Brevet FR2562611A1 — publié le 19851011

Procédé d'alimentation des vérins hydrauliques et vérins hydrauliques mettant en oeuvre le procédé. La présente invention concerne l'alimentation des vérins hydrauliques notamment des vérins à grande course de dégagement qui fournissent pendant la première partie de leur course une faible force de poussée et qui doivent assurer ensuite une force élevée sur une faible partie de leur course, et d'une manière générale les vérins dont la force de poussée varie dans de fortes proportions sur la longueur de la course. La présente invention est basée sur l'observation initiale que la section des vérins est déterminée en fonction de la pression d'alimentation disposible et de la force nominale du vérin. La vitesse d'action est conditionnée par le débit que peut assurer la source d'alimentation, compte tenu des pertes de charge .lans les canalisations d'alimentation. Les vérins hydrauliques à grande course de dégagement, et notamment certains vérins utilisés en robotique, présentent donc un mauvais rendement du fait que la course d'approche, par exemple celle qui assure l'approche d'un outil avant sa mise en action sous pression, s'effectue lentement et en absorbant un volume d'huile sous pression identique à celui qui serait absorbé si la course d'approche était une course de travail. En outre la course d'approche peut être d'amplitude variable notamment dans le cas de l'application à des robots universels. En fait, lorsque la puissance fournie par un vérin hydraulique, à savoir la force multipliée par le volume engendre dans l'unité de temps par le piston, est inférieure à la puissance fournie par la source d'alimentation, la pression dans la chambre sous pression est inférieure à la pression nominale et la différence des puissances est dissipée par laminage du liquide moteur, ce qui se traduit par un échauffement de ce liquide. La présente invention a pour but de proposer un procédé d'alimentation des vérins hydrauliques qui ne présente pas ces inconvénients en cherchant à égaliser la puissance alimentée avec la puissance effectivement fournie par le vérin . Comme en pratique le débit et la pression de la source d'alimentation ont des valeurs optimales fixes, sauf dans le cas des pompes dites à débit variable qui présentent néanmoins un débit maximal, et comme la section du piston a une valeur fixe, l'idée inventive est de faire varier la course pour un même volume de fluide alimenté, la course étant sensiblement inversement proportionnelle à la puissance que fournit le vérin. Le procédé d'alimentation d'un vérin hydraulique conforme à l'invention est caractérisé en ce que l'on introduit dans la chambre sous pression pendant au moins une partie de la course pour laquelle la force résistante est réduite, un volume d'huile à -la pression nominale de la source d'alimentation inférieur au volume balayé par le piston et introduit dans ladite chambre un volume d'huile de complément à une pression inférieure à ladite pression nominale. Dans un vérin hydraulique et du fait de la section de la tige du piston, la section de la chambre qui se trouve du côté de cette tige est plus faible que la section de la chambre opposée. Si donc les deux chambres sont en communica- tion et alimentées sous une pression P, la force exercée sur la tige du piston sera égale à P x dS, dS étant la section de ladite tge et le volume d'huile sous pression à envoyer dans le vérin sera de k x dS, # étant la longueur de la course.Avec un tel vérin il est donc possible tant que la force à vaincre est inférieure à P x dS de mettre les deux chambres en communication et d'interrompre la communication en mettant la chambre de plus petite section à la bâche lorsque la pression dans le vérin approche de la pression d'alimentation. En conséquence et selon un premier mode de réalisation on met en intercommunication la chambre à l'échappement dans laquelle se trouve la tige du piston avec la chambre sous pression et interrompt cette communication en mettant la chambre à 1' échappement à la bâche pour obtenir la pleine puissance du vérin Selon un second mode de réalisation la section utile du vérin est subdivisée en au moins deux parties correspondant chacune a une chambre dans laquelle se déplace un piston, l'alimenta- tion étant effectuée dans l'une des chambres, avec une intercommunication entre ladite première chambre alimentée et la ou les autres secondes chambres, ladite intercommunication tant fermée pondant la cours c faible puissance et ouverte pour obtenir la pleine puissance du vérin, les pistons des différentes chambres étant solidaires directement ou indirectement d'une tige de piston commune sur laquelle est prélevée la puissance et lesdites secondes chambres comportant une admission autorisant leur cavitation ou leur alimentation sous une pression de gavage réduite pendant la