Brevet FR2500542A1 — publié le 19820827

- 1 - 2500542 L'invention a pour objet une méthode de contr8le de l'interstice existant entre la paroi d'une chemise de cylindre et un piston à boule, et l'appareil pour la mise en oeuvre de cette méthode. Dans la description, le piston à boule signifie un pis- ton sphérique ou un piston de forme comparable en ce qui concerne sa longueur d'étanchéité, comme on l'expliquera plus en détail par la suite. Selon l'art antérieur connu, dans les systèmes hydrauli- ques ou pneumatiques, un interstice est nécessaire entre un piston logé dans un cylindre et ayant un mouvement de va-et-vient à l'in- térieur de celui-ci, et la paroi du cylindre. En fait, en l'absence d'un tel interstice, le piston pourrait gripper et aucune lubrifi- cation entre le piston et la paroi du cylindre ne serait possible. D'autre part, un tel interstice doit être aussi réduit que possible, à défaut, il y aurait des pertes indues par fuite du fluide sous pression. En pratique, on constate qu'il y a une pression plus éle- vée dans le cylindre, d'un côté du piston que de l'autre. Cette différence de pression a un effet tel sur les fuites qui se pro- duisent, que les pertes par fuite par l'interstice augmentent en fonction de l'augmentation de la différence de pression. D'une part c'est un résultat direct dû à la différence de pression, et d'autre part un résultat de la dilatation du cylindre, qui dépend du niveau de pression de service. Il en résulte que la perte par fuite, qui est acceptable à une faible différence de pression sur les c8tés opposés du piston logé dans un cylindre, augmente à des valeurs absolument ineccep- tables en cas de différences de pression élevées. Eltait, les fuiteE résultant d'une augmentation de la pression augmentent selon une fonction linéaire, mais les fuites résultant d'une augmentation de l'interstice augmentent exponentiellement. De plus, à des pressions de service élevées, il faut des parois de cylindre très épaisses pour absorber les efforts de la matière qui se produisent. En conséquence, il est nécessaire de prévoir une méthode pour contrôler la largeur de l'interstice et donc également les pertes par fuite qui se produisent en service, et aussi pour main- tenir l'épaisseur de paroi de cylindre dans des limites raisonnableE Des moyens qui, dans une certaine mesure, affectent la largeur de l'interstice et le limitent à des pressions élevées, sont déjà connus, par exemple sous forme de manchons de formes spéciales ou similaires. Le but recherché selon la présente invention est de mettre en oeuvre une méthode qui puissE etre utilisée sans que le piston ne soit pourvu d'un moyen d'étanehéité spécial et qui conr vienne particulièrsment pour être utilisée avec les pistons à boules ou pistons de forme comparable, et à une pression relati- vement élevée. On cite un exemple non limitatif d'utilisation des pistons à boules dans les cylindres o l'on peut rencontrer de hautes pres- sions et pour lesqeels la méthode conforme à la présente invention est particulièrement appropriée; il concerne un moteur à piston à boule hydraulique à couple élevé. Ces moteurs sont disponibles dans le commerce. Dans la Demande de Brevet Hollandais 80.00115 par exemple, on décrit un tel moteur. - Cependant, l'invention n'est pas limitée à son utilisation dans les moteurs à piston à boule hydrauliques. L'invention remédie aux inconvénients précités. Selon une première caractéristiques la méthode est remar- quable en ce qu'une pression est exercée sur l'extérieur de la che- mise du cylindre, et qui est comparable à la pression de service instantané* dans la chemise du cylindre. Ces caractéristiques et d'autres encore ressortiront de la suite de la description. Pour fixer l'objet de l'invention, sans toutefois le li- miter, aux figures du dessin o: La figure 1 représente schématiquement un cylindre rece- vant un piston sphérique; La figure 2 est une vue semblable à la figure 1, illus- trant certaines forces qui entrent en action lorsque l'on utilise l'invention; La figure 3 représente schématiquement une partie de l'appareil mettant en oeuvre l'invention; La figure 4 représente une variante de l'invention; La figure 5 représente un appareil en variante, pour la mise en oeuvre du principe selon l'invention. Afin de rendre plus concret l'objet de l'invention, on le décrit