Brevet FR2521681A1 — publié le 19830819

i Les soupapes de décharge qui au début comprenaient une simple bille et un ressort ont eu des caractéristiques largement variables ainsi que des problèmes dont plusieurs étaient ignorés dans le passé Actuellement cependant, étant donné les exigences visant à une augmentation de la productivité des machines et une amélioration de l'effica- cité, les caractéristiques performantes des soupapes de décharge sont devenues plus importantes et les critères de réalisation plus stricts. Auparavant, la capacité d'une soupape de décharge à se fermer après avoir été ouverte n'a-pas constitué un problème majeur, si bien qu'en conséquence plusieurs des soupapes ont eu une hystérésis très importante avec une pression de fermeture sensiblement inférieure à la pression d'ouverture Actuellement, dans beaucoup d'applications hydrauliques mobiles, il est nécessaire que la soupape se ferme dans une gamme donnée de pressions à partir d'une courbe d'ouvertures comme par exemple 689 k Pa. La raison pour laquelle les soupapes de décharge se ferment à une pression inférieure à la pression d'ouver- ture est liée fondamentalement à la friction mécanique à l'intérieur de celles-ci Les projeteurs utilisent actuellement des joints à faible friction comme procédé pour diminuer l'hystérésis de la soupape Lors des études d'augmentation des performances d'hystérésis, un autre problème s'est révélé Il est constitué par l'incapacité de l'obturateur à rester en alignement avec le siège pendant le fonctionnement de la soupape de décharge L'usi- nage des pièces d'une soupape de décharge selon des tolé- rances assez serrées permettant de commander le manque d'alignement maximal n'est pas pratique et provoque le grippage des pièces, ce qui détruit la capacité de la soupape à s'ouvrir et à se fermer à un niveau de pression spécifique. Des solutions typiques de l'art antérieur à ce problème d'alignement font que l'obturateur, le siège ou les deux pièces flottent librement, comme décrit typique- ment dans les brevets des Etats-Unis d'Amérique No 3 054 420, N O 3 583 431 et N O 3 621 875 Chacune de ces réalisations nécessite un frottement glissant métal contre métal pour aligner l'obturateur et le siège comme par exemple dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique N' 3 621 875, o le siège 22 doit glisser sur la bague 21. La capacité d'une soupape de décharge à maintenir un niveau de pression constant à mesure qu'augmente le débit à travers la soupape a été traitée par les pro- jeteurs selon des procédés variés Le principe d'échange de force consistant à diriger et-à tourner un courant de grande vitesse contre une surface de l'obturateur pour augmenter la charge contre le ressort de manière à agir à l'encontre de la force du ressort,est enseigné dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique N O 3 054 420 mentionné ci-dessus. Un autre procédé est le procédé du gain de surface décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique No 3 583 431 mentionné ci-dessus. Un autre procédé encore consiste à utiliser des orifices calibrés pour créer des chutes de pression en divers endroits de l'obturateur pour agir à l'encontre des variations de force du ressort Différentes réalisations de soupape utilisent diverses combinaisons des méthodes mentionnées cidessus pour réaliser une courbe plate de pression et d'écoulement. La réalisation de la soupape de décharge selon la présente invention présente une hystérésis très faible entre les courbes d'ouverture et de fermeture à cause du frottement mécanique réduit L'obturateur glisse axialement sur une bague glissante à faible frictiontandis que l'alignement du siège et de l'obturateur est obtenu en tournant l'obturateur autour de son extrémité opposée sur un très faible angle de rotation. La conception de sièges fixes permet l'utilisa- tion d'un ressort plus petit à cause du trajet plus petit du ressort ainsi que de la longévité améliorée malgré la fatigue, ce qui permet un encombrement beaucoup plus faible de la cartouche complète de la soupape de décharge. La tige d'obturateur s'étendant dans le courant de fluide sortant de la soupape fournit un échange de force pour la soupape à des débits accrus, ce qui permet une courbe d'écoulement plus plate. Le principal avantage de la présente invention est donc de fournir une réalisation de soupape de décharge ayant une courbe de fermeture à hystérésis faible. Un autre but de la présente invention est de fournir une conception de soupape de décharge ayant un siège fixe et un obturateur qui est aligné avec le siège par son pivotement autour d'un point fixe selon un angle faible de rotation. Un autre but de la présente invention est une réalisation de soupape de décharge ayant une faible dimen- sion de cartouche et qui présente des courbes améliorées de pression et d'écoulement pour l'ouverture et la ferme- ture. Un autre but de la présente invention est de fournir une forme d'obturateur et une configuration de car- touche améliorées en utilisant un échange de force sur l'obturateur et une chute de pression provoquée par un orifice dans la cartouche pour produire une amélioration de la courbe d'écoulement. Un autre objet encore de la présente invention est de fournir une réalisation de soupape de décharge qui réduit au minimum la friction mécanique entre les pièces de la soupape de manière à améliorer les caractéristiques d'hystérésis et de fuite. