Brevet FR2680391A1 — publié le 19930219

La présente invention concerne une pompe hydraulique dont les organes rotatifs ont une surface de révolution sinusoïdale, tournant autour de deux axes séquents, non alignés, reliés par un joint de transmission universel simple ou double. Les éléments de pompage ont le profil d'un cône à grande ouverture mais dont les surfaces de révolution sinusoïdale ont un sommet situé au point d'intersection des axes appelés dans le texte point O. La génératrice issue du point O décrit en rotation un tracé sinusoïdal. On obtient ainsi une pompe Root repliée sur elle-même. L'ensemble est contenu dans un carter dont les faces forment un dièdre. Le fluide est convoyé par des chambres que constituent les espaces creux dûs à la modulation des surfaces des rotors. Ces rotors recouvrent sur leur face arrière des cavités reliées à leur face avant par un conduit qui transmet la pression de la face avant à la face arrière. Les rotors sont alors flottants et les paliers ne supportent plus la poussée radiale dûe à la pression intérieure. Cette pompe permet de transmettre une puissance hydraulique qui peut devenir un élément moteur lorsqu'elle reçoit le liquide sous pression. En outre, lorsque la pompe entraînée envoit le liquide dans des conduites comportant des étranglements voulus et contrôlés on peut provoquer un système de freinage sur l'arbre de la pompe. Dans ces conditions elle constitue un ralentisseur hydraulique de haute sécurité, remplaçant le ralentisseur électrique qui fonctionne sur la batterie électrique des véhicules. Ces ralentisseurs sont commandés par plusieurs vannes sans apport de puissance extérieure, commandée manuellement par un conducteur ou automatisée et assservie à la vitesse de l'arbre tournant. Ces dispositifs sont connus et adaptables à la pompe hydraulique à surface de révolution sinusoïdale objet de la présente invention. On sait que, pour récupérer ou transmettre une puissance mécanique suivant un mouvement rectiligne ou circulaire, on utilise des dispositifs hydrauliques plus ou moins sophistiqués. Ces dispositifs font appel à la technique fluidique et l'on connaît, entre autres, les pompes à piston, les pompes centrifuges, et d'autres dispositifs utilisant des couples d'engrenage à dentelure ou à galets. Le liquide est entraîné à la vitesse de rotation de l'arbre ou au va-et-vient du piston. La variété des dispositifs créés est grande. Mais il procure de nombreux inconvénients inhérents à leur principe de fonctionnement. Dans tous les cas, les forces de frottement sont importantes, entraînant des surchauffes de matériaux utilisés. Leur puissance est faible par rapport à l'énergie demandée pour leur fonctionnement et la vitesse de fonctionnement est limitée par les risques de ruptures des éléments. Pour palier à ces inconvénients on a réalisé une pompe hydraulique à rotors dont le profil est de révolution sinusoïdale caractérisée par deux bosselages lisses ou rainurés dont le profil se définit par un calcul théorique ; placés face à face, entraînés comme un double rotor dont les extrémités bosselées sont placées de façon à ce que le bosselage corresponde au creux du bosselage du rotor associé en vis-à-vis, ces formes de révolutions créent des cellules de travail qui peuvent être associées les unes aux autres ; la rotation des rotors est obtenue par un ou plusieurs dispositifs à rotule calculé, dénommé joint de transmission universel ou cardan simple, ou double, situé au point d'intersection des axes à l'intérieur du corps de la pompe, tout en restant isolé du liquide pulsé, des joints d'étanchéité, des membranes d'isolements commandées, des paliers, usinés sur le carter de protection ; ce dernier formant un dièdre avec entrée et sortie de fluide. La réalisation de la pompe, objet de l'invention, est caractérisée par un calcul destiné à déterminer - une forme de rotor dont la partie centrale est isolée de la périphérie par un recouvrement rotor-stator suivant une surface sphérique. Toutes les parties sphériques rotor-stator ont pour centre le point de recoupement des axes du rotor. - les cellules dites de réaction sont placées en couronnes, situées à l'arrière du rotor ou elles créent des alvéoles dont le bord se plaque sur la surface plane du stator Un orifice au centre de