Brevet FR2605379A1 — publié le 19880422

L'invention concerne un joint hydraulique tournant annulaire à température stabilisée destiné à véhiculer un fluide sous pression entre une source fixe et un récepteur tournant, ledit joint étant monté sur une partie cylindrique fixée au récepteur. Les joints hydrauliques tournants sont dans de nombreux cas d'utilisation destinés à alimenter des broches de machines-outils ou des vérins tournants de commande de mandrin. La partie tournante des joints doit donc présenter un alésage intérieur suffisamment grand pour admettre le passage du matériau à usiner. Il s'ensuit que cette partie tournante de diamètre important est soumise à une vitesse de rotation élevée et qu'elle présente par rapport à la partie fixe, une vitesse de défilement très élevée dans la zone devant réaliser l'étanchéitéo On ne connaît pas actuellement de joint élastique capable d'assurer une étanchéité à pression élevée (jusqu'à 50 bars) et à vitesse de défilement importante (plus de 25 m/s)o Les joints tournants actuellement fabriqués, comme, par exemple, celui décrit dans le brevet français No. 2.396.883, sont constitués d'un anneau statique centré à l'aide de deux paliers à roulements sur un arbre tournant, formé dans le cas d'un vérin, par un manchon tubulaire solidaire du piston du vérin. L'anneau s'ajuste sur l'arbre avec un jeu réduit qui permet la rotation de l'arbre sans contact avec l'anneau. Le fluide sous pression est amené dans des gorges pratiquées dans l'anneau. A l'aplomb de chaque gorge débouche une canalisation forée dans l'arbre. Le fluide peut ainsi passer de l'anneau statique à l'arbre tournant et alimenter les dispositifs portés par l'arbreo Un disposi- tif à tiroir rrév: er amonC de l'anneau stationie rermet d'inverser le sens de passage du fluide dans les canali- sations de l'arbre tournant. L'étanchéité entre chaque gorge et le palier est assurée partiellement- par le jeu réduit entre l'arbre et l'anneau. En fait, une certaine quantité de fluide passe par le palier et le débit D du fluide, fonction de plusieurs facteurs, eat donné par la formule suivante: EJ D = f (Pgt ----) dans laquelle Pg est la pression du fluide dans la gorge, rLla viscosité dyna- mique, E le jeu, L la distance entre chaque gorge. Dès que l'arbre tourne, le fluide oui s'était infiltré, par suite de la pression dans les zones de jeu existant entre les gorges, est soumis à un frot- tement important qui provoque un échauffement de tout l'ensemble. La quantité Q de chaleur ainsi produite est fonction d'un certain nombre de paramètres: 2 l Q = f ( i) J étant la vitesse de rotation et A le diamètre de l'arbre, les autres facteurs ayant déjà été définiso La température du joint tournant ne peut tre stabilisée que si les calories ainsi produites sont évacuées. Une très faible quantité l'est par conduction et radiation, le reste devant être évacué par le débit de fuite Do D'autre part l'énergie G que doit dépenser la source pour maintenir la pression en dépit de la fuite dans le joint est fonction de la pression maximum de la pompe Pp et du débit total de fuite D: G = f(Pp. D)o En conclusion, on doit trouver un compromis pour le débit D qui doit être important pour évacuer les calories du joint tournant, et faible pour limiter l'énergie dissipée par la pompeo Ce compromis est atteint dans la mesure o la plage de variation de la pression d'alimentation du joint tournant est réduite, actuellement de I à 3 (10 à bars). Or dans de nombreux cas, l'utilisateur désirerait faire varier la pression d'alimentation dans un rapport de 1 à 10, ce qui permettrait une meilleure adaptation de la pression exercée sur la pièce à la nature du travail effectué. Le débit D et l'énergie G dépensée par la source varient dans les mêmes proportions. D'autre part la température du joint atteindra des valeurs inacceptables dès que le débit de fluite diminuera par suite d'une pression d'alimentation trop basse0 C'est ce qui explique la limitation vers le bas des pressions d'alimentation et la mauvaise adaptation des pressions de serrage aux pièces fragileso L'invention a pour but de maintenir un débit de fuite suffisant, pour évacuer les calories produites, et cela