maintenant d'une manière non limitative illustrée aux figures du dessin. - 2 - La figure 1 représente un cylindre (1) recevant une boule (2) agissant comme piston - animé d'un mouvement de va-et-vient dans le cylindre. Par le passé, on a déjà proposé en remplacement des pistons cylindriques droits, traditionnels, d'utiliser des pistons à boule. En dépit du fait que la longueur d'étanchéité ou plutôt la longueur de l'interstice (s) entre la surface de la boule et la surface intérieure du cylindre, vue dans le sens longitudinal du cylindre, soit assez courte, de telle sorte que l'on puisse s'attendre à d'importantes pertes par fuites, on a constaté que, pour certaines applications, o l'on utilise de basses pressions, un piston à boule est tout à fait approprié. Cependant, à des pres- sions élevées, les pertes par fuites augmentent d'une façon non tolérable pour la plupart des applications. Il en est de même pour *les pistons ayant une forme qui, en ce qui concerne la longueur d'étanchéité, est comparable à celle du piston à boule, de telle sorte que l'invention est également applicable à ces pistons. On cite pour exemples, un piston à boule aplatie, un piston de faible hauteur ou un piston ayant une colle- rette orientée vers la paroi du cylindre, collerette qui est courte vue dans le sens du mouvement. Dans la situation représentée à la figure 1, une pression de service (p) est appliquée à gauche du piston à boule (2). Par suite de cette pression de service (p) qui est constituée par un fluide sous pression, par exemple une huile hydraulique, un certain courant de fuite se produit par l'interstice (s), indiqué par les flèches (3). Selon l'invention, ce courant de fuite peut être ré- duit en provoquant une pression élevée à l'extérieur de la paroi du cylindre,qui peut, par exemple être égale à la pression (p), mais, comme on le verra d'après ce qui suit, qui peut être d'une valeur différente. Dans la situation représentée à la figure 2, une pression (pu) est appliquée à l'extérieur de la paroi du cylindre. Si (p) 5 (pu), la même pression s'applique sur les côtés opposés de la paroi du cylindre, à gauche du plan transversal, indiqué en (4), et contenant le centre du piston à boule, et à droite du plan (4), une pression atmosphérique à peu près normale, peut s'appliquer sur l'intérieur du cylindre, mais la pression de service sur l'extérieur est supérieure à la pression sur l'intérieur. La surpression exté- rieure en résultant est grossièrement indiquée par les flèches (5). Par suite de la surpression extérieure s'appliquant sur - 4 - 2500542 le c8té droit du plan (4), le cylindre tend à se rétrécir à cet endroit et donc à s'arquer légèrement autour du piston à boule. Dans l'exemple choisi, à gauche du plan transversal (4), la même pression est appliquée à l'intérieur et à l'extérieur du cylindre. Comme la paroi du cylindre a une certaine épaisseur, la surface extérieure du cylindre est supérieure à la surface intéri- eure; il en résulte que la force agissant sur la paroi extérieure du cylindre est supérieure à la force agissant sur la paroi inté- rieure. En conséquence, en partant d'un état d'équilibre, lorsque l'on augmente la pression de service, le cylindre tend également à se rétrécir à gauche du plan (4) et donc l'interstice (s) deviendra plus faible avec l'augmentation de la pression de service, de telle sorte que, contrairement à ce à quoi l'on s'attendrait, les pertes par fuites n'augmentent pas. Cet effet peut être expliqué comme suit. Supposons qu'une chemise de cylindre ait un diamètre intérieur (Di) et un diamètre extérieur (Du), et qu'une pression (p) = (pi) soit appliquée à l'intérieur de la chemise de cylindre, et une pression (p) = (o) à l'extérieur du cylindre. En conséquence, sur la paroi de la che- mise de cylindre, une contrainte-de traction moyenne se produit par unité de longueur, à chaque section transversale; selon la formule suivante: Di. Pi Tgi (Du - Di) ainsi que l'on peut le calculer de façon connue, en utilisant les techniques traditionnelles de la mécanique. De m8me, au cas o une pression (p) = (o) s'applique à l'intérieur de la chemise de cylindre et une pression (p) = (pu) à l'extérieur de la chemise de cylindre, une contrainte moyenne due à la compression par unité de longueur, s'appliquera à chaque sec- tion transversale de paroi de chemise de