la cellule relie celleci à la face active du rotor soumis à une haute pression. Le débit obtenu par cet orifice provenant des fuites entre les surfaces planes en contact du rotor et du stator en fonction. Cette partie se comporte alors comme une butée à coussin d'huile. La rotation, lorsque la surface (ou volume) des cellules de réaction est égale à la surface (ou volume) action du rotor, provoque une poussée du rotor qui tend vers zéro. Le rotor est alors équilibré dans son axe. La pression du fluide provoque une poussée tangentielle utile sur le rotor, et une poussée sur les parois du stator n'altérant pas le fonctionnement de la pompe. La résistance mécanique des parois de la pompe devenant une limite dans le fonctionnement de celle-ci aux fortes pressions. I1 est possible de réaliser des surfaces de cellules de réaction plus grandes que la surface active du rotor en découpant des cellules sur la couronne supérieure dont le diamètre doit dans ce cas être diminué proportionnellement. On augmente ainsi le débit et la pression de fonctionnement de la pompe. L'augmentation de la pression provoque l'adhésion des rotors entre eux et diminue les fuites au niveau des lignes de contact. Par voie de conséquences l'épaisseur du film d'huile entre les surfaces sont augmentées et diminuent l'usure de celles-ci. En outre, un segment d'étanchéité mobile, plaquée par un ressort à serrage concentrique contre le carter élimine le risque de fuite entre les axes. Les segments placés sur le rotor se présentent sous forme de grilles dont chaque maille constitue la partie saillante des cellules de réaction. Selon cet aménagement les surfaces se déplacement à une même vitesse, éliminant toute usure par friction. Lorsque les arbres d'entraînement ne sont pas en ligne, on utilise une transmission universelle de façon à ce que les vitesses tangentielles des rotors, selon la ligne de courbure, soient égales. C'est une pompe ROOT repliée sur elle-même dont les joints universels remplacent les engrenages de couplage. La pompe hydraulique à rotor et à surface de révolution sinusoïdale, selon l'invention, est assimilable à une pompe à engrenage conique dont le nombre de dents est réduit à 2. Cette pompe donne un rapport de vitesse entre l'arbre entraîneur A et entraîné B (voir figure 1) qui s'écrit En introduisant les rayons au point tangentiel PL1/VI Fig. 1 l'équation s'écrit Si l'on fait coïncider la vitesse tangentielle des rotors A et B on obtient les vitesses angulaires (couple cardan) dont l'équation s'écrit laquelle WA est la vitesse angulaire de l'arbre entraîneur WB " " " " entraîné a = la valeur de l'angle entre les deux arbres ss = l'angle de rotation de l'arbre meneur à partir de l'origine. Les valeurs limite de l'équation pour g 0 et 1800 est égale à Cos a. Les valeurs limite pour l'équation ss = 900 et 2700 égal à Les rapports de vitesse sont proportionnels à Sin 2ss. L'origine de l'angle B se trouve contenu dans le plan défini par les arbres A et B qui se coupent au centre du joint cardan. La valeur de a = 230 sera utilisée dans notre réalisation à titre indicatif. Les rapports de vitesse angulaire du couple conique des rotors nous ont amenés à définir des règles concernant la transmission du cardan. Le couple rotors, type conique est caractérisé par sa circonférence, utile ou primitive, et dans ce cas le tracé de variations de sa vitesse modulée reproduira une fonction sinusoïdale répondant à l'équation Sin 2 B. 1) Pour un angle B de l'arbre de rotation égale à 450, 1350, 2250 et 3150 on obtiendra des vitesse égales entre l'arbre entraîné et de l'arbre entraîneur. 2) Pour un angle ss de l'arbre de rotation égale à 0 ou 1800 le rapport des vitesse sera égale à 3) Pour un angle de l'arbre de rotation P = 900 ou 2700 on obtient un rapport de vitesse WB proportionnel à Dans le premier cas (fig. 2) les surfaces sont en contact suivant unz bissectrice OD de l'angle aigu formé par la perpendiculaire tracée à partir de l'axe des arbres d'entraînement A et B, qui se rencontrent au point D. Dans le second cas (fig. 3) les surfaces sont en contact suivant l'axe OD'' tracé à partir de l'axe perpendiculaire issu de l'arbre entraîné B et la perpendiculaire issue de l'arbre entraîneur et ayant pour origine le point de jonction AB. 3) Dans le troisième