Brevet FR2598185A1 — publié le 19871106

La présente invention se rapporte à un vérin hydraulique d'asservissement du type à double tige présentant de hautes performances et notamment une étanchéité renforcée. Un des problèmes importants dans l'étanchéité des vérins d'asservissement réside dans la possibilité de trouver des moyens : éléments, joints... performants qui restent d'abord parfaitement étanches, puis insensibles à la pression, n'affectant pas ou très peu le rendement du vérin, meme à des pressions élevées. En effet, dans la pratique, on constate que plus on améliore l'étanchéité par une précontrainte sur la matière, plus on augmente les frottements, perdant ainsi en précision et en sensibilité. Inversement, toute diminution des frottements affecte l'étanchéité. Par ailieurs, I'étanchéité à haute pression s' avère différente et réclame beaucoup plus d'attention. Pour un type de joint donné, les frottements augmentent proportionnellement à la pression. On a donc intérêt à choisir-un joint peu sensible à la pression. Ainsi, on est amené, dans la conception des vérins, à choisir un compromis entre l'étanchéité et les frottements. Par ailleurs, pour certaines applications, le vérin doit pouvoir supporter des accélérations et des vitesses importantes et donc ne se déformer que le moins possible. II faut donc prévoir dès la conception et réaliser à la construction des alignements quasi parfaits des différentes pièces constitutives. La présente invention a pour but de remédier à ces différents inconvénients en proposant un vérin hydraulique haute pression particulièrement performant permettant, autant que possible, de rendre compatibles les paramètres apparemment contradictoires imposant les performances générales des vérins. Ainsi, I'invention vise non seulement une étanchéité totale, même à haute pression, mais aussi des performances mécaniques de construction et de fonctionnement dynamique. En effet, pour obtenir un vérin performant, il faut pouvoir réaliser dès la construction un alignement parfait et une exacte concentricité des pièces palières. Contrairement au mode de construction habituel, ces caractéristiques sont garanties dès la construction par le montage direct des pièces palières en extrémité du tube évitant l'emploi de pièces intermédiaires. Par ailleurs, la structure même du piston évite le risque de triple portée. II est donc réalisé pour ne remplir que la fonction de support de joint sans nuire aux performances générales du vérin. A cet effet, I'invention se rapporte à un vérin hydraulique du type à double tige de hautes performances caractérisé en ce qu'il se compose d'un piston formé sur une tige monobloc par assemblage sur un noyau de deux séries de demi-coquilles montées côte à côte à distance, sur la partie centrale du noyau en vue de délimiter une gorge garnie d'un joint composite, ledit vérin comportant des pièces palières montées chacune directement sur le tube enveloppe supportant les joints de tige et pourvue chacune d'une chambre de récupération des fuites, elles mêmes isolées à chaque extrémité de la chambre de compression du vérin par un joint d'extrémité. Les nombreux avantages de I i l'invention sont énoncés de façon non limitative ci-après . étanchéité totale de l'intérieur vers l'extérieur ; performances remarquables - frottements de décollement correspondant à dès pression de décollement voisines de zéro ; - frottements sous pression réduits par un facteur de dix à quinze par rapport aux vérins classiques ; - assemblage parfait des divers éléments sans diffi culté de montage -piston flottant qui absorbe les irrégularités du cylindre. alignement parfait et concentricité rigoureuse des pièces palières garantis dès la construction temps de réponse faible à la commande Les caractéristiques techniques et d'autres avantages de la présente invention sont exposés dans la description ci-après effectuée à titre d'exemple non limitatif en référence aux dessins accompagnants dans lesquels la figure 1 est une vue en coupe longitudinale du vérin dans son ensemble avec agrandissement de coupe sur les joints la figure 2 est la vue en plan correspondante avec écorché du vérin selon l'invention . la figure 