Brevet FR2715202A3 — publié le 19950721

FR 2715202 A3 19950721 FR 9500459 A 19950117 I " Elément de ressort à gaz " La présente invention a pour objet un élément de ressort à gaz, pour machines-outils ou outillages, consti- tué d'au moins un cylindre alésé dans lequel peut se dépla- cer avec guidage une tige de piston qui, traversant la face frontale du cylindre avec étanchéité à haute pression, peut coulisser, en partant d'une position zéro (point mort haut) contre la poussée élastique exercée par un gaz sous haute pression contenu dans une chambre de travail du cylindre, un évidement périphérique destiné à recevoir du lubrifiant étant prévu autour de la tige de piston. De tels éléments sont utilisés en particulier quand il s'agit d'obtenir d'importantes forces de rappel dans un espace des plus restreints, par exemple dans des machines-outils ou des outillages. Les éléments de ressort à gaz comportent essentiellement un cylindre dans l'alésage duquel coulisse une tige de piston. Cette tige pénètre par une face du cylindre et se déplace à l'intérieur du cylin- dre associé à une étanchéité à haute pression. Le cylindre délimite une chambre de travail contenant un gaz sous haute pression. Partant du point mort haut, considéré comme point zéro, la tige de piston peut coulisser axialement. Ce dé- placement entraîne une compression dans la chambre de tra- vail, avec élévation de la pression du gaz, de sorte qu'au fur et à mesure du déplacement axial, la pression croît et qu'ainsi l'effet élastique désiré est obtenu. On connaît, par exemple par le brevet allemand DE 07 590 U, un tel exemple de ressort à gaz ayant la forme d'un ressort fermé d'outillage. Une soupape montée dans le cylindre permet d'introduire dans la chambre de travail du gaz sous haute pression, en particulier de l'azote. La par- tie supérieure du cylindre, au niveau de sa traversée par la tige de piston, comporte une chambre de graissage inté- grée ayant la forme d'une encoche servant de réservoir de lubrifiant. A la fabrication, ce réservoir est rempli de lubrifiant pâteux, une graisse par exemple. Les mouvements alternatifs de la tige de piston entraînent chaque fois un peu de lubrifiant et réduisent ainsi le frottement entre la tige de piston et la zone de traversée du cylindre. Bien qu'un tel élément de ressort à gaz se soit révélé des plus satisfaisants, il présente néanmoins quel- ques défauts. D'une part, sa fabrication est relativement coûteuse car la zone de traversée du cylindre doit être réalisée de manière spéciale. En particulier, la réalisa- tion de l'encoche servant de réservoir de lubrifiant néces- site une phase d'usinage supplémentaire. De plus, il est apparu que le lubrifiant intro- duit à la fabrication est consommé assez rapidement, de sorte qu'un service dur et/ou prolongé se traduit par une détérioration des conditions de frottement entre la tige de piston et la zone de traversée du cylindre, avec augmenta- tion de l'usure. Ce problème est dû partiellement au fait que des lubrifiants pâteux ne permettent pas d'obtenir un film régulier de lubrifiant sur les surfaces à graisser, et qu'en conséquence il se crée des plages non lubrifiées. Egalement, du fait de sa viscosité, du lubrifiant est en- traîné en permanence à l'extérieur de la chambre de grais- sage qui se trouve donc vidée rapidement. Il n'est pas possible de réintroduire du lubrifiant car cela ne serait pas valable économiquement vu le coût élevé des opérations correspondantes. L'invention a en conséquence pour objectif de dé- velopper un élément de ressort à gaz du genre décrit, ne présentant pas les inconvénients indiqués. En particulier, il s'agit de créer un élément qui ait une durée de vie su- périeure à celle des éléments classiques et qui soit plus économique à fabriquer. A cet effet, l'invention concerne un élément de ressort à gaz, caractérisé en ce que: - dans l'alésage du cylindre est montée une douille de gui- dage assurant le guidage, avec un faible jeu radial, de la tige de piston, - l'évidement recevant le lubrifiant est prévu dans la douille de guidage, - dans la douille est percé un canal de graissage sensible- ment radial, dont une extrémité débouche dans l'évidement tandis que l'autre extrémité est reliée à un canal d'amenées sensiblement radial, percé dans le cylindre et que l'on peut obturer. Selon d'autres caractéristiques avantageuses de l'invention: - le canal d'amenée est équipé d'un raccord de graissage auto-obturateur. - la liaison entre le canal de graissage et le canal d'ame- née est assurée par un canal annulaire faisant le tour de la douille de guidage et dans lequel débouche le canal de graissage, les positions axiales des canaux se correspon- dant. A la base de l'invention se trouve l'idée de sim- plifier la constitution du cylindre en réalisant la zone de traversée de la tige de piston sous la forme d'une douille de guidage séparée, montée dans un alésage traversant de diamètre constant. Cette douille présente, pour recevoir le lubrifiant, un évidement