Brevet FR2528135A1 — publié le 19831209

Palier hydrostatique à patin pour support d'une pièce mobile. La présente invention se rapporte à des paliers hydrostatiques à patins hydristatiquement équilibrés pour constituer un palier pratiquement sans frottement, à fuites de fluide négligeables On utilise ces paliers avec des clapets détectant la position pour régler automatiquement la pression hydrostatique de support de façon à assurer l'adaptation à une charge variable et on peut les utiliser pour absorber des efforts de tourillonnement et de poussée. Les paliers hydrostatiques à patins comprennent typiquement un patin sensiblement cylindrique à périphérie étanchée coulissant à l'intérieur d'un bottier fixe, la face intérieure du patin étant alimentée en pression par un clapet manoeuvré par la position du patin, la face extérieure étant conformée pour assurer un contact intime avec une pièce mobile à supporter, une région de cette face extérieure étant délimitée par une zone d'étanchéité de façon à avoir pratiquement la même aire hydrostatique que la face intérieure, un passage traversant le patin et transmettant la pression qui agit sur la face intérieure à la région délimitée de la face extérieure de façon que le patin soit-sensiblement dans un état d'équilibre du fait des forces de pression, la partie mobile étant pratiquement supportée par la pression hydrosta- tique seule, une charge mécanique négligeable existant entre le patin et la pièce mobile Dans toute la description, l'expression "intérieur ' est utilisée en liaison avec la direction d'éloignement de la partie à supporter et l'expres- sion "extérieur" en liaison avec la direction de rapprochement de la pièce à supporter. La figure l du dessin annéxé représente un exemple de palier à patin connu On trouvera des descriptions d'autres exemples dans le brevet US N O 3 791 703. En se référant à la figure 1 illustrant un palier à patin hydrostatique de conception connue, le patin 1 s'emboîte dans deux alésages cylindriques 2 et 3 Le déplacement du patin vers l'intérieur entraîne l'ouverture du clapet 4 par la tige-poussoir 5, laissant pénétrer du fluide depuis la source de pression 6 jusqu'au palier Ce fluide est transmis à la face intérieure 7 et au creux extérieur 8 du patin par le passage 9. Le creux est formé de façon à délimiter une zone d'étanchéité portant sur la pièce mobile 11 avant une aire hydrostatique efficace sensiblement égale à celle de l'alésage cylindrique 2. En pratique cela demande que le diamètre de l'alésage 2 soit sensiblement égal à la moyenne des diamètres intérieur et exté- rieur de la zone d'étanchéité Cette condition fondamentale exi- ge que le patin présente des diamètres étagés, comme on l'a re- présenté. La flèche 12 indique le sens de déplacement de la pièce mobile et il s'exerce une légère force de frottement sur la face du patin, qui l'entraîne dans ce sens Si l'alésage 3 n'est pas présent, cette force de frottement engendre une force de réaction, comme l'indique la flèche 13 Du fait que la force de réaction est éloignée de la face du patin, un couple est en- gendré, et ce couple fait mordre le bord 14 de tête du patin dans la surface de la pièce mobile Pour empêcher cela, l'alésage 3 est en général présent pour supporter la réaction au niveau de la flèche 15 Cependant, du fait que le patin doit être ajusté étroitement dans l'alésage 2, pour éviter le refoulement du joint, les alésages 2 et 3 et le patin doivent être fabriqués en respectant des tolérances très étroites, ce qui entraîne un coût élevé Même à ce moment, la charge de réaction est suppor- tée dans une certaine mesure par le joint 16, ce qui a de nou- veau tendance à faire mordre le bord de tête du patin, de sorte que ce type de réalisation s'avère de façon générale peu fiable et imprévisible. Il v a également lieu de noter que la pression d'alimentation régnant dans le passage 6, qui agit sur le cla- pet à bille 4, agit également sur l'ensemble de patin, ce qui perturbe l'équilibre hydrostatique