fermeture de ladite intercommunication. Avec ce second mode de réalisation la course d'approche du vérin est assurée par l'alimentation de la seule première chambre de vérin, le volume de liquide sous pression absorbé depuis la source d'huile sous pression étant égal à la section de cette chambre multiplée par l'amplitude de la course d'approche. Pendant la course d'approche les secondes chambres se renplissent par cavitation a partir d'une source de liquide, sans pression ou sous faible pression, qui peut être voisine du vérin. Au moment où la résistance dépasse la valeur de la section de la pre mièvre chambre multipliée par la pression de tarage de la soupape l'intercommunication est ouverte et la pression d'alimentation est appliquée à la ou aux secondes chambres ce qui assure la course de puissance avec toute la section utile. Ce second mode de réalisation présente l'avantage par rapport au premier mode de réalisation que la force motrice pendant la course d'approche n'est plus dépendante de la section de la tige du vérin. Le contrôle de l'intercommunication entre les chambres peut être asservi à la position atteinte par le piston, l'admission de la haute pression dans la seconde chambre ou les chambres suivantes étant assurée entre des points définis de la course du vérin. Cette solution présente toutefois l'inconvénient que le vérin ne peut assurer qu'un cycle dans lequel la course d'approche et la course de travail sont définies. En outre si une résistance imprévue apparait pendant la course d'approche, le vérin est bloqué alors que sa puissance nominale lui permet de vaincre cette résistance. En conséquenoe et selon une autre caractéristique le contrôle de l'intercommunication entre les chambres est asservi à la pression atteinte dans la chambre sous haute pression du vérin, l'intercommunication s'ouvrant lorsque la pression dans cette cham bre dépasse une valeur préfixée inférieure à la pression nominale de la source d'alimentation Selon une autre caractéristique de l'invention les diverses chambres du vérin sont concentriques. Selon un mode de réalisation l'alimentation de la chambre qui cavite est assurée par l'huile provenant de la chambre du vérin située de l'autre côté du piston et en cours d'évacuation. Selon un autre mode de réalisation l'alimentation de la chambre qui cavite est assurée par l'huile évacuée de celle-ci au cours du cycle de fonctionnement précédent. Selon une autre caractéristique tout ou partie de l'huile évacuée de la chambre située de l'autre côté du piston est emmagasinée dans un accumulateur pour assurer le retour du vérin par mise à l'échappement de la première chambre. Selon une autre caractéristique la chambre située de l'autre côté du piston a une section supérieure à la seconde chambre et, pendant la course de retour, l'huile évacuée de la seconde chambre est envoyée dans ladite chambre opposée avec un supplément d'huile provenant de l'accumulateur. D'autres caractéristiques apparaîtront à la lecture de la description détaillée de trois mode de réalisation d'un vérin conforme à l'invention, faite ci-aprds avec référence aux dessins schématiques ci-annexés dans lesquels : La figure 1 est une vue en coupe schématique d'un vérin mettant en oeuvre l'intercommunication entre la chambre à l'échappement et la chambre sous pression; la figure 2 est une vue en coupe schématique d'un vérin comportant une chambre sous pression subdivisée en plusieurs chambres et la figure 3 est une vue correspondante d'un vérin mettant en oeuvre l'invention avec retour automatique du vérin par mise à l'échappe ment de la chambre sous pression. Dans la figure 1, la référence 1 désigne le corps du vérin, la référence 2 le piston et la référence 3 la tige du piston de section dS. Le vérin décrit est un vérin simple effet, la course de retour étant assurée par tout moyen connu mais il est possible de le transformer avec un distributeur connu en vérin double effet. L'invention n'est toutefois appliquée qu'à la course motrice du vérin simple effet.Dans le dessin la référence 4 désigne lachambre sous pression du vérin simple effet, la référence 5 la chambre dans laquelle passe la tige du vérin, la référence 6 la conduite d'alimentation en huile sous pression et la référence 7 une canalisation en communication avec la chambre 5. 