quelle que soit la variation de la pression d'alimentation, en faisant varier le jeu E existant entre l'arbre tournant et l'anneau statique d'une manière inverse à la pression d'alimentation. Le joint hydraulique, selon l'invention, est remarquable en ce qu'il comporte un dispositif de réglage du passage de fluide constitué d'une bague mobile axialement, présentant au moins deux gorges radiales disposées à la partie centrale de la bague, en regard d'orifices des canalisations de l'arbre tournant et de moyens de déplacement axial de la bague mobile. Les explications et figures données ci-après à titre d'exemples, permettront de comprendre comment l'invention peut être réaliséeo - Les figures 1 et 2 sont des vues en coupe longitudinale d'un premier exemple de réalisation d'un joint tournant, selon l'invention, dans deux conditions extremes de fonctionnement. La figure 3 est une vue en coupe longitu- dinale d'un deuxième exemple de réalisation d'un joint tournant. La figure 4 est une vue en coupe longitu- dinale d'un troisième exemple de réalisation d'un joint tournant en position repos avec jeu maximum. La figure 5 est une vue en coupe longitu- dinale d'un quatrième exemple de réalisation d'un joint tournant selon l'inventiono La figure 6 estune vue en coupe selon VI-I! de la figure 1 ou 2. Le joint tournant, selon l'exemple de réalisation représenté sur les figures 1, 2, 3 et 6, est constitué d'un arbre creux 1 tournant, portant des canalisations 2, 3 d'alimentation en fluide des dispositifs tournants à commander, d'un manchon 4 statique, coaxial à l'arbre, muni de raccords d'entrée 5A et de sortie 5B pour son raccordement à la source fixe de fluide sous pression, l'entrée et la sortie étant interchangeables et comportant des moyens d'étanchéité hydraulique pour le passage du fluide du manchon à l'arbre tournant, les- dits moyens déterminant un passage de fuite du fluide et d'un dispositif de réglage 6 du passage de fuite du fluideo L'arbre 1 porte deux roulements 7, 8 qui centrent le manchon 4. Le roulement 7 disposé près de l'extrémité de l'arbre est maintenu entre une bague de butée 9 et une douille 10 fixée à l'extrémité de l'arbreo L'autre roulement 8 est maintenu contre un épaulement 11, prévu dans l'arbre, par une bague de butée 12o Les couvercles 13, 14 assurent avec les portées 15, 16 l'étanchéité des roulements* Le dispositif de réglage 6 du passage de fluide est constitué d'une bague mobile axialement 18, intérieure au manchon 4, solidaire de celui-ci, présen- tant sur sa face interne deux gorges radiales 19A et 19E, communiquant respectivement avec l'entrée 5A et la sortie B, les gorges étant disposées dans la partie centrale de la bague 18, en regard des orifices des canalisations 2 et 3 de l'arbre tournant et deux gorges 20A, 20B d'extrémité, disposées de part et d'autre des gorges centrales. Le dispositif comporte en outre des moyens de déplacement axial de la bague 18o Selon l'exemple de réalisation du dispo- sitif de réglage 6 montré sur les figures 1 et 2, la surface interne de la bague 18 dans laquelle sont prévues les gorges, est conique et coopère avec une partie conique correspondante 22 prévue sur l'arbre. Le manchon 4 soli- daire de la bague mobile 18 est susceptible de se déplacer axialement par rapport à l'arbre. Sa course est limitée par le déplacement possible du roulement 7 entre la butée 9 et le couvercle 13. La figure 1 représente le dispositif de réglage dans la position de repos pour laquelle le jeu E entre l'arbre et la bague mobile 18 est maximal. Cette position est déterminée par une partie des moyens de déplacement axial qui, dans cet exemple, sont constitués d'éléments élastiques 21 tels que des ressorts hélicoïdaux qui prennent appui sur la bague de butée 12 du roulement 8 pour repousser la bague mobile 18 contre la bague de butée 9 du roulement 7. Par suite de la conicité de la bague mobile 18 et de la partie 22 de l'arbre, les surfaces en regard s'écartent et laissent entre elle le jeu maximal prévu. Lorsque l'on alimente le joint tournant avec un fluide hydraulique par l'intermédiaire de l'orifice 5A, la sortie se faisant par l'orifice 5E, le fluide circule dans le manchon, pénètre dans la