Brevet FR2577824A1 — publié le 19860829

CARTOUCHE JETABLE POUR SEPARATEURS CENTRIFUGES La présente invention se rapporte à une cartouche à usage unique équipant des séparateurs centrifuges, en par- ticulier des séparateurs centrifuges destinés à servir de dispositifs d'épuration de carburant ou d'huile de lubri- fication dans des moteurs et des groupes de transmission, comme par exemple des moteurs à combustion interne et des boites d'engrenages. En général, des cartouches pour séparateurs centrifuges du type filtre à huile sont calées à rotation sur un arbre vertical ou approximativement vertical à travers lequel de l'huile est introduite dans le rotor, et elles sont entraînées par la force de réaction développée lorsque l'huile sous pres- sion sort par des buses ou ajutages dirigés tangentielle- ment, et ménagés au fond de la cartouche. Le déposant a établi que l'aptitude des buses à faire tourner la cartou- che à grande vitesse est diminuée, et que par conséquent la faculté d'épuration du séparateur est également dégradée si le flux d'huile parcourant lesdites buses devient turbulent, ce qui limite en fait l'utilisation de plus fortes pres- sions à l'intérieur de la cartouche pour atteindre de plus grandes vitesses et, par conséquent, une séparation plus efficace. Jusqu'à présent, l'on a habituellement ménagé l'aju- tage de manière qu'il débouche d'un côté d'un appendice creux arrondi qui s'étend vers le bas à partir de la base de la cartouche et estouvert vers l'espace interne de cette cartouche à son extrémité supérieure, et fermé à son extré- mité inférieure. Cet appendice se présente habituellement sous la forme d'une pièce distincte qui est par exemple munie d'une collerette à son extrémité supérieure, de telle sorte que la pièce saillante puisse traverser un orifice pratiqué 2 2577824 dans la base de la cartouche jusqu'à ce que la collerette repose sur la périphérie de cet orifice, et que ladite pièce puisse, par exemple, être bloquée à demeure par brasa- ge tendre, brasage fort ou soudage. Par suite de la confi- guration et de la réalisation de cartouches connues de ce genre, le flux d'huile traversant et parcourant l'élément perforé de la cartouche est en général très turbulent, ce qui limite la vitesse angulaire de la cartouche pouvant être atteinte pour n'importe quelle pression d'huile considérée. - Les turbulences ont pour effet de limiter la vitesse angu- laire maximale que.la cartouche pourrait, sinon, avoir at- teinte. - Un objet de la présente invention consiste à fournir un élément de base pour une cartouche jetable,dans lequel les buses sont façonnées d'un seul tenant par emboutissage, et qui favorise une circulation d'huile moins turbulente maintenue à des pressions plus fortes qu'auparavant. L'inven- tion vise également à fournir une cartouche qui, pour une pression d'huile donnée, accomplisse à coup sûr une rotation d'un plus grand nombre de tours par minute que des cartou- ches connues et qui, de ce fait, produise une épuration plus efficace de l'huile ou du carburant en éliminant des particules de plus petites tailles pour toute pression d'huile considérée. Une cartouche équipant un séparateur d'huile par cen- trifugation doit être à même de résister à des pressions transitoires pouvant atteindre jusqu'à 20 bars au démarrage à froid. Ainsi, la cartouche doit pouvoir résister à de tel- les pressions sans aucune déformation permanente. Les cartouches connues sont fabriquées à base d'une combinaison de pièces onéreuses venues de moulage et de tôles métalliques venues de matriçage, permettant à la car- touche d'être très rigide tout en utilisant des organes mé- talliques relativement épais. Cette conception est économique pour l'utilisateur lorsque la cartouche peut être démontée, nettoyée et réutilisée, mais de telles réalisations impli- quent des coûts prohibitifs dans le cas d'une cartouche à jeter. 