8 est un dispositif de commutation à tiroir qui contrôle l'interconnexion entre la canalisation 7 et d'une part, une canalisation 9 d'évacuation à la bâche 10 ou, d'autre part, une canalisation 11 en communication avec la chambre 4. Le tiroir 12 du dispositif de commutation 8 est soumis sur une de ses faces par une canalisation 13 à la pression régnant dans la chambre 4 et sur son autre face à la poussée d'un ressort taré 14. Le fonctionnement est le suivant : La chambre 4 ayant une surface S, la chambre 5 a une section S-dS, dS étant la section de la tige 3 du piston. Au départ, l'alimentation par la canalisation 6 étant interrompue, le dispositif 8 est dans la position représentée et les chambres 4 et 5 sont à la même pression. Si l'on admet la pression Ppar la canalisation 6, cette pression va s'exercer dans les chambres 4 et 5 mais le piston 2 est soumis à la pression différentielle P x dS et si la force résistante F est inférieure àP xdS, le piston se déplace contre la force F en accroissant le volume de l'ensemble des chambres 4 et 5 de dS x t Q étant la distance du déplacement . La pression dans F les chambres du vérin sera P' = .Si F croit, P' croit et ds lorsqu'elle dépasse la force tarée du ressort 14, elle commute le distributeur 8 et met la chambre 5 par les canalisations 7 et 8 à la bâche tandis que la pression P s'exerce sur toute la section S du piston. Si pour une raison quelconque F retombe en dessous de P" x dS, P" étant la pression correspon- dant à la commutation du distributeur 8, la communication est rétablie entre les chambres 4 et 5. On voit qu'avec ce vérin, le volume d'huile sous pression P à fournir au vérin pour une course ss est #1 x dS lorsque l'intercommunication est établie, c'est-à-dire pendant la course d'approche et t2 x S pendant la course de travail alors qu'avec un vérin connu le volume d'huile consommé est ( #1 + t2)S On économise donc un volume d'huile sous haute pression égal à tî (S - dS). Dans la figure 2, la référence 1 désigne le corps cylindrique principal du vérin qui se prolonge à l'opposé de la tige 3 du piston 2 par un cylindre coaxial de plus petite section 15. A l'opposé de la tige, le piston 2 porte un piston cylindrique creux 16 qui coulisse de façon étanche dans le cylindre 15. dans le piston 16 est montée une soupape à bille tarée 17 et la canal intérieur du piston 16 communique par des passages radiaux 18 voisins du piston 3 avec la chambre C2. Le vérin ainsi constitué comporte une chambre C1 de section s-1 entre e piston 16 et le cylindre 15, une chambre C2- de section S1 délimitée par le piston 2, la périphérie du pis ton 16 et le corps 1 du vérin et une chambre C' de section S'1 autour de la tige de piston 3 à l'opposé du piston 2. On a dans le présent cas S'1 = S1 + # S et s1 > 6 S. L'alimentation du vérin est commandée par un tiroir 19 qui met la chambre r en communication avec la source a haute pression P ou avec la bâche par E. Lorsque le tiroir est dans la position de l'échappement, il met en outre la haute pression P en communication avec un tube 20 dont le rôle sera expliqué ci-après. La chambre C2 est en communication directe avec un tube 21 qui est branché sur deux soupapes anti-retour opposées 22 et 23, la commutation sur l'une ou l'autre soupape étant réalisme par un tiroir associé au tiroir 19 et représenté pour simplifier les dessins sous forme d'un bouchon mobile 24. Les deux chambres de soupape 22-23 sont reliées directement à la chambre C' par la canalisation 25. La soupape 22 autorise le passage de l'huile de la chambre C' vers la chambre C2 et la soupape 23 de la chambre C2 vers la chambre C'. Sur la canalisation 25 est branché un accumulateur 26 dans lequel se déplace un piston 27 en comprimant un volume de gaz 28. Une sortie 29 autorise une fuite d'huile vers la bâche lorsque le volume d'huile emmagasiné dans l'accumulateur excède une certaine valeur. Le piston 27 comporte un passage 30 qui, lorsque le piston est en position de volume minimum, met la canalisation 20 en communication avec la chambre à huile 31 de l'accumulateur. Le fonctionnement est le suivant : Dans la position représentée qui correspond au début de la course d'approche, la chambre C1 est en communication avec la haute pression P et le bouchon 24 a n en service la soupape 22. la pression P s'exerçant sur la surface sl, un volume d'huile haute pression admis proportionnel à sl pousse la tige de piston 3 et le piston 2 avec une force P x sl en refoulant de C' un volume d'huile proportionnel à S'lr ce volume d'huile passe dans la chambre C2 par la soupape 22 dans le rapport I , le supplément correspondant S'1 à ôS est refoulé dans l'accumulateur 26. Le volume de la chambre 31 de l'accumulateur 26 au moment du débordement par 29 est choisi égal au volume correspondant à la course totale multipliée par 6 S. Lorsque le vérin rencontre une résistance supérieure à sensiblement P x sl, la soupape à bille 17 s'ouvre et la pression P s'établit dans la chambre C2, ce qui ferme la soupape 22. La force du vérin devient alors (S1 + s1) P - (S'1 x P), P étant la pression de l'huile dans la chambre 31 de l'accumulateur 26. Le piston poursuit son avance en course de travail, l'huile de la chambre C' étant évacuée par le trop plein 29 après remplissage de l'accumulateur. On voit donc que si la course d'approche est égale à dl et la course de travail à d2, le volume d'huile haute pression consommé sera égal