gorge 19A et se trouve en regard de l'orifice de la canalisation 2o La rotation de l'arbre 1 n'empêche pas l'alimentation - de la canalisation 2 Lorsque la pression du fluide augmente, une fuite de fluide s'établit entre la bague mobile 18 et l'arbre 1 et le fluide s'écoule de la gorge 19A vers les gorges 19B et 20A et de là retourne vers la source (non représentée) par l'orifice 5B et par l'orifice de drainage 17o La gorge 19A est en communication de place en place avec des chambres périphériques 23 (figure 6) axiales, prévues dans la bague mobile 18 solidaire du manchon 4 Ces chambres débouchent face à la bague de butée 9 du roulement 7 et comportent au moins un poussoir susceptible C coulisser dans ladite chambre oui, en position de repos, a une de ses faces d'extrémité 24A à fleur de la face radiale correspondante de l? bague' l'autre face d'extrémité 24B étant devant la gorge 19Ao Les chambres 23 et leurs poussoirs 25 constituent l'autre partie des moyens de déplacement axial de le bague mobile 18 et ont une actioen contraire sur le déplacement de la bague à celle de la première partie constituée par les ressorts 21o La face 24B, en communication avec la gorge 19A est soumise à la pression du fluide. Tant que la pression exercée par le fluide contre les poussoirs reste inférieure à la force exercée par les ressorts, la bague mobile 18 reste dans la position de reposo Lorsque la pression dépasse une valeur déterminée (figure 2) l'effort des poussoirs dépasse celui des ressorts, et la bague 18 se déplace en entra nant le manchon 4 qui coulisse sur les bagues extérieures des roulements 7, 80 La course est limitée, dans l'exemple de réalisation à 2 mm, correspondant à l'arrêt en butée du roulement 7 contre le couvercle 130 Le jeu axial, J, qui détermine le jeu radial E et par conséquent le passage de fuite du fluide, est volontairement limité afin d'éliminer le risque de surcharge des roulements et d'empocher la suppression complète du jeu E entre la bague mobile et l'arbre et par conséquent, l'arrêt de la fuite de fluide. Le jeu radial E minimal est réglé de manière qu'à la pression maximale d'utilisation, il y ait une circulation de fluide suffisante pour le refroidissement du joint. Pour des pressions de fluide intermédiaire, la bague mobile 18 peut prendre une position inter- médiaire correspondant à un jeu radial intermédiaire. On réalise ainsi un joint tournant dont le jeu s'ajuste automatiquement en fonction de la pression et inversement à celle-ci, à une basse pression correspond un grand jeu et inversement à une grande pression, un petit jeuo En conditionnant correctement la variation du jeu, c'est-à- dire l'effort des ressorts à celui des poussoirs soumis à la pression, on peut obtenir un débit de fuite constant entre deux limites quelle que soit la pression. Les calories produites à haute vitesse seront ainsi évacuées de la même façon à haute ou basse pression. Dans les joints tournants actuels, les calories s'évacuent mal à basse pression et ne peuvent par suite Otre utilisés dans ces conditions, sans risque de grippage dC aux dilatations thermiques Dans l'exemple de réalisation représenté figures 1 et 2, comme il a été précédemment signalé, le sens de passage du fluide dans les canalisations 2 et 3 peut 8tre inversé. Dans ce cas, le fluide passe par la gorge 19B pour alimenter par la canalisation 3, le dispositif d'actionnement hydraulique de l'outilo Il est alors nécessaire de prévoir un deuxième poussoir 26 dans les chambres périphériques 23. Une des faces radiales du poussoir forme une paroi auxiliaire contre laquelle s'appuie, en position de repos, la face 24B du poussoir 25 et qui délir-iterala chambre dans laquelle agira le fluide introduit par la gorge 19A. L'autre face radiale du poussoir 26 s'appuie contre le fond de la chambre et présente des rainures longitudi- nales 27 débouchant dans une rainure périphérique prévue dans le poussoir et disposéeen face d'une ouverture faisant communiquer la chambre 23 avec la canalisation 19Bo Le fluide passant par la rainure 19B vient remplir l'espace entre le fond de la chambre et la face correspondante du poussoir 26 et rousse le deuxième poussoir 26 contre le premier poussoir 