qui peut être rempli ultérieure- ment de lubrifiant, à partir de l'extérieur, à travers des canaux supplémentaires obturables. Ainsi, en cas de besoin, il est possible d'apporter un complément de lubrifiant sans avoir à démonter l'élément de ressort à gaz. De plus, il est prévu entre la tige de piston et la douille de guidage, simplement un faible jeu radial per- mettant l'utilisation d'un lubrifiant liquide, par exemple une huile synthétique du type à haute pression. Ainsi, on peut obtenir un film lubrifiant mince, mais toutefois dura- ble et cohérent, augmentant fortement la durée de vie. Cor- rélativement, la réduction obtenue du frottement réduit l'échauffement du gaz sous pression contenu dans la chambre de travail et par conséquent la contrainte mécanique résul- tant de l'accroissement de pression lié à l'augmentation de la température. La courbe représentative de l'élasticité se trouve améliorée, de sorte que le coût de la réalisation est réduit malgré l'augmentation de la durée de vie. La douille de guidage exerçant une action régu- lière sur une grande zone axiale de la tige de piston, les forces latérales sont donc mieux encaissées. Les segments usuels assurant le guidage peuvent donc être totalement éliminés, ce qui réduit encore les contraintes et donc 1 'usure. La réalisation concrète de cette idée de base se traduit par un alésage du cylindre, présentant un diamètre constant, partant de la face frontale du cylindre et s'étendant sur presque toute sa longueur axiale. La douille de guidage présente un diamètre correspondant permettant de la monter dans l'alésage. Les diamètres interne de la douille et externe de la tige de piston sont accordés exac- tement l'un à l'autre, de manière à obtenir un jeu radial faible entre ces deux parties. La douille de guidage, dans sa zone médiane, pré- sente un évidement périphérique ouvert sur la tige du pis- ton. La douille comporte également un canal de graissage, sensiblement radial, débouchant dans l'évidement. A ce ca- nal correspond, dans le cylindre, un canal d'amenée, sensi- blement radial, en liaison avec le canal de graissage de la douille. Le canal d'amenée peut être obturé vers l'exté- rieur. De cette manière, on peut à tout moment amener de l'extérieur du lubrifiant, ou compléter le lubrifiant exis- tant. En particulier, on peut introduire facilement du lu- brifiant de manière à ce que l'évidement de la douille, ainsi que le canal de graissage et le canal d'amenée, ser- vent de réservoir de lubrifiant. Le faible jeu entre la douille et la tige de piston d'une part permet l'établisse- ment d'un film continu de lubrifiant tout en empêchant d'autre part un écoulement prématuré de ce lubrifiant à l'extérieur de la zone de l'évidement. De préférence, le canal d'amenée percé dans le cylindre est équipé d'un raccord de graissage à auto- obturation qui permet, en tant que pièce standard bon mar- ché, de compléter facilement le remplissage en lubrifiant, et assure en même temps une obturation sûre de l'ouverture, par exemple au moyen d'une bille poussée par un ressort. Dans une autre forme de réalisation de l'inven- tion, la douille de guidage comporte extérieurement, c'est- à-dire sur sa paroi, une gorge annulaire périphérique d'o part le canal de graissage. La hauteur, c'est-à-dire la po- sition axiale, de cette gorge correspond à celle du canal d'amenée dans le cylindre. Ceci permet une fabrication par- ticulièrement simple du cylindre et de la douille respecti- vement, car il n'est plus nécessaire, lorsqu'on introduit la douille dans le cylindre, de tenir compte de la position angulaire relative des deux pièces pour assurer la liaison entre le canal de graissage et le canal d'amenée. Même avec un décalage angulaire, le lubrifiant peut arriver dans l'évidement. Il sort du canal d'amenée, passe d'abord dans le canal annulaire existant entre le cylindre et la douille au niveau de la gorge annulaire et pénètre ensuite dans le canal de graissage. De préférence, le jeu entre la douille de guidage et la tige de piston est compris entre 0,02 et 0,04 mm en- viron. Ainsi, d'une part le film de lubrifiant peut se for- mer comme indiqué précédemment, et d'autre part la bague d'étanchéité à haute pression qui doit être montée dans cette zone ne peut être poussée dans la fente et donc sou- mise à une usure prématurée. D'autres formes de réalisation servent à optimi- ser la configuration du joint d'étanchéité à haute pres- sion. Ce point est particulièrement intéressant car les pressions dans la chambre de travail peuvent dépasser 150 bars. Ainsi, on peut placer une étanchéité à haute pression entre la tige de piston et la douille de guidage en dessous de l'évidement servant de réservoir de lubri- fiant. A cette fin, on peut tailler dans la douille une gorge périphérique ouverte sur la tige et dans laquelle est montée une bague d'étanchéité à haute pression. Une telle disposition présente l'avantage que le système de lubrifi- cation, constitué de l'évidement et de ses canaux, n'est