à (d1 x s1) +d2 x (s1 + S1)] avec une force d'action P x (S1 + s1) alors qu'avec un vérin classique le volume d'huile haute pression consommé serait (dl + d2) x IS1 + o1)' L'économie d'huile haute pression est égale à dl K S1' ce qui montre l'intérêt de l'invention dans le cas d'un vérin ayant une course d' approche longue par rapport à sa course de travail. De plus si le débit de P est limité à V/sec, la vitesse d'ap V V proche du vérin sera au lieu de dans le cas d'un sî vérin classique de même puissance nominale. Pour la course de retour les tiroirs 19 et 24 sont commutés. La chambre C1 est mise à l'échappement par E et la pression p de l'accumulateur s'exerce dans C' et donc C2 par la soupape 23. La différence des pressions est 6 S x p et le vérin recule par transfert de volume de C2 vers C', le volume correspondant à #s étant fourni par l'accumulateur. Si on limite le volume de l'accumulateur pour limiter la variation de p lorsque le piston est dans la position représentée, la pression P s'exerce dans. les deux chambres, ce qui donne une force de retour égale à P x dS, le volume d'huile haute pression admis étant égal à D x6S si l'accumulateur est supprimé et si l'évacuation 29 est contrôlée par une soupape de décharge. et le tiroir de commande. On voit donc que le retour s'effectue également avec un volume réduit d'huile sous haute pression. Dans le mode de réalisation de la figure 3, la référence 32 désigne le corps du vérin qui est solidaire d'un noyau cylindrique axial 33. La référence 34 désigne le piston annulaire qui coulisse entre la surface intérieure du corps 32 et la surface extérieure du noyau 33. Ce piston est solidaire d'une tige de piston 35 formant un cylindre creux coulissant de façon étanche sur le noyau'33. La tige 35 se prolonge par une tige pleine 36. Autour dé la tige 35 et solidaire de celle-ci est montée une chemise 37 avec un fond 38 formant une chambre en communication en 39 avec la chambre périphérique. La chemise 37 coulisse en bloc avec le piston 34 et sa tige 35-36 dans le corps cylindrique 32.Un piston annulaire 40 monté entre la tige cylindrique 35 et la chemise 37 délimite une chambre 41 remplie d'air pour former un accumulateur pneumatique pour le volume d'huile évacué de la chambre C' entre le corps du vérin, la chemise 37 et le piston 34. Avec cette réalisation, une chambre C1 de section s2 est réalisée entre l'extrémité du noyau 33 et le cylindre 35 et une chambre C2 de section S2 est réalisée entre le corps 32 du vérin , le piston 34 et la périphérie du noyau 33. L'alimentation du vérin est contrôlée par un distributeur à tiroir 42 entre une alimentation d'huile à haute pression P et une évacuation à la bâche 43 par E, d'une part, et une canalisation 44, d'autre part. Cette canalisation 44 est raccordée directement au conduit interne du noyau 33 donc à la chambre C1. Elle est raccordée à la chambre C2 par un tiroir à soupape tarée 45 qui, pour une pression dans la canalisation 44 inférieure à sa pression de tarage, met la chambre C2 en communication avec la bâche 43 par un tube plongeur 46 et, pour une pression supérieure, met la canalisation 44 en com munication avec C2. Le fonctionnement du vérin est le suivant : Au départ de la course d'approche, l'huile haute pression est envoyée directement dans C1, ce qui pousse le piston 34. La chambre C2 se remplit par cavitation depuis la bâche 43 et le volume d'huile de la chambre C' est refoulé dans l'accumulateur pneumatique 41. Lorsque la force résistante croit, la pression dans la canalisation 44 commute la vanne tiroir 45 et établit la commu- nication e.ntre la canalisation 44 et C2. La force d'action du vérin est alors P x (S2 + s2) - pS'2 et on obtient les mêmes caractéristiques de fonctionnement que dans la figure 2. Pour le retour, on commute le distributeur 42, la chambre C1 est mise à l'échappement par 44 et E et C2 par la vanne tiroir 45 qui a commuté et le tube 46. La pression p qui s'exerce dans la chambre C' assure le retour du vérin. Les trois modes de réalisation ci dessus sont purement illustractifs et se limitent à des vérins dits simple effet On peut concevoir aisément un vérin double effet par exemple en utilisant le fond 38 de la chemise 37 comme piston dans un cylindre 47 représenté en traits mixtes entourant la tige 36 du piston, la chambre C'1 ainsi créée étant remplie par cavitation pendant la course dapproche sous la pression p de l'accumulateur agissant sur la section S'2 puis sous la pression P.Il est possible d'utiliser la grande vitesse d'ac- tion de l'ensemble chambre C' du verin-accumulateur pneumatique 4l avec une section 39 importante, -qui équivaut a un vérin pneumatique, pour avoir une grande vitesse d'aspiration par cavitation dans la chambre C'1 et une mise en action de la haute pression dès que la pression dans C'1 passe de négative à zéro. Le volume d'huile