du patin Pour cette raison, on ne peut utiliser qu'un clapet à bille très petit, ce qui entraîne une pression de support inappropriée au cas de charges à variation rapide et une susceptibilité aux fuites. Les réalisations connues de paliers à patins comme celles décrites cidessus sont limitées à l'utilisatioi, 3 2528135 de clapets de type "champignon" très petits si l'équilibre hy- drostatique du patin ne doit pas être compromis, ce qui réduit l'utilité du palier, du fait qu'il ne réagit pas à des charges de variation rapide et donne une forte susceptibilité aux fui- tes, ou bien de type à boisseau qui, tout en étant par nature équilibrés, sont sujets aux fuites, et à l'érosion à des pres- sions élevées dans des fluides faiblement visqueux, et suscep- tibles de se coincer si des particules solides sont présentes dans la source de fluide Pour certaines applications cependant, une soupape à boisseau est acceptable. Une autre condition des paliers hydrostatiques à patins du type que vise l'invention consiste en ce que le cou- plage entre le patin et le clapet de détection de position doit être dépourvue de jeu, c'est-à-dire que tout mouvement du patin doit provoquer un mouvement immédiat et correspondant du cla- pet. La présente invention a pour but un palier hydro- statique à patin dans lequel le patin soit supporté dans une cavité à diamètre unique dans le boîtier, de façon que toute tendance du patin à mordre dans la pièce mobile soit-réduite au minimum, tout en évitant d'avoir à utiliser un patin de structure étagée Comme on l'a expliqué à propos de la figure 1, les paliers à patins doivent être supportés diamétralement au voisinage immédiat de la pièce mobile, pour ne pas pencher et présenter un bord de tête aigu à la surface de la pièce mobi- le Cela est difficile à réaliser dans les structures de patin connues, du fait que le diamètre de la face extérieure doit être supérieur au diamètre d'étanchéité (comme dans le cas de la structure décrite plus haut) pour fournir les aires hydrô- statiques égales; et, pour assurer un support étroit, le dia- mètre extérieur doit être ajusté étroitement dans le boîtier comme le diamètre d'étanchéité, pour empêcher le fluage du joint mais le diamètre agrandi doit être ajusté le plus étroitement, dans toutes les conditions de tolérances, ce qui entraîne des tolérances de fabrication très étroites et des coûts de-produc- tion élevés. L'invention a également pour but un type de struc- ture dans lequel un clapet à boisseau ou un clapet de type champignon de grand diamètre, de préférence le second, puisse être utilisée, le clapet étant relié au patin de façon à élimi- ner le jeu L'expression "clapet de type champignon" doit s'en- tendre comme comprenant ce que l'on décrit comme un clapet plat 18 en regard de la figure 2. La présente invention a pour objet un palier hy- drostatique à patin devant supporter une pièce mobile, compre- nant un boîtier fixe qui comporte un alésage cylindrique dans sa face, un patin d'appui s'emboîtant étroitement dans l'alésage et pouvant s'y déplacer axialement, des moyens d'étanchéité aux liquides entre la périphérie du patin et l'alésage, la face extérieure du patin étant conformée pour porter sur la pièce mobile à supporter, une région en creux de la face extérieure du patin étant délimitée par une zone d'étanchéité, un passage traversant le patin faisant communiquer la face intérieure du- dit patin avec ladite région en creux, une cavité cylindrique dans le boîtier situé à l'intérieur par rapport au patin, un ensemble de clapet dans ladite cavité, monté de façon que son couplage avec le patin soit dépourvu de jeu pour que le clapet effectue ses mouvements en même temps, un premier passage dans le boîtier pour envoyer du liquide-sous pression à l'ensemble de clapet, un second passage reliant la partie intérieure de la cavité à une zone de pression réduite, le clapet étant agencé pour s'ouvrir et laisser pénétrer du liquide sous pres- sion dans le passage à travers le patin, lorsque le