3 est une vue en coupe longitudinale de la chambre de récupération des fuites, avec figuration du piston et détail de coupe sur le joint du piston la figure 4 est une vue schématique en perspective éclatée montrant les différentes pièces composant le piston . la figure 5 est une vue schématique en plan et en coupe montrant ia décomposition du joint d'étanchéité dont est garni le piston . la figure 6 est un exemple de schéma hydraulique montrant le branchement du circuit de récupération des fuites. . la figure 7 est la vue en coupe transversale d'une variante de joint composite La présente invention concerne un vérin hydraulique performant du type à double tige dont le domaine de fonctionnement se situe dans les pressions élevées. Les divers moyens et éléments employés concourent à l'obtention du résultat d'ensemble relatif aux hautes performances du vérin, notamment sur le plan des frottements et de l'étanchéité. Le vérin de hautes performances selon l'invention présente un corps 1 se composant d'un tube enveloppe 2 terminé à chacune de ses extrémités par un bloc-palier et de raccordement hydraul ique avant 3 et arrière 4 isolés chacun de l'extérieur par un joint terminal d'étanchéité respectivement 5 et 6 du type double racleur apportant une étanchéité renforcée de l'intérieur vers l'extérieur et inversement. Le bloc de raccordement hydraulique arrière 4 est prolongé par un ensemble 7 de butées réglables dont la composition et les caractéristiques font l'objet d'un dépôt parallèle. Le tube-enveloppe 2 renferme une double tige 8 monobloc à piston central 9. Cette tige se prolonge à l'arrière le long de l'ensemble 7 de butées. Une des caractéristiques importantes de l'invention concerne le centrage parfait des pièces palières 10 et 11 obtenu par le montage direct à chaque extrémité du tube-enveloppe 2 comme représenté sur les coupes. Les pièces palières 10 et 11. réalisées de préférence en bronze portent en extrémité la double tige 8 du vérin selon l'invention choisi à double effet dans le mode de réalisation décrit. Chaque pièce palière comporte à son extrémité côté opposé au piston une zone de guidage très légèrement conique, respectivement 12 et 13, qui constitue le seul contact de la tige 8 avec le tube-enveloppe 2 du corps de vérin délimitant la double chambre de compression 14 dans laquelle se déplace la tige monobloc 8 portant le piston 9. Les pièces palières 10 et 11 se terminent chacune par un joint de guidage composite 15 et 16 de même composition que ou de composition analogue à celui porté par le piston 9 que l'on décrira ci-après. Une autre caractéristiques essentielle de l'invention réside dans le fait que le piston 9 est monté flottant sur la tige 8 et dans la double chambre de compression 14, c'est-à-dire sans contact intermédiaire avec la paroi intérieure du tube-enveloppe 2 qui sert uniquement de support de joint. En effet, le guidage de la tige 8 résulte de son contact en extrémité avec les pièces palières 10 et 11 terminées chacune par une zone de guidage 12 et 13 pourvues en extrémité des joints de guidage, appelés joints de tige, 15 et 16 de composition identique ou analogue à celle du joint du piston 9. La constitution du piston 9 apparaît en détail sur les figures 4 et 5. Il présente un corps symétrique 17 formé de chaque coté par l'assemblage, sur la tige à l'aide de joncs ou de circlips 18 et 19, de deux groupes 20 et 21 de demi-coquilles identiques telles que 22 à base cylindrique 23 prolongée par une partie évasée constituant une rampe conique telle que 24. Les bases cylindriques 23 et les rampes coniques 24 sont séparées par un épaulement tel que 25. Les demi-coqu I les 22 sont assemblées par encastrement et maintenues par les joncs ou circl ips 18 et 19 sur un support cylindrique 26 formé dans la tige 8 permettant de garder une tige entièrement monobloc. Le support cylindrique 26 présente un noyau central 27 séparé de la tige 8 par deux portées 28 et 29 de plus faible diamètre. Les deux demi-coquilles 22 sont montées à encastrement d'une part sur le noyau et d'autre part sur chacune des portées 28 et 29. Les différences de largeur entre les rampes coniques 24 et la longueur du noyau central 27 