haute pression consomme pendant la course d2 retour sera egal a la section S3 de C'1 multipliée par l'amplitude de la parie avec force résistante de la course de retour. Il est également possible comme cela résulte de la modification de la figure 3 d'alimenter la chambre correspondant à la section s2 assurant la course d'approche avec une huile sous plus faible pression ou avec un fluide tel qu'un gaz sous pression mais, mis à part la plus grande vitesse d'action d'un vérin pneumatique, la solution présente l'inconvénient d'une plus grande complexité de l'alimentation et d'une puissance nominale plus réduite, la haute pression ne s'exerçant que sur la section S2. La solution présente toutefois l'intérêt que le volume correspondant à la course rapproche sur la section S2 est alimenté par cavitation. Revendications 1. Un procédé d'alimentation des vérins hydrauliques, caractérisé en ce que l'on introduit dans la chambre sous pression, pendant au moins une partie de la course pour laquelle la force résistante est réduite, un volume d'huile à la pression nominale de la source d'alimentation inférieur au volume balayé par le piston et introduit dans ladite chambre un volume d'huile de complément à une pression inférieure à ladite pression nominale. 2. Un procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on met en intercommunication la chambre à échappement dans laquelle se trouve la tige du piston avec la chambre sous pression et interrompt cette communication en mettant la chambre à l'échappement à la bâche pour obtenir la pleine puissance du vérin. 3. Un procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ia section utile du vérin est subdivisée en au moins deux parties correspondant chacune à une chambre dans laquelle se déplace un piston, l'alimentation étant effectuée dans l'une des chambres, avec une intercommunication entre ladite première chambre alimentée et la ou les autres secondes chambres , ladite intercommunication étant fermée pendant la course à faible puissance et ouverte pour obtenir la pleine puissance du vérin, les pistons des différentes chambres étant solidaires directement ou indirectement d'une tige de piston commune sur laquelle est prélevée la puissance et lesdites secondes chambres comportant une admission autorisant leur cavitation ou leur alimentation sous une pression de gavage réduite pendant la fermeture de ladite intercommunication. 4. Un procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le contrôle de l'intercommunication entre les chambres est asservi à la position atteinte par le vérin, l'admission de la haute pression dans la seconde chambre ou les chambres suivantes étant assurée entre des points définis de la course du vérin. 5. Un procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le contrôle de l'intercommunication entre les chambres est asservi à la pression atteinte dans la chambre sous haute pression du vérin, l'intercommunication s'ouvrant lorsque la pression dans cette chambre dépasse une valeur préfixée inférieure à la pression nominale de la source d'alimentation. 6. Un vérin pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la chambre de pression (4) opposée à la chambre (5) dans laquelle passe la tige du piston est mise en communication contrôlée par un dispositif commutateur (8) avec la chambre (5). 7. Un vérin pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 3, caractérisé en ce que la chambre de pression du vérin est subdivisée en deux chambres (C1 et C2) avec un dispositif commutateur (17-45) contrôlant l'intercommunication entre ces deux chambres, la chambre (C2) etant en communication lorsque le dispositif commutateur (17-45) supprime l'inter- communication avec une source d'huile sous faible pression. 8. Un vérin selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'alimentation de la chambre qui cavite est assurée. par l'huile provenant de la chambre (C') du vérin située de l'autre côté du piston (2) et en cours d'évacuation. 9. Un vérin selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'alimentation de la chambre (C2) qui cavite est assurée par huile évacuée de celle-ci au cours du cycle de fonctionnement précédent. 10. Un vérin selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, caractérisé en ce que tout ou partie de l'huile évacuée de la chambre (C'), située de l'autre côté du piston est emma- gasinée dans un accumulateur (26-4l3 pour assurer le retour du vérin par mise a' l'échappement de la première chambre (C1 - C2). 11. Un vérin selon l'une quelconque des revendications 7 à 10, caractérisé en ce que la chambre (C') située de l'autre côté du piston a une section supérieure à la seconde chambre (C2) et, pendant la course de retour, l'huile évacuée de la seconde chambre (C2) est envoyée dans ladite chambre opposée (C') avec un supplément d'huile provenant de l'accumulateur (26).