3 2577824 -Un autre objet de la présente invention consiste à proposer une cartouche Jetable d'un faible poids, dotée d'un équilibre intrinsèque approprié et de l'aptitude à ré- sister à des forces de rotation pouvant atteindre de l'ordre de 39 N sans aucune déformation suffisante pour ralentir notablement la cartouche, cette cartouche étant d'une pro- duction économique et d'une acquisition peu onéreuse pour l'utilisateur, et pouvant être fabriquée intégralement, à l'exception des paliers, à partir d'éléments constitutifs en tôle métallique mince bien différents des éléments cons- titutifs moulés. Dans le cas d'éléments de base pour cartouches fabri- qués en tôle métallique et munis d'organes perforés séparés, il s'est avéré que, outre les inconvénients résultant d'une circulation d'huile turbulente, ces éléments sont insuffi- samment rigides. En effet, à de fortes pressions d'huile, la base a tendance à se déformer, de sorte que le palier ha- bituellement incorporé dans cette base peut se gripper sur l'arbre autour duquel la cartouche tourne, en immobilisant cette cartouche. Lorsque la pression d'huile chute, la base peut recouvrer sa forme initiale et amorcer une nou- velle rotation. Ces phénomènes ne peuvent toutefois pas se produire s'il existe un risque de déformation permanente, auquel cas la cartouche demeure assurément grippée sur son arbre. Cela est bien évidemment inadmissible, étant donné qu'une immobilisation de la cartouche annule intégralement l'objectif recherché par l'utilisation d'un séparateur cen- trifuge. Il s'est révélé que ce même élément de base de car- touche favorisant une circulation d'huile moins turbulente est également, du fait de sa configuration, suffisamment rigide pour surmonter ce dernier inconvénient supplémentaire de cartouches connues décrites ci-avant. L'effet de la défor- mation de cartouches connues est souvent comparé à un "criquet", ce jouet d'enfants dans lequel une languette de tôle métal- lique bombée en forme de cuvette subit une flexion excentrée, puis est relâchée pour produire un bruit de déclic. Conformément à la présente invention, une cartouche jetable destinée à un séparateur centrifuge pour épurer un carburant ou une huile de lubrification comprend une pièce de recouvrement, un élément interne dirigeant le flux et retenant les impuretés, un élément de base, deux paliers dont l'un est associé à l'élément de recouvrement et l'autre coopère avec l'élément de base, cartouche dans laquelle - ledit élément de base consiste en une pièce en tôle métalli- que venue d'emboutissage et présentant au moins deux ajuta- ges qui y sont ménagés solidairement et à travers lesquels l'huile sort de la cartouche dans une direction telle qu'elle engendre une force de réaction pour faire tourner cette cartouche, lesdits ajutages étant pratiqués dans des renfon- cements de l'élément de base, ces renfoncements se présen- tant sous la forme d'auges à délimitation circonférentielle lisse,de profondeur croissante commençant par une profondeur minimale à la naissance de l'auge éloignée de l'ajutage, et s'achevant par une profondeur maximale à proximité du plan dans lequel se trouve ledit ajutage. Les longueurs des auges dépendent assurément du nom- bre des ajutages employés. Par exemple, lorsqu'on utilise deux ajutages distants mutuellement d'intervalles de 180 dans l'élément de base, les auges peuvent s'étendre de pré- férence sur approximativement 180 . Similairement, en pré- sence de trois ajutages, les auges peuvent s'étendre de pré- férence sur approximativement 120 . De préférence, les ajutages sont poinçonnés dans l'élé- ment de base, par un percement effectué depuis l'intérieur de l'auge lors d'une étape du processus de formage. Il est important qu'aucune "arête râpeuse" ou barbe subsiste à l'intérieur de l'ajutage, car cela peut accroître les turbu- lences et nuire par conséquent à l'aptitude fonctionnelle de la cartouche. En variante, il peut être prévu des ajutages forés mais, là encore, ils sont de préférence forés de l'in- térieur, de telle sorte que d'éventuelles barbes se trouvent à l'extérieur de l'ajutage. Selon une caractéristique-de la présente invention, l'élément de recouvrement, l'élément interne dirigeant le flux et