Un système à galet (4) ou à patin flottant tel que dessiné à titre d'exemple non exaustif en figure 7 et 8 assure le contrôle séparé de chaque piston double (1 et 1') pour assurer le rattrapage de jeu il est possible de faire appel à un système proche de celui dessiné en figure 8. La cavité îoe est fermée par un joint disposé dens la cavité 27 ( analogue à celui dessiné en figure 1 par exemple ) il est donc possible de gonfler avec de la HP la cavité 1Ct ; la légère déformation élastique résultante assure le rat tapage de jeu. La variation de cylindrée et le passage de moteur en pompe ou marche arrière s'obtient encore une fois conme pour la pompe simple course en joint sur le déphasage des cammes par rapport aux haricots de distribution. Le moyen le plus simple pour y parvenir étant de faire tourner la piste à cammes 5 pour faire varier sa position angulaire relative par rapport aux "haricots" de distribution. Rer rQue : Cette dispostion à "pistons indépendants" est également utilisable dans le cas d'une simple course par tour. REVENDICATIONS 3 - Le moteur hydraulique réversible en pompe à cylindrée variable objet de l'inven- tion utilise un@ disposition dite en barillet. De ses cylindres il se caracté rise par la géométric de ses "pistons doubles" qui présentent 2 faces soumises à la pression de 1' huile ; ces 2 faces travaillantes sont situées aux extrémités du "piston double". II - Moteur réversible en pompe selon la revendication 1 caractérisé par la géométrie de son barillet double t Ce barillet b ses 2 extrémités constituées par des "glaces" d'alimentation ; il se présçnte sous l'aspect de 2 barillets classiques nettement séparés reliés rigi- dement entre eux du côté de leur face "embiellage" leur glace constituant aiasi b; extrémités du barillet double. III - Moteur réversible en pompe à une ou plusieurs courses Par tour Selon les revendications 1 et 2 caractérisées par le fait qu'il est possible de faire tourner relativement les uns p:r rapport aux autres (autour de l'axe de zo- tation moteur) le "rail du vilebrequin" pur rapport à la position des lumières des glaces statoriques de distribution. Ce qui permet de faire varier la phase r@- lative camme - distribution donc la puissance disponible.