permettent de constituer une gorge 30 délimitée latéralement par des chants en regard 31 et 32 des rampes coniques 24 et la surface latérale extérieure 33 dudit noyau central 27 ainsi que le montrent en détail les figures 4 et 5. La gorge 30 sert de logement à un joint composite d'étanchéité 34 monté sur le noyau central 27 awec un faible jeu mécanique qui constitue un compromis entre le bon contact et l'extrusion du joint. Le joint composite d'étanchéité 34 sera par exemple composé de trois éléments juxtaposés par superposition tel que le montre en détail la figure 5. Par ordre sont montés sur le noyau central 27, un joint torique 35 en caoutchouc, un élément annulaire d'étanchéité 36 en matière synthétique à faible frottement de section en L, occupant toute la largeur de la gorge 30. Une bague métallique 37 en acier traité enserre l'ensemble constituant le joint d'étanchéité proprement dit par lequel le piston 19 est en contact avec l'enveloppe cylindrique ou tube-enveloppe 2. Les joints de tige 15 et 16 sont du même type et présentent la même composition. Les rampes coniques 24 des demi-coquilles 22 ont tendance, sous l'effet de la vitesse de déplacement à former un "coin d'huile", c'est-à-dire à comprimer et écraser l'huile pour former un film annulaire constituant un véritable palier hydrodynamique diminuant sensiblement les frottements et engendrant des forces d'autocentrage. On retrouve le même phénomène au niveau des zones de guidage 12 et 13 de l'extrémité des pièces palières qui ont tendance, sous l'effet de la vitesse, à soulever la tige 8 engendrant l'interposition d'un film d'huile qui supprime pratiquement tout frottement. Les différents éléments constituant le joint 34 du piston 9 et les joints de guidage, participent de la façon suivante à l'amélioration des performances du vérin. Le joint torique 35 en caoutchouc joue le rôle d'élément ressort apportant la précontrainte à vide par une force d'application de l'élément annulaire d'étanchéité 36 contre la paroi intérieure du tube-enveloppe 2 ou contre la tige pour les paliers de guidage. Cette force d'application assure l'étanchéité au repos ou à faible pression. La force élastique procurée par le joint torique 35 en caoutchouc augmente avec la pression et augmente corrélativement la poussée sur l'élément d'étanchéité 36.Cette force devenant un véritable inconvénient à partir d'une certaine pression, on limite la poussée élastique par la bague métallique 37 indéformable. Le joint composite ainsi constitué devient donc insensible à la pression dans une zone de pressions choisie comme zone de travail. Comme indiqué, on neutralise l'effet de poussée élastique du joint torique à partir d'une certaine déformation de celui-ci par la bague métallique rendant ainsi le joint composite insensible à la pression. Les blocs de raccordement hydraulique avant 3 et arrière 4 renferment des chambres d'alimentation en fluide hydraulique moteur 38 et 39 sous la forme de chambres annulaires prévues dans les pièces palières 10 et 11 débouchant dans la double chambre de compression 14 au droit desdites pièces palières avant les zones de guidage convergeant vers les joints de tige 15 et 16. Ces chambres d'alimentation 38 et 39 sont convenablement isolées de part et d'autre par des joints statiques d'étanchéité respectivement 40, 41 et 42, 43. Les blocs de raccordement hydraulique avant 3 et arrière 4 renferment également chacun en bout de palier une chambre de récupération i os des fuites respectivement 44 et 45 disposée au-delà du joint de guidage 15 et 16. Ces chambres sont isolées de part et d'autre par des joints statiques dont les joints 41 et 43 d'étanchéité des chambres d'alimentation et des joints statiques d'extrémité 46 et 47. Les chambres de récupération des fuites 44 et 45 et les chambres d'alimentation 38 et 39 sont reliées individuellement par des conduits intérieurs ou extérieurs au corps du vérin à une platine de distribution 48 située sur le bloc de raccordement hydraulique avant 3. La platine de distribution 48 communique avec un circuit d'alimentation 49 représenté sur la figure 6 à partir des raccordements 50, 51, propres aux chambres d'alimentation 38 et 39, et 52 commun