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparattront plus clairement dans la description détaillée qui va suivre d'une forme de réalisa- tion à la lumière du dessin comprenant une figure unique représentant une section longitudinale d'une soupape de décharge à fluide sous pression selon la présente inven- tion. Le dessin illustre une soupape de décharge du type cartouche qui est désignée de façon générale par le numéro de référence 10 La cartouche de soupape de décharge comprend un corps de soupape 11 comportant sur sa péri- phérie des orifices d'entrée 28 ainsi qu'un orifice de sortie 18 sous la forme d'un siège biseauté La soupape est placée dans un système hydraulique avec l'extrémité de gauche de la cartouche disposée à l'intérieur d'une paroi 43 Celle-ci,qui pourrait être dans le corps d'une soupape de commande directionnelle ou tout autre composant hydraulique du système, définit et sépare une chambre haute pression 12 d'un réservoir ou chambre de décharge 14. A l'intérieur du corps de soupape 11, est situé un obtura- teur 16 poussé contre son siège biseauté 18 par un ressort de compression 32 par l'intermédiaire d'une bague de butée 44 Un manchon d'alignement 34 est reçu par vissage dans l'extrémité de droite du corps de soupape 11, son diamètre externe poussant le ressort 32 de manière à le comprimer Des orifices 36 dans le diamètre externe du manchon 34 fournissent un dispositif pour entrer en contact avec le manchon 34 et faire tourner celui-ci de manière à faire varier la charge sur le ressort 32. En position concentrique dans le manchon d'ali- gnement 34 se trouve un alésage 38 destiné à la réception d'une extrémité élargie 52 de l'obturateur 16 qui a un chanfrein sur les deux c 8 tés Dans l'extrémité élargie 52, il y a un joint torique 40 ainsi qu'une bague glissante 42 qui permet à l'obturateur 16 de coulisser axialement dans l'alésage 38 avec un frottement relativement faible Il n'y a aucune pression dans le côté postérieur de l'alésage 38 puisque le passage longitudinal 24 pratiqué dans l'obturateur est toujours relié à l'échappement 14. A l'extrémité opposée de l'obturateur 16, il y a une surface annulaire d'étanchéité 20,qui contacte le siège 18, et présente un diamètre 'A", tandis que l 'extré- mité élargie 52 de l'obturateur 16 a un diamètre plus grand "B" Une tige 22 s'étend extérieurement sur l'obtu- rateur 16 à partir de la surface d'étanchéité 20 Lorsque la soupape est ouverte, le courant à grande vitesse sortant de la soupape heurte la tige 22 La chambre interne 13 de la soupape 10 est ouverte à la pression élevée provenant de la chambre 12 non seulement à travers les orifices 28, mais également à travers les orifices 36 et 30. La soupape de décharge 10 de la présente inven- tion peut être utilisée soit comme une soupape de décharge de dérivation, soit comme une soupape de décharge princi- pale Le ressort 32 est chargé préliminairement, et il pousse l'obturateur 16 contre le siège 18 avec une force variable en fonction du niveau de décharge désiré Si par exemple la soupape 10 doit s'ouvrir et se fermer à 34, 46 M Pa, le ressort 32 est chargé préliminairement à environ 1776 N. La zone effective contre laquelle la pression élevée de la chambre 13 agit est une zone annulaire ayant un diamètre interne "A" et un diamètre externe "B". Lorsque la pression dans la chambre 12 atteint le niveau de relâchement, l'obturateur 16 se déplace vers la droite comme le montre la figure, en permettant à l'écoulement en travers du siège 18 de drainer la chambre 14 Le fluide s'écoule en travers des orifices 28 le long de la surface arquée 26 et du siège biseauté 18 Lorsque le courant à grande vitesse sort de l'orifice de sortie, il heurte la tige 22 ce qui provoque un changement de moment sur 1 'obturateur Ce changement produit une force agissant à l'encontre du changement de force du ressort A mesure qu'augmente la vitesse d'écoulement en travers de I'obtu- rateur 16, une chute de pression est créée en travers des orifices 28 qui favorise davantage le maintien d'une courbe d'écoulement plate. Comme la charge exercée par la plupart des ressorts hélicoïdaux n'est pas uniforme sur toute leur circonférence, il y a toujours une