Brevet FR2528523A1 — publié le 19831216

SOUPAPE DE LIMITATION DE PRESSION A COMMANDE DIRECTE La présente invention concerne une soupape de limitation de pression à commande directe, comportant une bille sollicitée par un ressort pour servir d'organe d'obturation dans un corps de soupape, un boulon de gui- dage du ressort pressant la bille sur un siège, et au moins trois billes d'amortissement, de diamètres égaux, disposées entre le boulon de gui- dage et la bille d'obturation en occupant approximativement l'espace in- térieur du corps de soupape. On emploie des soupapes de limitation de pression dans des dispositifs hydrauliques ou pneumatiques Leur rôle est d'empêcher le dépassement d'une valeur prédéterminée de la pression La bille servant d'organe d'obturation, appuyée par un ressort, se soulève de son siège quand la pression prédéterminée est dépassée, de sorte que le fluide sous pres- sion peut s'échapper dans un espace situé derrière la bille Cependant, il existe un risque de mise en vibration de la soupape, la bille pouvant se mettre à "danser" sur l'ouverture d'échappement avec une forte émis- sion de bruit En outre, ces vibrations peuvent entraîner des dégâts au siège et aboutir ainsi à la dégradation de la soupape. C'est pourquoi on a déjà proposé, dans la demande de brevet allemande publiée après examen no 28 26 643, une soupape dans laquelle au moins trois billes d'amortissement d'égal diamètre sont disposées dans le corps de soupape, entre le boulon de guidage du ressort et la bille d'obturation Ces billes d'amortissement occupent approximativement l'espace intérieur du corps de soupape o elles ont un faible jeu, et elles empêchent simplement la bille d'obturation d'osciller à l'excès dans le sens axial et de se déplacer latéralement Cela se réalise d'une part par un effet de centrage de la bille d'obturation et d'autre part par le frottement des billes d'amortissement sur la paroi du corps de soupape En effet, la pression du fluide a pour conséquence une compo- sante radiale de la poussée sur les trois billes d'amortissement, ce qui les presse contre le corps de soupape Le frottement qui en résulte tend ainsi à freiner le mouvement de la bille d'obturation. Toutefois, on a constaté sur ce type de soupape une hystérèse relative- -2- ment grande qui croît encore avec la pression D'autre part, la pression de déclenchement ne suit pas bien linéairement la tension statique du ressort La cause de ces inconvénients réside dans le frottement des billes d'amortissement contre la paroi Après une ouverture de la sou- pape, la pression doit diminuer notablement pour que la force du ressort puisse repousser la bille d'obturation sur son siège Ainsi, la chute de pression dans le circuit à réguler est trop grande. Par conséquent, le but de la présente invention est de fournir une sou- pape de limitation de pression du type mentionné en préambule, dans la- quelle, sans perdre les avantages mentionnés, l'hystérèse est éliminée en grande partie et la pression de déclenchement suit aussi linéairement que possible la tension statique du ressort. Pour ce faire, la soupape selon l'invention est caractérisée en ce que le bord extérieur de la face frontale du boulon de guidage, sur laquelle s'appuient les billes d'amortissement, est proéminent en direction de l'orifice obturé par la bille par rapport à la surface intérieure de la- dite face. Dans l'exécution selon l'art antérieur, la surface du boulon de guidage, sur laquelle s'appuient les billes d'amortissement, était plane et per- pendiculaire à l'axe longitudinal du corps de soupape Il résultait de ces conditions d'appui des forces radiales relativement grandes tendant à écarter les billes d'amortissement et les appuyer contre la paroi du corps de soupape Dans la disposition selon l'invention, grâce à la con- cavité de la surface sur laquelle s'appuient les billes d'amortissement, les forces d'écartement sont sensiblement réduites et, de plus, on peut faire varier cet effet selon que la surface d'appui s'écarte plus ou moins d'une forme plane Par la réduction des forces d'écartement, on réduit le frottement et par conséquent l'hystérèse, et la pression de déclenchement peut être proportionnelle à la tension statique du res- sort. Dans la disposition selon l'invention, la surface frontale du boulon de guidage peut présenter une courbure au moins approximativement sphérique qui peut constituer une calotte