cylindre, selon la formule suivante: Du. Pa gu" (Du -Di) Si, maintenant, aussi bien à l'intérieur qu'à l'extérieur du cylindre, il y a une pression (p) = (pc), la contrainte moyenne suivante apparaîtra à chaque section transversale, selon la formule suivante: = Di. Pc - Du.Pc = Pc (Du - Di) _ 5 _ 2500542 C'est une contrainte due à la compression. D'après la loi de Hooke, ceci entraîne une réduction du diamètre qui dépend du module d'élas- ticité de la matière de la chemise de cylindre. En résumé, on peut donc préciser que, dans la situation de la figure 2, un effet de retrait se produit à gauche du plan (4), en déptt du fait que la pression à l'intérieur de la chemise du cylindre soit égale à la pression en dehors de celle-ci. A droite du plan, il se produit un effet de retrait plus fort puisque la pression en dehors de la chemise du cylindre dépasse la pression à l'intérieur. De plus, dans la zone de l'interstice lui-même qui forme en fait la liaison entre le c8té chargé du piston et le c8té non chargé du piston, il y a une chute de pression sur l'intérieur du du cylindre qui, dans la situation représentée à la figure 2, cor- respond à l'effet de retrait dans cette zone du cylindre, comme le symbolisent les flèches (6), effet qui augmente du c8té chargé du piston à son c8té non chargé. Ce qui précède montre qu'en vertu de l'utilisation de l'invention, les pertes par fuites le long d'un piston à boule ou piston comparable logé dans un cylindre, diminuent plutôt qu'elles n'augmentent lorsque l'on augmente la pression de service. La mesure dans laquelle les pertes par fuites diminuent lorsque l'on augmente la pression de service, peut être contr8lée par exemple, en choisissant une pression extérieure non égale à la pression intérieure, par exemple plus faible. Ceci peut se réaliser en pratique, en utilisant un détendeur de pression dans le conduit qui amène le fluide sous pression dans l'espace qui se trouve au- tour de la chemise du cylindre. Un tel détendeur peut être d'une conception telle que la pression ne soit pas réduite jusqu'au- delà d'une valeur seuil, prédéterminée. Ces caractéristiques peuvent être souhaitables dans cer- tains cas pour garantir que le piston est toujours suffisamment lubrifié, et/ou pour empêcher le grippage. De plus, il est possible, par exemple, de maintenir les pertes par fuites constantes, dans une large plage de valeurs de pression, en contrôlant de façon adéquate la pression engendrée à l'extérieur du cylindre. Ceci peut être basé, par exemple, sur l'importance du débit de fuite du fluide sous pression, le long du piston. L'effet de retrait qui se produit en pratique, dépend -6- 2500542 - 6 - entre autres paramètres, de l'épaisseur de paroi de la chemise de cylindre, en tout cas dans la région o la pression intérieure est égale à la pression extérieure, et du type de matériau constituant la chemise du cylindre. Si l'on connaIt ces données, l'effet de retrait et les pertes par fuites qui se produisent, peuvent 4tre calculés pour les pressions de service envisagées. Exemple. Dans une chemise de cylindre en acier ayant un module d'élasticité (E) = 2,1 x 106 kg/cm2, un diamètre intérieur (Di) = 60 mm et un diamètre extérieur (Du) = 80 m, avec une pres- sion de service (pi) = 210 bars au-dessus du piston, pression de service qui est également appliquée à l'extérieur de la chemise du cylindre, et une pression (p2) = 0 bar, appliquée au-dessous du piston, le demidiamètre est réduit au-dessus du piston de 0,0036 cm = 3,6 m, et audessous du piston le demi-diamètre est réduit de 0,0144 cm: 14,4 m. Dans la région du piston lui-même, par conséquent, l'interstice est réduit dawie valeur variant de 3,6J m à 14,4 m. Comme pour la fabrication des pistons et cylindres, les techniques actuelles permettent aisément une précision d'un micron, l'effet de retrait qui se produit a beaucoup d'importance pratique. La figure 3 représente une partie d'un moteur à piston à boule o l'on utilise l'invention. Un piston à boule (30) est logé dans une chemise de cylindre (31) et animé d'un mouvement de montée et descente comme l'indique la double flbche (32). La chemise du cylindre est placée dans un bloc moteur (33), indiqué schématique- ment, et est fermée d'un c8té par une tête de cylindre (34). Par un alésage approprié (35) dans le bloc moteur, un fluide sous pression