patin se déplace vers l'intérieur, caractérisé en ce que l'alésage cy- lindrique et le patin ont un diamètre sensiblement uniforme sur toute leur longueur, de sorte que le patin est supporté à l'en- contre de mouvements latéraux par la paroi de l'alésage en des points proches de la pièce mobile, en ce que l'aire hydrosta- tique efficace de la face intérieure du patin est sensiblement égale à l'aire hydrostatique efficace de la face extérieure du patin, plus l'aire hydrostatique efficace du clapet soumise à la pression agissant sur la face intérieure du patin, et en ce que l'ensemble de clapet est en lui-même en équilibre hydro- statique vis-à-vis de la pression régnant dans le premier pas- sage, de sorte que le patin et l'ensemble de clapet sont en équilibre hydrostatique. On va à présent décrire des exemples d'exécution préférés non limitatifs de l'invention, en regard des autres figures du dessin annexé dont La figure 2 représente un palier à patin compor- tant un clapet de détection de position selon l'invention; La figure 3 représente une pompe à pistons à dé- placement variable comprenant des patins selon l'invention. La figure 2 représente un palier à patin selon l'invention Le patin 17 s'emboîte dans un alésage 17 a et le clapet 18 est guidé de façon étanche sur sa périphérie cylindri- que 19 par l'ensemnle d'étanchéité 20 Le clapet 18 est fixé à la partie filetée d'une tige 21 et bloqué dans une position réglée par un contreécrou 22 L'extrémité extérieure de la tige 21 prend la forme d'une calotte sphérique pour réaliser la liaison articulée à rotule 23 avec le patin 17 La face ex- térieure 24 de la tige 21 est réalisée de façon à être étroi- tement adjacente, mais non en contact avec la face 25 de la pièce mobile La zone d'étanchéité 31 du clapet plat 18 porte sur un siège de clapet 26 s'emboîtant lui-même dans un creux tronconique 27 du boîtier Plusieurs ressorts légers 28 sont reçus dans des trous correspondants du boîtier et sollicitent le patin 17 vers l'extérieur, de façon à constituer la liaison à rotule 23 et à faire porter la zone d'étanchéité 31 sur le siège de clapet 26, ce qui empêche le fluide d'alimentation, si- tué dans le passage 29 qui est sous pression d'alimentation, de pénétrer dans le palier à patin La face intérieure du clapet 18 est reliée à la basse-pression, dans le boîtier, par le pas- sage 30. Le diamètre moyen de la zone d'étanchéité 31 du clapet plat 18 et le diamètre de la ligne de contact linéaire 32 entre le siège de clapet 26 et le boîtier sont prévus pour être sensiblement égaux au diamètre 19 du clapet 18, ce qui empêche la pression d'alimentation de réagir sur le clapet 18 ou le siège 26, l'ensemble de clapet étant en lui-même en équilibre hydrostatique vis-à-vis de la pression d'alimentation; ainsi les forces d'actionnement du clapet sont pratiquement indépen- dantes de la pression d'alimentation Lorsqu'une charge est appliquée, la face 25 de la pièce mobile déplace le patin 17 vers l'intérieur et entre en contact avec la face extérieure 24 de la tige 21 pour ouvrir le clapet 18, et autoriser l'entrée du fluide dans le palier Dès qu'il règne une pression dans le 6 2528135 palier, cette nression agit sur la zone d'étanchéité 31 du cla- pet 18 pour déplacer le clapet 18 et la tige 21 vers l'intérieur et assurer la liaison à rotule 23 La liaison à rotule 23 res- te assurée, tant qu'il règne une pression dans le palier, ce qui procure un counlage articulé dépourvu de jeu entre le cla- pet 18 et le patin 17 Il ne se produit de contact entre la face 25 de la pièce mobile et la tige 24 qu'en l'absence de cette pression. Dès que la pression monte dans le palier, la force hydrostatique supporte la charge et éloigne la face 25 de la pièce mobile, ce qui permet la fermeture du clapet 18. Dans des conditions de charge permanentes, le clapet 18 est pratiquement fermé, laissant éventuellement passer une légère quantité dosée de fluide pour compenser les fuites du patin 17 Une augmentation supplémentaire de charge