cas (fig. 4) les surfaces sont en contact suivant l'axe OD tracé à partir de l'axe perpendiculaire issu de l'arbre entraîneur A et la perpendiculaire issue de l'arbre entraîné B et ayant pour origine le point de jonction O. Les lignes de contact des rotors oscillant entre ces trois positions et décrivant une fonction sinusoïdale définie par le point D. Les rotors décrivent un volume engendré par la rotation de la surface définie par le tracé OD reconstituant la fonction sinusoïdale. Ces conditions théoriques nécessitent un volume contenant un plateau d'épaisseur suffisante pour contenir la grille d' étanchéité nécessaire. L'invention sera mieux comprise grâce aux dessins annexes qui ne sont présentés qu'à titre indicatif et non limitatif dans des réalisations préférentielles. Les figures 1,2 3, 4 de la de la planche I/VI sont présentées pour éclairer les lecteurs sur le calcul de fonctionnement adapté pour ces rotors associé à un dispositif de transmission universelle. - La figure 5 de la planche II/VI présente un profil extérieur du rotor utilisé. - Les figures 6, 7 et 8 de la planche III/VI représentent les éléments de moulage de la pompe dans une version simple cardan ou transmission universelle. - La figure 9 de la planche IV/VI représente les éléments associés de la pompe à simple cardan. - Les figures 10, 11, 12, 13 et 14 de la planche V/VI représentent l'association et le montage d'une pompe hydraulique à rotors et à surface sinusoïdale. - La figure 15 de la planche VI/VI représente une autre variante de cette pompe, celle à double cardan. En se reportant à la figure 5 de la planche II/VI on a représenté le profil extérieur du rotor (1). Cet élément constitutif de la pompe est formé d'une couronne métallique ou plastique dont le profil de la surface de travail comporte des bosses (2) et des creux (3). Ce type de rotor va être associé dans la pompe face-à-face en opposant les bosses (2) au creux (3) du rotor opposé. Cette disposition est parfaitement décrite dans les figures 6, 7, et 8 de la planche III/VI où les rotors (1) à profil sinusoïdal sont animés au moyen des arbres A et B. L'arbre A agissant comme un élément d'entraînement l'arbre B étant l'élément entraîné. Ces arbres reposent sur des coussins à friction (6) constitués par des roulements à bille par exemple, serties dans le carter (5). Ce dernier.formant un dièdre. Les cellules de travail (4) se forment entre les deux rotors placés face à face. L'axe du centre (8) constituant l'axe support porté par des paliers qui relient les rotors. L'élément (7) de la figure 7 étant une pièce métallique récupérant l'énergie due à la poussée hydraulique de l'arbre B entraîné servant selon l'utilisation de commande de freinage d'un véhicule. Une cloison en croissant (12) devant laquelle défilent les bossages du rotor sépare le carter (5) en ses deux extrémités. On a représenté en coupe sur la figure (9) de la planche IV/VI la pompe hydraulique. Le carter (5) est un dièdre en matériaux résistant à la pression. Les arbres entraîneur B et entraîné A traversent ce carter sur les partie du dièdre pour être relié aux rotors. La cellule de travail est placée dans cette condition à la partie inférieure du dièdre. L'axe central (8) reliant les rotors (1) associés face à face à l'intérieur du carter. On a représenté sur les figures 10,11,12,13, 14 de la plancheV/VI les éléments constitutifs de la pompe fonctionnant comme un générateur de pression. Dans cette réalisation le carter 5 a la forme d'une tronc de cône. Il porte l'entrée (9) et la sortie (10) du liquide. Le rotor (1) de profil sinusoïdal est porté par l'arbre entraîneur A. Le rotor qui lui fait face n'est pas figuré ici sur sa face avant, mais seulement sur sa face arrière. Le joint (11) sur la figure 11 et 10 est un disque anti-friction dont les alvéoles séparent les unes des autres les cellules de réaction. En se reportant sur la figure 15 planche VI/VI on a représenté une autre variante de la pompe dont le carter 5 contenant les paliers (6) porte l'arbre (14) qui traverse le carter de part en part perpendiculairement à l'axe de symétrie de ce dernier. Les tenons (15) du cardan, l'un étant en quadrature par rapport à l'autre, tiennent l'anneau intermédiaire qui portent les éléments du rotor. La base du carter est constituée