retenant les impuretés, ainsi que l'élément de base 2577824 sont tous fabriqués à partir de pièces matricées en tôle métallique mince. Dans une forme de réalisation préférentielle de l'in- vention, une cartouche jetable équipant un séparateur centri- fuge possède en outre une pièce tubulaire de raidissement, intercalée axialement entre le sommet du couvercle et l'élé- ment de base. Dans un tel mode de réalisation préférentiel, les paliers peuvent être emmanchés à force dans la pièce tu- bulaire, conférant ainsi les avantages consistant à maintenir les paliers alignés axialement à l'intérieur d'une seule et unique pièce, et à améliorer l'aptitude à résister à des for- ces ayant tendance à provoquer une déformation. De préférence, les ajutages sont ménagés de telle manière que le jet d'huile à la sortie soit dirigé à l'obli- que vers le bas à l'écart de la cartouche rotative, pour empêcher qu'une éclaboussure d'huile, provenant du boîtier dans lequel ladite cartouche tourne, atteigne cette cartouche et provoque par conséquent son ralentissement. L'invention va à présent être décrite plus en détail à titre d'exemples nullement limitatifs, en regard des des- sins annexés sur lesquels: les figures la et lb sont respectivement une vue en plan et une élévation latérale avec coupe partielle, illustrant un élément de base en tôle métallique emboutie d'une cartou- che jetable conforme à la présente invention; les figures 2a à 2f sont des coupes fragmentaires pas- sant par l'élément de base illustré sur la figure la; les figures 3a à 3c sont respectivement une élévation latérale, une perspective par-dessus et une perspective par- dessous, représentant l'élément de base au cours d'une étape intermédiaire de son façonnage, et mettant particulièrement en évidence les auges circonférentielles; la figure 4 est une coupe longitudinale d'une forme de réalisation d'une cartouche jetable selon la présente inven- tion; la figure 5 est une coupe longitudinale d'une variante de réalisation d'une cartouche jetable d'après l'invention; et 6 2577824 la figure 6 illustre la cartouche jetable de la figure , incorporée dans le boîtier d'un séparateur centrifuge. Dans la description ci-après, les caractéristiques communes aux dessins sont désignées par les mêmes indices de référence. Il convient tout d'abord de se référer aux figures la et lb, 2a à 2f, 3a à 3c, 4 et 5. La référence numérique 10 désigne globalement un élé- ment de base. Cet élément 10 comprend une partie périphéri- que 11 formant canal, ainsi que deux parties sensiblement semicirculaires 12 et 13 formant des auges. Comme le montre la figure la, l'auge 12 débute par un renfoncement très peu accentué, dans sa région la moins profonde repérée par la zone f (voir la figure 2f), puis sa profondeur augmente pro- gressivement jusqu'à une zone a (voir la figure 2a), dans laquelle cette auge s'achève, à son point le plus profond, par une paroi 14 qui accuse, par ailleurs, une légère incli- naison vers le bas d'un angle d'approximativement 10 par rapport à un plan parallèle à l'axe de la base. L'auge 13 est d'une configuration analogue, dans la direction inverse, et s'achève par une paroi 15. Les parois 14 et 15 compor- tent des ajutages respectifs 16 et 17 percés de l'intérieur de ces parois. L'on fera observer que les figures 2a à 2f sont des coupes fragmentaires de l'auge 12 correspondant respective- ment aux zones a à f indiquées sur la figure la. Les ajutages 16 et 17 sont percés perpendiculairement au plan des parois 14 et 15, en étant par conséquent dirigés vers le bas selon un angle d'approximativement 10 par rapport à un plan normal à l'axe de l'élément de base 10. Le diamètre de chaque ajutage peut être adapté optimalement au type d'hui- le utilisé, à la viscosité et à la température de l'huile du cas d'application considéré, mais ce diamètre peut être typiquement de l'ordre de 1,5 mm. Un orifice 18 à collerette, ménagé au centre de l'élément de base 10, délimite un loge- ment pour un palier 26, soit directement, soit par l'inter- médiaire d'une pièce tubulaire