25 qui vient appuyer contre la bague de butée 9o Le mode de fonction- nement du dispositif de réglage est en tout point semblable à celui précédemment décrit. Selon un troisième exemple de réalisation montré sur la figure 39 les poussoirs et les ressorts, constituant les moyens de déplacement axial, sont remplacés par un dispositif à excentrique 28, commandé manuellement ou automatiquement Ce dispositif est monté dans le manchon 29 et comporte un axe tournant dont l'extrémité porte un téton excentré 30 coopérant avec la bague mobile 31. Dans cette réalisation, le manchon 29 est fixe et seule la bague est mobile axialemento Les ressorts 32 ont pour seule fonction d'appliquer au roulement 8 une préchargeo Les positions de la bague mobile sont déterminées par rotation de l'axe du dispositif à excentrique 28. Cette rotation peut être obtenue par un moteur pas à pas en fonction de divers paramètres (température, vitesse, pression etc.) du joint et du fluide intégrés dans un microprocesseur. Selon une quatrième forme de réalisation, le joint hydraulique représenté sur la figure 4, est formé dans un roulement distributeur comportant deux rangées de rouleaux coniques 33 et 34 maintenus entre une bague extérieure 35 et une bague intérieure 36. La bague intérieure comporte trois parties 36A, 36B et 36C. La partie centrale 36C présente une surface extérieure conique et a la même fonction que la partie conique 22 de l'arbre des exemples précédcrts. Cette partie s'ajuste avec précision sur l'arbre 1 portant les canalisations 2 et 3 de passage du fluide hydraulique et présente des passages communiquant avec des gorges 19A, 19B prévues dans une bague mobile 31 logée entre les cages des rouleaux 33 et 34 La face de la bague mobile en regard de la bague conique centrale 36C présente une surface conique conjuguée de celle-cio Les gorges d'extrémité 20A et 20B prévues dans la réalisation selon les figures 1, 2 et 3 sont remplacées par des évidements 37A et 37B prévus dans les extrémités de la bague mobile 31. Le fluide de fuite, passant dans les volumes définis par les évidements 37A, 37B et les rangées de rouleaux, participe à la lubrification du roulement puis est évacué vers la source de fluide hydrauliqueo La bague extérieure 35 du roulement joue le r8le du manchon fixe 29 et est équipée d'un dispositif à excentrique 28 dont le fonctionnement est identique à celui du dispositif à excentrique de l'exemple précédent. Le cinquième exemple de réalisation de joint hydraulique, représenté figure 5, concerne également un roulement distributeur à deux rangées de rouleaux coniques dans lequel la partie cen rale 36D, comprise entre les parties 36A et 36B de la bague intérieure 36, présente une surface extérieure cylin- drique dans laquelle sont prévus trois collets 38 entre lesquels débouchent les orifices communiquant avec les canalisations 2 et 3 de l'arbre 1o Les gorges 19A, 19B et les évidements 37A et 37B des extrémités de la bague mobile 31 forment aussi à la surface de la bague des collets 39 susceptibles de recouvrir au moins partiellement les collets 38 de la partie centrale 36Do Un dispositif à excentrique 28, prévu dans la bague extérieure 35, coopère avec la bague mobile 31 pour la déplacer axialemento La figure 5 montre le dispositif dans la position de repos pour laquelle le recouvrement des collets 39 par les collets 38 de la bague mobile est minimum et offre au fluide un parcours de fuite de petite longueur, n'opposant qu'un faible freinage et permettant un débit appréciables L'augmentation du recouvrement amène une augmentation du freinage du fluide de fuite et une diminution du débit de fuite, de la même manière que dans les réalisations à jeu radial obtenu par déplacement axial de deux parties coniques conjuguéeso Il est à remarquer que dans les réali- sations faisant varier la longueur de fuite L par déplacement axial, la valeur du jeu radial E reste fixe comme le montrent les formuleso Cette variation a moins d'influence sur le débit de fuite que lorsque le jeu E varie puisque celui-ci agit à la troisième puissance sur le débit, alors qu'il est inversement proportionnel à la longueur L entre deux gorges. Par contre la variation de