tendance à pousser l'obturateur de décharge d'un côté ou de l'autre La bague de butée 44 est prévue plus petite que le diamètre interne du corps 11, ce qui permet à l'extrémité de gauche de l'obturateur 16 de se déplacer alternativement sur un trajet limité Comme l'extrémité élargie 52 de l'obtura- teur 16 ne peut se déplacer que dans la direction axiale, l'obturateur en fait pivotera autour d'un point fixe 48 d'un angle très faible Lorsque la bague 44 se déplace de son trajet latéral maximal, l'obturateur 16 tourne au maximum de 50 autour du point 48 La largeur axiale de l'extrémité élargie chanfreinée 52 est suffisamment petite pour que même avec une rotation de 50,il n'y ait aucun contact métal contre métal entre l'alésage 38 et l'extré- mité 52 Le joint torique 40 et la bague coulissante 42 sont disposés suffisamment serrés dans l'alésage 38 pour empêcher tout mouvement latéral dans l'extrémité 52 de l'obturateur. Lorsque l'obturateur 16 commence à se fermer il se déplace vers la gauche en direction du siège 18 en raison d'une chute de pression dans la chambre 12 Comme is la surface de scellement 20 n'est pas complètement alignée avec le siège 18, la surface biseautée 18 ainsi qu'un obturateur 16 pivotant sans frottement provoquent l'aligne- ment automatique de l'obturateur 16 et du siège 18 et la fermeture de la soupape 10 avec très peu de frottement mécanique entre les pièces L'obturateur 16 dans une forme de réalisation de décharge en circuit tournera au maximum de 2,50 autour d'une distance fixe par rapport au siège 18 d'obturateur La courbe de fermeture de cette soupape a une hystérésis très faible par comparaison avec la courbe d'ouverture. Comme le ressort 32 de soupape de décharge est toujours chargé dans la présente réalisation, par comparai- son avec les conceptions sans charge des brevets mentionnés ci-dessus, la longévité à la fatigue est réduite, ce qui permet l'utilisation de ressorts plus petits. REVENDICATI ONS 1 Soupape de décharge de fluide destinée à être utilisée dans un système hydraulique, caractérisée en ce qu'elle comprend un corps principal ( 11) contenant une chambre, et comportant des orifices d'entrée ( 28) et de sortie ( 18), un siège circulaire biseauté situé dans l'orifice de sortie ( 18), un dispositif à ressort ( 32) se trouvant dans la chambre, un obturateur ( 16) dé- plaçable axialement et sensible à la pression disposé dans la chambre et ayant une surface d'étanchéité annulaire ( 20) à une extrémité, agissant en conjonction avec le dispositif à ressort ( 32) de manière à fermer la soupape, une extrémité élargie entourée d'un dispositif d'étanchéité étant espacée à l'extrémité opposée de l'obturateur ( 16), la soupape comportant également un manchon de guidage ( 34) dans le corps principal ( 11), le manchon présentant un alésage axial ( 38) recevant l'extrémité élargie de manière à guider le mouvement longitudinal de l'obturateur ( 16) tout en permettant à celui-ci de tourner d'un angle limité de rotation autour d'un point fixe. 2 Soupape de décharge de fluide selon la reven- dication 1, caractérisée en ce que l'obturateur 16 comporte un passage longitudinal ( 24) reliant l'alésage ( 38) à une décharge ( 14). 3 Soupape de décharge de fluide selon la reven- dication 1, caractérisée en ce que l'obturateur comporte une tige ( 22) s'étendant axialement à partir de son extré- mité de surface d'étanchéité ( 20), ainsi qu'un passage longitudinal ( 24) à l'intérieur de l'obturateur prévu de manière à relier l'alésage ( 38) à la décharge ( 14) à travers la tige ( 22). 4 Soupape de décharge de fluide selon la reven- dication 1, caractérisée en ce que l'obturateur comporte une tige ( 22) d'un diamètre réduit s'étendant axialement à partir de son extrémité de surface d'étanchéité ( 20) et sur une distance suffisante pour intercepter l'écoulement de décharge à grande vitesse sortant de l'orifice de sortie ( 18) de la soupape et pour créer un échange de force sur l'obturateur à l'état dynamique. Soupape de décharge de fluide selon la reven- dication 1, caractérisée en ce que les orifices d'entrée ( 28) formés dans le corps principal produisent une chute de pression à l'intérieur de la chambre ( 12) durant les positions d'écoulement et d'ouverture de la soupape. 6 Soupape de décharge de fluide selon la reven- dication 1, caractérisée en ce que la surface de scellement annulaire ( 20) de l'obturateur ( 16) a un diamètre (A) plus faible que l'extrémité élargie ( 52), et un passage longitu- dinal ( 24) formé dans l'obturateur relie l'alésage ( 38) à la décharge ( 14). 7 Soupape de décharge de fluide selon la reven- dication 1, caractérisée en ce que l'extrémité élargie ( 52) est espacée longitudinalement de l'extrémité de la surface d'étanchéité ( 20) de pas moins de quatre fois le diamètre (A) de la surface d'étanchéité ( 20).