sphérique. -3- Le rayon de courbure minimal de ladite surface frontale peut correspon- dre à-la somme du rayon de la bille d'obturation et du diamètre d'une bille d'amortissement Avec ce rayon minimal, les forces d'écartement sont annulées. Une autre variante d'exécution selon l'invention consiste à donner à la- dite surface frontale une forme conique Ce cône est généré par rotation d'une tangente à une bille d'amortissement autour de l'axe longitudinal de la soupape Pour ce qui concerne les déplacements axiaux des billes, cette variante est identique à celle de la calotte sphérique En revan- che, si la bille d'obturation se déplace obliquement, les forces d'écar- tement varient plua dans le cas du cône o l'inclinaison sur l'axe est constante que dans le cas de la calotte sphérique o l'inclinaison varie avec la décalage latéral Cependant, pour des courses d'ouverture très petites, une forme conique est aussi utilisable sans difficultés. La présente invention sera mieux comprise en référence à un exemple de réalisation et aux dessins annexés, dans lesquels, La figure 1 représente une coupe longitudinale d'une soupape selon l'in- vention suivant la ligne I-I de la fig 2, et La figure 2 est une coupe transversale de la même soupape, au-dessus des billes d'amortissement. La soupape de limitation de pression, qui est installée dans un boîtier renfermant le circuit à réguler, comprend un corps de soupape 1 cylin- drique représenté seulement en partiel comportant d'un côté un orifice de soupape 2 dans lequel règne la pression à réguler A l'extrémité op- posée du corps de soupape 1 se trouve un orifice non représenté pour l'évacuation du fluide libéré par la soupape L'accès du fluide à cet orifice d'évacuation est assuré simplement par un trou central 3 d'un boulon de guidage 4 du ressort Ce boulon de guidage 4 comporte une tête élargie 5, dont la surface frontale 10 constitue une surface d'appui pour trois (ou plus) billes d'amortissement 6. L'orifice de soupape 2, qui débouche sur le circuit sous pression, est -4 - normalement fermé par une bille d'obturation 7 La force de fermeture adéquate est exercée par le ressort 8, qui s'appuie d'une part contre le dos de la tête 5 du boulon de guidage et d'autre part contre le fond du corps de soupape 1. Les trois billes d'amortissement 6 sont disposées dans un plan perpendi- culaire à la direction de l'orifice Elles sont de diamètres égaux et elles occupent l'espace intérieur du corps de soupape 1 o elles ont un faible jeu Vers le bas, elles reposent sur la bille d'obturation 7. Le fonctionnement de la soupape est le suivant: tant que la pression qui règne dans le circuit à réguler ne dépasse pas une valeur prédéter- minée, c'est-à-dire tant que la force résultant de cette pression dans l'orifice de soupape 2 ne dépasse pas une certaine valeur, la bille d'obturation 7 reste plaquée par la force du ressort 8 sur l'orifice de soupape 2 qui est ainsi obturé Quand la pression dépasse la valeur pré- déterminée, la force qui en résulte sur la bille d'obturation 7 devient plus grande que la force du ressort, et la bille 7 s'écarte de son siè- ge Le fluide sous pression peut ainsi s'échapper par le trou central 3 du boulon de guidage en direction de l'orifice d'échappement du corps de soupape Les trois billes d'amortissement 6 ont alors un effet de cen- trage et d'amortissement sur la bille d'obturation 7 Elles maintiennent cette bille sur l'axe de symétrie et elles amortissement le mouvement d'ouverture grâce à leur frottement contre la paroi du corps de soupape 1. Dans l'art antérieur, la face frontale du boulon de guidage 4, c'est-à- dire la surface d'appui pour les billes d'amortissement 6, était plane et perpendiculaire à l'axe longitudinal Cette disposition est représen- tée sur la fig 1 par un trait interrompu En revanche, selon l'inven- tion, ladite-face frontale 10 a une forme telle que sa périphérie soit proéminente en direction de l'orifice de soupape 2 par rapport à la sur- face intérieure de cette face Sur la fig 1, cette disposition est réa- lisée en donnant à la face frontale 10 une forme de calotte sphérique qui enveloppe les billes d'amortissement 6 Elle entraîne une réduction des forces d'écartement de ces billes, cette réduction variant avec le rayon de la calotte sphérique Cet effet est visible au moyen du diagram- me des forces représenté sur la fig 1. -5- Une force verticale d'ouverture Fv, représentée