peut Atre amené dans une cavité (36) formée autour de la chemise du cylindre, dans le bloc moteur. Par ua ou plusieurs alésages (37) dans la paroi de la chemise de cylindre, le fluide sous pression est également amené à l'espace au-dessus du piston. En conséquence, la pression de service est appliquée à la fois dans la chemise du cylindre, dans 1l'espaee au-dessus du piston et autour de la chemise du cylindre, dans la cavité (36), et la pression pratiquement atmosphérique est appliquée sous le piston. Dans un moteur conçu de cette manière. l'effet de retrait envisagé se produit et l'interstice entre le piston et le cylindre peut être contr8lé de la façon décrite précédemment. Un tel moteur convient pour des pressions de service - 7 - 2500542 élevées sans qu'il soit nécessaire que la chemise du cylindre ait une paroi extrêmement élevée. C'est un résultat dû au fait que, comme cela est bien connu, le cylindre peut être chargé avec une surpression extérieure supérieure, tandis qu'il ne peut être char- gé avec une surpression intérieure. Un autre avantage réside dans le fait qu'une telle chemise de cylindre relativement mince, peut être remplacée plus facilement et à un coût moindre, qu'une chemise de cylindre très épaisse. Comme indiqué précédemment, dans certaines circonstances, il peut être important d'avoir une pression d'une valeur différente dans le cylindre, au-dessus du piston, de la pression autour de la chemise du cylindre. Ainsi, il est possible, par exemple, que dans le moteur représenté à la figure 3, la pression de service qui s'applique également dans la cavité (36) à l'extérieur du cylindre, devienne si élevée dans certaines conditions, que par suite de l'effet de retrait lié à cela, le piston grippe. On peut empêcher le grippage en s'assurant que dans un tel cas, la pression s'appliquant dans la cavité (36) autour de la chemise du cylindre, reste inférieure à la pression de service. En pratique, ceci peut se réaliser en distribuant le flui- de sous pression par des conduits et/ou passages séparés au cylin- dre et à la cavité autour de la chemise du cylindre, et en prévoyant un détendeur de pression dans le conduit débouchant à la cavité. Tout ceci est représenté schématiquement à la figure 4. Un conduit (40) dans lequel, comme indiqué par une flèche (41),est amené un fluide sous pression à la pression de service, bifurque d'une part, dans un conduit (42) débouchant dans la chambre au- dessus du piston (30), et d'autre part dans un conduit (43) arri- vant à la cavité (36) autour de la chemise du cylindre (31) et dans lequel un détendeur de pression (44), représenté schématiquement, est monté. La vanne du détendeur de pression (44) peut être conçue de telle sorte qu'elle ne commence pas à fonctionner tant que la pression du fluide n'a pas atteint une valeur prédéterminée. La vanne peut également être conçue pour être contrôlable, comme in- diqué à la figure 4 par une flèche (45). Ainsi par exemple, la vanne pourrait être contrôlée suivant le débit de fuite de fluide de la chambre sous le piston, ce qui constitue une indication de la largeur d'interstice existante. La pression dans la cavité est ensuite réduite si le débit d'huile de fuite devient trop faible et si le piston menace de gripper. En principe, il est également possible que la pression dans la cavité autour de la chemise du cylindre, soit plus élevée que la pression de service. De cette façon, il est possible de compenser un interstice entre piston et cylindre, qui est trop grand initialement, ou un interstice qui s'est indûment agrandi par suite d'usure. Une telle pression relativement élevée dans la cavité, peut être produite au iïoyen d'un dispositif spécial, par exemple, une pompe ou un accumulateur-de pression, ou par un limiteur de pression dans le conduit aboutissant à la chambre au-dessus du pis- ton. De m8me, comme illustré précédemment, il est possible de compenser un interstice qui est initialement trop petit en faisant de sorte que la pression dans la cavité autour du cylindre, soit inférieure à la pression de service. De plus, il est possible de compenser les changements di- mensionnels résultant des effets de température, en contrôlant la pression appliquée dans la cavité. La figure 5 représente une utilisation différente du prin- cipe conforme à l'invention. Un piston (50) d'une presse peut