d'éléments d'assemblage métallique permettant une réalisation aisée. On peut associer deux, voire plusieurs pompes à rotor en série. Cette association est obtenue à partir des mêmes bases théoriques angulaires et que celles rappelées dans le préambule. L'arbre A étant définit comme l'arbre d'entraînement et l'arbre B comme celui qui est entraîné. La rotation des deux pompes étant synchronisée au moyen de l'arbre C traçant avec le point O un triangle isocèle. La vitesse de rotation W étant une fonction sinusoïdale selon les équations trigonomètriques connues. Ce montage de principe est appelé montage à double transmission universelle. Lors de l'enchaînement des rotors par les axes A et B on obtiendra une poussée réactive avant-arrière des cônes sur la butée fluidique associée à la poussée des engrenages cylindriques des rotors, sur leurs paliers. L'usure même occasionnelle n'affecte pas le fonctionnement puisque celle-ci est compensée par un volume de liquide supplémentaire. Cette disposition est créateur de fuites et l'adaptation des pompes hydrauliques à rotors dont le profil est sinusoïdal mais à surface dentelée n'est pas la meilleure des solutions pour l'utilisation comme élément de freinage Par contre, en ce qui concerne les rotors lisses nous n'observons pas cet inconvénient et nous obtenons rapidement un freinage maximum en augmentant la pression ou le débit d'huile qui commande le freinage. REVENDICATION 1 Pompe hydraulique à rotors dont le profil est de révolution sinusoïdale caractérisée par deux bosselages lisses ou rainurés dont le profil se définit par un calcul théorique, placés face-à-face, entraînés comme un double rotor dont les extrémités bosselées sont placées de façon à ce que le bosselage corresponde au creux du bosselage du rotor associé en vis-à-vis, ces formes de révolutions créent des cellules de travail qui peuvent être associées les uns aux autres ; la rotation des rotors est obtenue par un ou plusieurs dispositifs à rotule calculé, dénommé joint de transmission universel ou cardan simple ou double situé au point d'intersection des axes à l'intérieur du corps de pompe tout en restant isolé du liquide pulsé, des joints d'étanchéité, des membranes d'isolements commandes, des paliers,usinés sur le carter de protection enveloppant ; ce dernier formant un dièdre avec entrée et sortie de fluide REVENDICATION 2 Pompe hydraulique à rotors dont le profil est de révolution sinusoïdale selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'écoulement du fluide est obtenu au moyen de deux rotors (1) dont le profil est constitué par deux bosses (2) et creux (3) représentant une sinusoïde complète, la bosse de l'un des rotors étant logé dans le creux du rotor qui lui fait face ; leur rotation synchronisée créant des cellules de réaction (11) contenant le liquide. REVENDICATION 3 Pompe hydraulique à rotors dont le profil est de révolution sinusoïdale selon la revendication 1 caractérisée en ce que le fluide est pulsé au moyen de deux rotors (1) qui forment un angle aigu et tournent dans un carter (5) constituant un dièdre parfait. REVENDICATION 4 Pompe hydraulique à rotors dont le profil est de révolution sinusoïdale selon la revendication 1 caractérisée en ce que l'écoulement du fluide est obtenu au moyen des deux rotors (1) tournant dont la surface peut être lisse ou garnie de dentelure. REVENDICATION 5 Pompe hydraulique à rotors dont le profil est de révolution sinusoïdale selon la revendication 1 caractérisée en ce que les rotors (1) sont isolés au moyen d'une cloison d'étanchéité (12) ayant la forme d'un croissant. REVENDICATION 6 Pompe hydraulique à rotors dont le profil est de révolution sinusoïdale selon la revendication 1 caractérisée en ce que on élimine les frottements au moyen d'un joint (11) reposant sous les rotors (1) constituant un disque antifriction, découpé par des alvéoles constituant des cellules de réaction (4) dont la surpression plaque les rotors (1) l'un contre l'autre. REVENDICATION 7 Pompe hydraulique à rotors, dont le profil est à révolution sinosoidale selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'une réalisation particuliaire peut être obtenue au moyen d'un arbre unique (14) qui traverse le carter de part en part, perpendiculairement à l'axe de symétrie du carter (5).