de raidissement 40. Les auges 12 et 13 de profondeur croissante sont diamétralement symétri- ques. L'élément de base est embouti en une succession d'éta- pes d'emboutissage à partir d'une seule et unique pièce d'acier doux de 0, 91 mm d'épaisseur, puis les ajutages 16 et 17 sont percés de l'intérieur. Le canal 11 est destiné à relier l'élément de base 10 à un élément de recouvrement 20 en forme de dôme, par l'intermédiaire d'un joint serti 25. La figure 3a est une élévation latérale de l'élément de base 10 à un stade auquel les auges 12 et 13 ont été embouties, mais les ajutages 16 et 17, le canal 11 et l'ori- fice central 18 doivent encore être ménagés. Les figures 3b et 3c sont des vues en perspective représentant, respecti- vement, l'intérieur et l'extérieur de l'élément de base 10. La figure 4 illustre une cartouche complète, cette cartouche jetable présentant un élément de recouvrement 20 ayant un sommet en forme de dôme,et muni à son extrémité su- périeure de renfoncements de rigidification emboutis 21 mé- nagés radialement, un palier 22 à collet étant emmanché à force dans un trou 23 à collerette. La périphérie inférieure 24 de cet élément 20 repose dans le canal 11 de l'élément de base 10, et un joint serti 25 est formé pour produire une jonction sensiblement exempte de fuites entre lesdits éléments 20 et 10. Un palier 26 à collet est emmanché à for- ce dans l'orifice 18 de l'élément de base 10. La cartouche renferme un élément 30 du type cuvette qui dirige le flux, retient les impuretés et possède une région périphérique annulaire 31 à rebordsoudée par points à l'élément de base 10. Un trou 32 est pratiqué au centre de l'élément 30, symé- triquement autour de l'axe 33 de la cartouche. Dans la variante de réalisation montrée par la figure 5, une pièce tubulaire de raidissement 40 est interposée entre l'élément de recouvrement 20 et l'élément de base 10. Cette pièce 40 présente à son extrémité inférieure une aile 41 tournée vers l'extérieur, qui se trouve de ce fait à l'exté- rieur et supporte l'élément de base 10; et, à-son extrémité -supérieure, une seconde aile 42 tournée vers l'extérieur, qui occupe elle aussi une position externe et supporte l'élément de recouvrement 20. La pièce tubulaire 40 est ajustée à force dans les deux orifices 23 et 18 à collerettes façonnés res- pectivement dans l'élément de recouvrement 20 et dans l'élé- ment de base 10. Des orifices 43 de pénétration d'huile sont pratiqués dans la région supérieure de l'élément 40. Les paliers 22 et 26 sont directement embottés à force dans la pièce tubulaire 40, laquelle coincide avec l'axe- 33 de la cartouche. Une ouverture annulaire 44 est délimitée par l'élément 30 et par la pièce 40. Cette pièce tubulaire 40 sert à résister à des contraintes de tension,qui résultent de fortes pressions d'huile et ont tendance à provoquer l'expansion de la cartouche tant radialement qu'axialement. De surcroît, ladite pièce tubulaire constitue une donnée répétitive quant à la manière dont les paliers 22 et 26 doivent être incorporés et dont l'alignement axial doit être maintenu, même à de fortes pressions d'huile. La figure 6 illustre la cartouche de la figure 5, ren- fermée par le boltier d'un séparateur centrifuge. Ce bol- tier consiste en un corps 50. Une lèvre 51 en débordement est formée à l'extrémité supérieure de ce corps 50,pour rece- voir et retenir une bague d'étanchement 52 en caoutchouc. L'extrémité inférieure du corps 50 présente une zone rétrécie 53. Une structure cruciforme 54 en tôle métallique, logée dans le corps 50, est soudée par points à ce corps 50 et supporte un arbre vertical 55 par l'intermédiaire d'un boulon 56. Un coussinet 65 est intercalé entre l'arbre 55 et le boulon 56, la face supérieure 66 de ce coussinet formant une surface de portée. A son extrémité supérieure, l'arbre 55 comporte une région 57 à filetage mâle qui coopère avec une région 58 à filetage femelle située, par exemple,dans un carter de support 59 sur le bloc cylindre d'un moteur (non représenté). Un canal 60, foré axialement dans une