aux chambres de récupération des fuites 44 et 45, comprenant par exemple un organe distributeur du type servo-vaîve 53 reliée an amont à une pompe hydraulique 54 et en aval à une bâche 55. On remarque sur ce schéma que le circuit 56 de récupération des fuites aboutit directement dans le circuit de retour de la servo-valve 53 vers la bâche 55. Les chambres de récupération des fuites 44 et 45 peuvent ainsi supporter des contrepressions sans perturber le fonctionnement normal du vérin. Dans une variante de réalisation des joints composites 34, on peut utiliser un joint torique 35 de section non circulaire, par exemple le joint 57 représenté sur la figure 7 à section multibranches inscrite dans un carré. Dans ce vérin de hautes performances on réalise un montage sans pièces intermédiaires et sans contrainte à fuites minimales que l'on maîtrise par les chambres de récupération. La constitution du vérin selon l'invention lui assure un assemblage et un alignement parfaits de ses divers éléments principaux. Les paliers de guidage en bronze sont centrés directement en extrémité du tube-enveloppe 2, toutes les autres pièces sont montées flottantes. Un seul jeu d'ajustement intervient, ce qui permet de s'affranchir de la chaîne de cotes ou cumul des tolérances existant dans les vérins classiques provenant de la multiplicité des pièces intermédiaires. II est bien entendu que l'invention ne saurait se limiter aux seuls moyens décrits, elle couvre au contraire toutes les variantes directes, modifications simples et évidentes, les substitutions par des moyens équivalents et de façon générale tout changement sans apport inventif. REVENDICATIONS 1. Vérin hydraulique de hautes performances du type à double tige comprenant un piston (9) formé sur la tige (8) du vérin mobile le long d'un tube-enveloppe (2), caractérisé en ce que le volume de la tige destiné à former le piston est un noyau (27) faisant partie intégrante de la tige monobloc, séparé par deux portées (28 et 29) de plus faible diamètre sur lesuel sont montés à distance deux groupes de demi-coquilles (22) délimitant entre eux une gorge (30) garnie d'un joint composite (34) ledit vérin comprenant à chacune de ses extrémités un bloc de raccordement hydraulique avant (3) et arrière (4) renformant des pièces palières (10 et 11) montées directement à chaque extrémité du tube-enveloppe (2), les pièces palières se poursuivant côté extérieur par une zone de guidage légèrement conique (12 ou 13) terminée par un joint de tige composite (15 ou 16), lesdits blocs renfermant à la suite des jo;nts de tige (15 et 16) des chambres (44 et 45i de récupération des fuites. 2. Vérin selon la revendication 1 caractérisé en ce que les blocs de raccordement avant (3) et arrière (4) sont isolés de l'extérieur et de l'intérieur par des joints terminaux d'étanchéité (5 et 6). 3. Vérin selon la revendication 1 caractérisé en ce que le joint composite (34) est constitué par la superposition de trois éléments : un joint torique (35) en caoutchouc monté directement sur le noyau central (25), un élément annulaire d'étanchéité (36) en matière plastique en contact avec le tube enveloppe (2) de la chambre et servant de logement à une bague métallique (37) de fermeture et de guidage. 4. Vérin selon la revendication 2 caractérisé en ce que l'élément annulaire d'étanchéité (36) est en matière synthétique et présente une section en L. 5. Vérin selon la revendication 1 caractérisé en ce que les joints de tige (15 et 16) sont des joints composites du même type que le joint composite (34) dont est pourvu le piston (9). 6. Vérin selon les revendications 1 et 2 caractérisé en ce que le joint composite (34) du piston est monté à jeu minimal. 7. Vérin selon la revendication 1 caractérisé en ce que les chambres de récupération des fuites (44 et 45) sont des chambres annulaires reliées hydraul iquement entre elles et au circuit de retour vers la bâche. 8. Vérin selon les revendications 1 et 2 caractérisé en ce que les joints terminaux d'étanchéité (5 et 6) sont des joints du type double racleur. 9. Vérin selon la revendication 1 caractérisé en ce que les pièces palières (10 et 11) comportent les chambres d'alimentation (38 et 39).