la longueur L influence la quantité de calories à évacuer Selon une forme de réalisation non repré- sentée mais découlant directement des exemples ci-dessus décrits, la partie centrale conique 36C-(figure 4) porte des collets dont les surfaces coniques sont conjuguées de celles des collets de la bague mobile 31. Les modifications de forme des éléments ainsi que l'utilisation d'équivalents mécaniques sont possible sans sortir du cadre de l'inventiono REVENDICATIONS 1o Joint hydraulique tournant annulaire à température stabilisée destiné à véhiculer un fluide sous pression-entre une source fixe et un récepteur tournant, ledit joint comportant un arbre fixé au récepteur portant les canalisations d'alimentation en fluide, sur lequel sont montés deux roulements maintenant un manchon statique portant les entrée et sortie du fluide et des moyens d'étanchéité hydraulique pour le passage du fluide du manchon à l'arbre tournant, lesdits moyens déterminant un passage de fuite du fluide, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif de réglage (6) du passage de fluide constitué d'une bague mobile axialement (18, 31) présentant au moins deux gorges radiales (19A, 19B), disposées à la partie centsale de la bague, en regard d'orifices des canalisations (2, 3) de l'arbre tournant et de moyens de déplacement axial (21, 25, 28) de la bague mobile (18, 31)o 2. Joint selon la revendication 1, caractérisé en ce que la surface interne de la bague mobile (18, 31) et la surface correspondante (22, 36C) prévue sur l'arbre sont coniques. Joint selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les moyens de déplacement axial sont constitués par des éléments élastiques (21) et des poussoirs (25) actionnés par le fluide hydraulique, ayant des actions contraires sur le déplacement axial de la bague mobile (18). 4o Joint selon la revendication 3, caractérisé en ce que les poussoirs (25) sont logés dans des chambres périphériques (23) de la bague mobile (18) en communication avec la gorge (19A, 19B) dans laquelle passe le fluide hydraulique entrant, ledit fluide actionnant les poussoirs qui coopèrent avec une des bagues de butée (9, 12) des roulements (7, 8). o Joint selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que la bague mobile (18) est solidaire du manchon (4), ledit manchon étant susceptible de coulisser axialement sur les bagues extérieures des roulements (7, 8). 6o Joint selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que les chambres périphériques (23) comportent un deuxième poussoir (26), contre lequel s'appuie le premier poussoir (25), ledit deuxième poussoir (26) présentant une rainure périphérique communiquant avec la deuxième gorge radiale (19B) et des rainures longitudinales pour amener le fluide hydraulique à agir contre une face dudit deuxième poussoir pour le déplacer axialement en poussant ledit premier poussoir, ledit deuxième poussoir étant actionné lorsque la deuxième gorge radiale (19B) reçoit le fluide hydrau- lique entranto 7 Joint selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les moyens de déplacement axial sont constitués par un dispositif à excentrique (28) solidaire du manchon (29) comportant un axe tournant dont l'extrémité porte un téton excentré (30) coopérant avec la bague mobile (31)o 8 Joint selon la revendication 7, caracté- risé en ce que l'axe tournant est actionné par un moteur asservi par un microprocesseur intégrant des paramètres concernant le joint et le fluide hydraulique. 9. Joint selon la revendication 1, caracté- risé en ce que les gorges radiales (19A, 19B) prévues dans la bague mobile (31) sont séparées par des collets (39) conjugués de collets (38) prévus sur l'arbre, séparant les orifices communiquant avec les canalisations (2, 3) de l'arbre (1), les collets (39) de la bague mobile étant susceptibles de recouvrir au moins partiel- lement les collets (38) de l'arbre (1) pour modifier le parcours de fuite du fluide, 10. Joint selon les revendications 1 et 9, caractérisé en ce que les collets (38) prévus sur l'arbre, sont usinés dans la partie centrale de la bague intérieure d'un roulement distributeur, le manchon (35) étant constitué par la bague extérieure dudit roulemento