partie de l'extrémité supérieure de l'arbre 55, est également muni d'un perçage transversal 61 qui débouche dans la pièce tubulaire de la cartouche. L'arbre 55 et la pièce tubulaire 40 délimitent un passage cylindrique annulaire 62. De l'huile est délivrée au canal 60 par l'intermédiaire d'un canal 63 ménagé dans le carter 59. Le corps 50 et la cartouche sont assujettis à ce carter 59 en vissant le corps intégral 50 sur ce dernier par une coopération entre les filetages 57 et 58, la bague d'étanchement 52 étant comprimée dans la lè- vre 51 en débordement, assurant ainsi l'étanchéité contre une face 64 du carter 59. Au cours d'un cycle de fonctionnement stable, de l'huile sous une pression d'environ 5 bars circule par le canal 63, pénètre dans le canal 60 et sort par le perçage transversal 61. Cette huile emplit le passage annulaire 62 puis s'écoule, par l'intermédiaire des orifices de pénétra- tion 43, dans la chambre de la cartouche formée entre l'élé- ment de base 10, l'élément de recouvrement 20 et la pièce tubulaire 40. Lorsque la chambre ainsi délimitée est pleine, l'huile est éjectée sous pression à partir des ajutages 15 et 16 et elle imprime par conséquent une rotation à la car- touche par une force de réaction, cette cartouche étant sup- portée sur l'arbre 55 par les paliers 22 et 26. La face su- périeure du coussinet 65 forme une surface de portée pour le palier 26. L'huile éjectée s'écoule vers le bas le long de la face interne de la paroi du corps 50, jusqu'à la zone rétrécie 53 dans laquelle elle est évacuée vers un carter ou un réservoir d'huile (non illustré). De préférence, la cartouche tourne dans une direction telle que la force d'entrainement de l'huile, agissant sur le corps 50,ait tendance à bloquer ce corps sur les fileta- ges 57 et 58 associés. Par conséquent, sur la figure 6, sur laquelle les filetages 57 et 58 ont des pas à droite, la cartouche tourne dans le sens horaire observée par-dessous. Grâce aux auges 12 et 13 de profondeur croissante et du fait que les ajutages sont exempts de barbes, le flux ascen- dant de l'huile jusqu'aux ajutages 15 et 16,et à travers ces derniers,est moins turbulent que jusqu'à présent. Le tableau ci-après met en évidence les résultats obtenus au cours de tests pour mesurer la vitesse angulaire de la car- touche et les débits de l'huile à différentes pressions d'huile. Les cartouches ont été réalisées d'après des princi- pes connus et conformément aux principes de la présente in- vention. Trois types de cartouches ont été fabriqués: une cartouche A, présentant une base connue ayant des pièces perforées distinctes incorporées par brasage, et ne comportant aucune pièce tubulaire de raidissement; une cartouche B, présentant la même base que la cartouche A, mais renfermant une pièce tubulaire de raidissement; et une cartouche C, munie d'une pièce tubulaire de raidis- sement et d'un élément de base conformes à la présente inven- tion. TABLEAU ,. ...... _,,, Pression Press ion Débit de l'huile (1/min) Vitesse angulaire de la cartouche (tr/min) de l'huile moteur A B C A B % auentation C % augmentaticn % augentation ( b a r s) par rapport à A par rapport à A par rapport à B 2 4,5 4,7 4,5 3250 3650 12,3 3800 16,9 4,1 3 5,55 5,75 5,5 4200 4700 11,9 5200 23,8 10,6 4 6,6 6,8 6,4 5050 5700 12,9 6400 26,7 12,3 7,5 7,9 7,45 5900 6700 13,5 7600 28,8 13,4 6 8,4 8,9 8,4 6700 7650 14,2 8750 30,6 14,4 7 9,1 9,7 9,25 7300 8350 14,4 9800 34,2 17,4 Ul J. 4, CO Comme il ressort du tableau, une comparaison de l'amé- lioration de la vitesse angulaire de la cartouche B,par rapport à celle de la cartouche A,révèle que la pièce tubu- laire de raidissement confère une amélioration sensible- ment constante d'environ 12 % à 14 % sur toute la plage de pressions d'huile testées. Si l'on compare à présent l'amélio- ration intervenant dans la vitesse angulaire de la cartouche C par rapport à celle de la cartouche B (la différence de réalisation résidant dans la base et les ajutages), l'on constate que cette amélioration de la vitesse angulaire augmente au fur et à mesure que