réouvre le clapet 18, jusqu'à ce que la pression régnant dans le palier atteigne à nouveau une valeur suffisante pour supporter la charge. Si la charge diminue, le clapet 18 se ferme d'a- bord entièrement, puis la pression régnant dans le palier agit contre la face 25 de la pièce mobile et l'éloigne légèrement du patin 17, ce qui permet à la pression à présent excessive de s'échapper en franchissant la zone d'étanchéité 33 du patin, jusqu'à ce que la pression d'équilibre correcte soit atteinte. Au cours d'une utilisation normale, avec une charge dynamique variant continuellement, du fluide parvient de façon répétée dans le palier pour équilibrer une augmenta- tion de charge et il s'échappe ensuite en franchissant la zone d'étanchéité 33 du patin, lorsque la charge diminue Cependant, en raison de la compressibilité relativement faible de la plu- part des liquides, ce débit intermittent est très faible et ne représente pas une perte d'énergie importante. I.a force de frottement sur le patin, engendrée par le mouvement indiqué par la flèche 34, rencontre une résistan- ce tout près de la face mobile 25, comme l'indique la flèche 35, ce qui réduit la probabilité de morsure au bord de tête du patin Tl est avantageux de réaliser le bord de retenue de Jo I In L 6 du patill a ie un jeu impirtant V comme on l'a représen- té, pour empêcher, en toutes circonstances la réaction de frot- tement d'être supportée par ce bord. 7 25 28135 Dans la structure décrite, le patin 17 présente un seul diamètre extérieur et la cavité 17 a un seul diamètre intérieur, ce qui évite d'utiliser la structure étagée de la figure 1 Avec cet agencement cependant, le patin 17 n'est pas lui-même nécessairement en équilibre hydrostatique, du fait que l'aire hydrostatique efficace de la face extérieure du patin est inférieure à l'aire hydrostatique efficace de la face inté- rieure On obtient cependant l'équilibre, du fait que la face intérieure du clapet 18 est, grâce au passage 30, à la même basse pression que celle qui règne généralement dans le boîtier. En choisissant judicieusement l'aire de la face intérieure du clapet on équilibre la pression hydrostatique d'un côté à l'autre du patin sans utiliser d'alésages étagés dans le boîtier Cela veut dire que les dimensions du patin, de la zone d'étanchéité du patin et du clapet sont choisies de façon que la force agissant sur le patin vers l'extérieur soit équilibrée par la force agissant sur le clapet vers l'intérieur, ce qui met l'ensemble du patin et du clapet dans un état d'équilibre hydrostatique, de sorte que la charge mécanique entre le patin et la pièce mobile est négligeable et que seule une force hydro- statique agit pratiquement sur la pièce mobile La force du clapet vers l'intérieur assure énergiquement la liaison à ro- tule entre le patin 17 et la tige 21, ce qui empêche tout jeu. On peut-utiliser une soupape champignon, portant directement sur le boîtier, au lieu du clapet plat 18 et du siège de clapet 26 En variante, on peut utiliser une soupape à boisseau Bien qu'elle présente l'avantage d'être par nature en équilibre hydrostatique, elle présente les inconvénients précités, mais on peut l'utiliser dans certaines applications. En se référant à la figure 3 qui représente deux applications de paliers à patin, selon l'invention, une pompe à piston à déplacement variable comporte un ensemble d'arbre rotatif 37 qui entraîne un rotor cylindrique 38 tournant contre une face à inclinaison ajustable 39, provoquant le vaet-vient de plusieurs pistons 40 dans des cylindres 41, de sorte que du fluide est aspiré et évacué par des orifices (non représen- tés) formés dans la face 39 Le déplacement du bloc à orifices 42 suivant le chemin circonférentiel 43 modifie l'angle d'in- clinaison de la face 39, ce qui modifie la course du piston et 8 2528135 le débit de la pompe Les orifices de la face 39 sont reliés à des tubes pour orifices 44, pour permettre au fluide d'être aspiré dans la pompe à piston, ou le moteur et d'en être éva- cué. I La