mon- ter et descendre, comme l'indique la double flèche (51) sur la tige du piston (52), dans une chemise de cylindre (53), à condition qu' autour de la chemise du cylindre (53) il y ait une cavité (54) dans laquelle un fluide sous pression peut être amené par un passage (55). La cavité (54) est en communication par un alésage (56) dans la paroi du cylindre, avec la chambre (57) sous le piston, de telle sorte que la pression de service soit appliquée à nouveau, à la fois à l'intérieur et à l'extérieur de la chemise du cylindre. Pour que tout soit complet, un passage (58) est indiqué pour que le fluide sous pression s'échappe au-delà du piston et pour ramener le piston à sa position initiale. On observe que l'utilisation du principe conforme à l'in- vention, n'est pas limitée à un moteur à piston à boule ou à une presse; mais que d'autres utilisations, éventuellement sous une forme modifiée, sont concevables. Ces utilisations et également des variantes évidentes du principe de l'invention, sont considé- rées comme tombant dans le domaine d'application de l'invention. - 8 - - 9 2500542 R E V E N D I C A T I O N S -1- Une méthode de contrôle de l'interstice présent entre la paroi d'une chemise de cylindre et un piston à boule ou un pis- ton ayant une forme comparable, caractérisée en ce qu'on exerce une pression sur l'extérieur de la chemise du cylindre, pression qui est comparable à la pression de service instantanée à l'intérieur de la chemise du cylindre. -2- Une méthode suivant la revendication 1, caractérisée en ce que l'on utilise pour exercer une pression sur l'extérieur de la chemise du cylindre, le même fluide sous pression que celui de la chambre dans la chemise du cylindre d'un côté du piston. -3- Une méthode suivant l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que la pression sur l'extérieur de la chemise du cylindre, est réduite au moins dans une plage de pression de service prédéterminée. -4- Une méthode suivant la revendication 1, caractérisée en ce que la pression sur l'extérieur de la chemise du cylindre est contr8lée selon l'ampleur de débit de fuite du fluide sous pression le long du piston. -5- Un appareil comprenant au moins une chemise de cylin- dre et un piston en forme de boule ou comparable, mobile dans celle- ci, dans lequel, en service, un fluide sous pression est amené à un c8té du piston dans la chemise du cylindre, caractérisé en ce qu'il est prévu une cavité autour de la chemise du cylindre et un moyen pour engendrer dans cette cavité, une pression comparable à la pression de service instantanée dans la chemise du cylindre. -6- Un appareil suivant la revendication 5, caractérisé en ce que la cavité est en communication par un passage et/ou un conduit, avec la même source de fluide sous pression que dans la zone utile du cylindre. -7- Appareil suivant la revendication 6, caractérisé en ce qu'il est prévu un détendeur de pression dans le passage et/ou conduit. - 10 - 2500542 -8- Appareil suivant la revendication 7, caractérisé en ce que le détendeur de pression ne réduit pas la pression de fluide au-dessous d'une valeur de pression pr6détermninée et réduit la pres- sion du fluide au-dessus de cette valeur de pression. -9- Appareil suivant la revendication 7, caractérisé en ce qu'il est prévu un dispositif de mesure pour mesurer l'ampleur de débit de fuite du fluide sous pression, dispositif de mesure qui contr le le détendeur de pression. -10- Appareil suivant la revendication 6, caractérisé en ce qu'un dispositif pour augmenter la pression du fluide sous pres- sion dans la cavité, par rapport à la pression de service instan- tanée dans le cylindre, est accouple à ce passage et/ou conduit. -11- Appareil suivant la revendication 5, caractérisé en ce qu'un conduit ou passage d'alimentation en fluide sous pression, se termine dans cette cavité, et en ce que la chemise de cylindre est équipée d'au moins un canal percé davé sa paroi, qui relie l'es- pace utile dans le cylindre à cette eavité. -12- Appareil suivant l'une quelconque des revendications - 11, caractérisé en ce qu'au moins une chemise de cylindre et un piston font partie d'un moteur à piston à boule, hydraulique. -13- Appareil suivant l'une quelconque des revendications - 11, caractérisé en ce qu'au moins Ln cylindre et un piston font partie d'une presse hydraulique ou pneumatique.