la pression de l'huile croît. Si l'on observe à présent le débit de l'huile à travers les ajutages des cartouches sous les diverses pressions d'huile, il ressort aisément que la différence est en fait modeste. Par conséquent, la performance nettement améliorée de la cartouche C,par rapport aux deux cartouches A et B,est impu- table à la réduction des turbulences des jets d'huile déli- vrés, et éventuellement en partie à la rigidité améliorée de la base nouvelle. Les vitesses angulaires supérieures de cartouches selon la présente invention permettent d'éliminer plus effi- cacement les impuretés des réseaux d'huile du moteur et de la transmission, ce qui prolonge la durée utile. Des cartouches conformes à l'invention peuvent comporter jusqu'à 4 ajutages espacés d'intervalles de 90 autour de l'élément de base, tout en continuant de donner un flux d'huile accusant des turbulences réduites. Dans ce cas, chacune des auges s'étend sur approximativement 90 . Néan- moins, le débit global de l'huile à travers la cartouche pour une pression d'huile donnée doit être maintenu sensi- blement constant, et c'est pourquoi la dimension des ajutages doit être nécessairement réduite. Il s'est révélé qu'une performance optimale, conjuguée à une économie et à une faci- lité de fabrication, peut être atteinte avec deux ajutages. Il va de soi que de, nombreuses modifications peuvent être apportées à la cartouche décrite et représentée, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Cartouche jetable pour séparateurs centrifuges des- tinés à épurer un carburant ou une huile de lubrification, cette cartouche comprenant un élément de recouvrement (20), un élément interne (30) dirigeant le flux et retenant les impuretés, un élément de base (10), deux paliers (22, 26) associés respectivement à l'élément de recouvrement (20) et à l'élément de base (10), cartouche caractérisée par le fait que ledit élément de base (10) consiste en une pièce en tôle métallique venue d'emboutissage et présentant au moins deux ajutages (16, 17) qui y sont ménagés solidairement et à travers lesquels l'huile sort de la cartouche dans une direction telle qu'elle engendre une force de réaction pour faire tourner cette cartouche, lesdits ajutages (16, 17) étant pratiqués dans des renfoncements de l'élément de base (10), ces renfoncements se présentant sous la forme d'auges (12, 13) à délimitation circonférentielle lisse et de pro- fondeur croissante commençant par une profondeur minimale à la naissance de l'auge éloignée de l'ajutage, et s'ache- vant par une profondeur maximale à proximité du plan dans lequel se trouve ledit ajutage. 2. Cartouche selon la revendication 1, caractérisée par le fait que les ajutages (16, 17) sont ménagés d'un seul tenant avec les auges (12, 13). 3. Cartouche selon la revendication 2, caractérisée par le fait que les ajutages (16, 17) sont percés depuis l'intérieur des auges (12, 13). 4. Cartouche selon la revendication 2, caractérisée par le fait que les ajutages (16, 17) sont pratiqués par forage de l'intérieur. 5. Cartouche selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée par le fait qu'elle comporte deux ajuta- ges (16, 17), chacune des auges (12, 13) s'étendant sur appro- ximativement 180 . 6. Cartouche selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée par le fait qu'elle comporte trois ajutages. chacune des auges s'étendant sur approximativement 120 . 7. Cartouche selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 4, caractérisée par le fait qu'elle comporte qua- tre ajutages, chacune des auges s'étendant sur approxima- tivement 90 . 8. Cartouche selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée par le fait qu'elle présente en outre une pièce (40) de raidissement et de renfort, de forme tubulai- re et interposée entre le sommet de l'élément de recouvre- ment (20) et l'élément de base (10). 9. Cartouche selon la revendication 8, caractérisée par le fait que la pièce tubulaire (40) de raidissement et de renfort loge également les paliers (22, 26),et maintient ces paliers alignés.