pression agissant sur les pistons 40 fait agir une force de réaction considérable sur une pluralité de paliers de poussée 45 et, en raison de l'inclinaison de la face 39, une force de réaction plus légère agit sur le palier de tourillon- nement 46 La construction selon l'invention des deux paliers de support permet d'obtenir un fonctionnement fiable à des niveaux de rendement très élevés. Les paliers à patins 45 utilisent une surface plane sur la pièce mobile pour le support de poussée, tandis que le palier 46 utilise une surface sphérique sur la piece mobile, avec une surface en forme de calotte sphérique corres- pondante sur le patin, pour le support de tourillonnement. 9 2528135 R E V E N D I C A T I O N S 1 Palier hydrostatique à patin destiné à sup- porter une pièce mobile, comprenant un boîtier fixe qui compor- te un alésage cylindrique, dans sa face libre, un patin de pa- lier emboîté étroitement dans l'alésage et susceptible de s'y déplacer axialement, des moyens d'étanchéité aux liquides entre la périphérie du patin et l'alésage, la face extérieure du pa- tin étant conformée de façon à porter sur la pièce mobile à sup- porter, une région creuse sur la face extérieure du patin étant délimitée par une zone d'étanchéité, un passage traversant le patin faisant communiquer la face intérieure du patin avec ladi- te région creuse, une cavité cylindrique dans le boîtier à l'in- térieur par rapport au patin, un ensemble de clapet à l'intérieur de la cavité, monté de façon à supprimer le jeu relatif entre le patin et le clapet, un premier passage dans le boîtier pour ame- ner du liquide sous pression à l'ensemble de clapet, un second passage reliant la partie intérieure de la cavité à une zone de pression inférieure, le clapet étant agencé pour s'ouvrir afin de faire entrer du liquide sous pression dans le passage à tra- vers le patin lorsque le patin se déplace vers l'intérieur, ca- ractérisé en ce que l'alésage cylindrique et le patin ont un dia- mètre sensiblement uniforme sur toute leur longueur, de sorte que le patin est supporté àl'éncontre d'un mouvement latéral par la paroi de l'alésage en des points proches de la pièce mobile, en ce que l'aire hydrostatique efficace de la face intérieure du patin est sensiblement égale à l'aire hydrostatique efficace de la face extérieure du patin plus l'aire hydrostatique efficace du clapet subissant la pression agissant sur la face intérieure du patin,et en en ce que l'ensemble de clapet est en lui-m&me en équilibre hy- drostatique vis-à-vis de la pression régnant dans le premier pas- sage, de sorte que le-patin et l'ensemble de clapet sont en é- quilibre hydrostatique. 2 Palier hydrostatique à patin selon la reven- dication 1, caractérisé en ce que le clapet est une soupape- champignon ou un clapet plat. 3 Clapet selon la revendication 2, caractérisé en ce que le patin est relié au clapet par une tige traversant le patin, la tige comportant à son extrémité extérieure une tête dont la face se trouve dans la zone creuse et qui comporte vers son intérieur une surface convexe en forme de calotte sphé- rique qui porte sur une surface concave analogue dans le patin pour former un assemblage à rotule. 4Clapet selon la revendication 3, caractérisé en ce que le clapet est un clapet plat comprenant un élément cylindrique fixé de façon ajustable à la tige et comportant son extrémité extélure une face de clapet annulaire plane agencée pour s'appuyer sur une face analogue associée au boîtier, - 1 l ledit clanet com-mandar t l'écouiement de fluide dudit premier passage au passage:raversant le patin, ledit élément cylind-:ique étant entouré par un dis osit'if d'étanchéité contre la paroi de ladite cavité et séparant lesdites parties de la cavité. Clapet selon la revendication 4, caractérisé en ce que ladite face analogue est formée sur l'extrémité inté- rieure d'un élément annulaire comportant à son extrémité exté- rieure une face en forme de segment de sphère qui repose sur une face tronconique située dans le boîtier.