par le vecteur 12, se décompose en trois forces égales Fk qui sont dirigées du centre de la bille d'obturation 7 vers le centre de chaque bille d'amortissement 6. Les forces Fk sont représentées par les vecteurs 13 et 14 ', le vecteur 14 ' étant tracé parallèlement au vecteur 14 pour fermer le diagramme. Chaque force Fk se transmet ensuite sur la surface frontale 10 du bou- lon de guidage et sur la paroi latérale du corps de soupape 1 Pour tra- cer le diagramme de ces forces, le vecteur 13 est déplacé en 13 ' pour placer son origine au centre M 1 d'une bille d'amortissement 6. Examinons d'abord, à titre de comparaison, la répartition des forces dans la disposition selon l'art antérieur Le point de contact de la bille d'amortissement 6 avec la surface frontale 9 du boulon serait le point B Il résulterait de la force Fk une force horizontale Fh repré- sentée par le trait interrompu 15 La composante verticale de la force Fk passe par le point B et sa grandeur est figurée par le trait inter- rompu 16 Dans l'exemple représenté, la composante horizontale Fh vaut 36 % de la force verticale d'ouverture Fv. Dans l'exemple de réalisation représenté, le point de contact de la bille d'amortissement 6 avec la surface frontale sphérique 10 du boulon est le point B 1 Le rayon de la bille passant par Bl est représenté par la ligne 17 En traçant une parallèle à ce rayon par l'extrémité du vec- teur 13 ' représentatif de la force Fk-, on obtient la ligne 17 ' La com- posante horizontale Fh, qui résulte de ce diagramme des forces, est re- présentée par le vecteur 18; elle ne vaut que 22 % de la force Fv. Le rayon de courbure minimal pour la surface frontale 10 ressort égale- ment de l'examen du diagramme des forces Ce rayon minimal correspond à la somme du rayon de la bille d'obturation 7 et du diamètre d'une bille d'amortissement 6 Dans un tel cas, le rayon de la calotte sphérique passerait par le centre M de la bille d'obturation 7, tandis que le point de contact sur la surface frontale 10 du boulon 4 se trouverait en B 2 On peut constater que la force Fk serait alors transmise directement sur le boulon 4, sans apparition d'une composante horizontale sur la bille d'amortissement Si l'on diminuait encore le rayon de la calotte, les billes d'amortissement se déplaceraient alors vers le centre. -6 - En choisissant le rayon de la calotte sphérique, on peut donc choisir l'intensité relative de la force d'écartement, respectivement de la com- posante horizontale Fh,en s'adaptant ainsi aux caractéristiques désirées. par chaque application En particulier, la force d'écartement nécessaire dépend du débit de fluide à écouler Des essais ont montré que, pour un débit de 13 1/min jusqu'à environ 200 bar, une force d'écartement de 3 peut suffire. Bien entendu, la rugosité superficielle de la paroi du corps de soupape 1 est aussi déterminante pour l'intensité des forces de frottement, mais elle est prise en compte séparément. -7 - Revendications 1 Soupape de limitation de pression à commande directe, comportant une bille sollicitée par un ressort pour servir d'organe d'obturation dans un corps de soupape, un boulon de guidage du ressort pressant la bille sur un siège, et au moins trois billes d'amortissement, de diamètres égaux, disposées entre le boulon de guidage et la bille d'obturation en occupant approximativement l'espace intérieur du corps de soupape, ca- ractérisée en ce que le bord extérieur ( 11) de la face frontale ( 10) du boulon de guidage ( 4), sur laquelle s'appuient les billes d'amortisse- ment ( 6), est proéminent en direction de l'orifice ( 2) obturé par la bille par rapport à la surface intérieure de ladite face. 2 Soupape de limitation de pression selon la revendication 1, caracté- risée en ce que la surface frontale ( 10) a une courbure au moins appro- ximativement sphérique. 3 Soupape de limitation de pression selon la revendication 2, caracté- risée en ce que la surface frontale ( 10) a la forme d'une calotte sphé- rique. 4 Soupape de limitation de pression selon l'une quelconque des revendi- cations 2 ou 3, caractérisée en ce que le rayon de courbure minimal de la surface frontale ( 10) correspond à la somme du rayon de la bille d'obturation ( 7) et du diamètre d'une bille d'amortissement ( 6). 5 Soupape de limitation de pression selon la revendication 1, caracté- risée en ce que la surface frontale ( 10) présente au moins approximati- vement une forme conique.