pas sous pression et peut donc à tout moment, y compris pendant le fonctionnement, recevoir du lubrifiant complé- mentaire. De plus, l'élément qui obture le canal d'amenée supporte une faible contrainte et peut de ce fait être réa- lisé simplement. Un autre avantage de cette disposition est que des détériorations de la tige de piston, comme il peut s'en produire en fonctionnement, n'atteignent pas en géné- ral la bague d'étanchéité qui ne peut donc être abîmée. La conception qui vient d'être décrite ne permet pas seulement d'améliorer nettement les éléments de ressort à gaz basés en pratique presque exclusivement sur l'utili- sation de tiges de piston c'est-à-dire de plongeurs. Dans une autre variante de réalisation, l'étanchéité par rapport à la chambre de travail n'est pas assurée par un joint en- tre la tige et la douille de guidage, mais par l'intermé- diaire d'un piston monté sur la tige et coulissant dans l'alésage. L'étanchéité peut donc être réalisée de préfé- rence par une bague d'étanchéité à haute pression montée dans une gorge périphérique entourant le piston. Ainsi, l'étanchéité s'opère sur une plus grande surface résultant du périmètre plus important. Egalement, le joint d'étan- chéité ne peut être détérioré par des influences extérieu- res car ce joint est au contact de la surface intérieure de l'alésage servant de surface de contact du cylindre. Un au- tre avantage est qu'il est possible, du fait de l'accrois- sement de la surface active, d'obtenir une force élastique beaucoup plus importante pour un même diamètre du cylindre c'est-à-dire de l'alésage. Avec cette configuration, on ne prévoit plus de joint d'étanchéité à haute pression sur la douille qui sert donc exclusivement à guider la tige. L'invention sera décrite plus en détail ci-après à l'aide des exemples de réalisation représentés sur les dessins annexés dans lesquels:: - la figure 1 montre un élément de ressort à gaz à plon- geur, - la figure 2 montre un élément de ressort à gaz à piston L'élément de ressort à gaz selon la figure 1 est une version dite à plongeur qui utilise une tige de piston pour produire l'effet élastique. La tige 30 est plongée dans un alésage 11 d'un cylindre 10; elle dépasse ce cy- lindre par le haut, et peut coulisser axialement dans ce- lui-ci. A l'intérieur du cylindre 10, le guidage étanche de la tige 30 délimite une chambre de travail remplie de gaz sous haute pression. Ce gaz est introduit par une soupape non représentée, à obturation automatique, montée dans un alésage de réception 14 du cylindre 10, alésage prolongé par un canal d'amenée de gaz 13 débouchant par dessous dans l'alésage 11. La soupape à gaz est alimentée en atelier par de l'azote sous haute pression, la pression à l'intérieur de la chambre de travail 11 atteignant ainsi 150 bar envi- ron. La soupape permet aussi de compléter ultérieurement le remplissage de gaz, pour compenser par exemple des pertes en service ou pour amener, dans un cas de charge donnée, la pression à la valeur nécessaire correspondante. La tige 30 est guidée par une douille de guidage montée dans l'alésage 11. La position de cette douille est assurée par une bague de maintien 58 engagée dans une rainure 18 du cylindre 10. Cette bague est un jonc élastique en fil rond conforme à la norme DIN 7993. Cette norme définit également en détail la géométrie de la rai- nure 18. Au lieu de la bague de maintien 58, la douille de guidage 20 peut être maintenue par un filetage, notamment un filetage intérieur du cylindre 10, coopérant avec un fi- letage extérieur de la douille de guidage (solution non re- présentée ici). La douille 20 présente, sur sa face externe, deux gorges périphériques 26, 27, espacées axialement, dans les- quelles sont logés deux joints toriques 56, 57 assurant l'étanchéité entre la douille 20 et le cylindre 10. Ces joints toriques 56, 57 sont disponibles sous la désignation commerciale " Parker.. N 3578-80" et présentent une dureté Shore de 82. La douille de guidage 20 a son diamètre intérieur exactement adapté à celui de la tige 30 de manière à assu- rer un jeu radial de 0,02 à 0,04 mm environ. Cette douille sert directement de palier de glissement à la tige 30 et est pour cette raison réalisée en bronze pour palier dénom- mé "RG 7". A son extrémité supérieure, près de la face frontale, elle présente une gorge périphérique 25 dans laquelle est logée une bague de raclage 55, disponible dans le commerce sous la dénomination "Parker AY P 5008", de dureté Shore égale à 92. Cette bague 55 sert à retenir le lubrifiant adhérant à la tige 30 lorsque celle-ci se dé- place vers l'avant. A l'opposé, c'est-à-dire vers l'extrémité inté- rieure de la douille de guidage 10, celle-ci comporte une gorge intérieure périphérique 29 contenant une bague d'étanchéité à haute pression 51 assurant l'étanchéité de la chambre de travail 11 au niveau du contact entre la douille de guidage 10 et la tige 30. La bague d'étanchéité à haute pression 51 est disponible dans le commerce sous la dénomination "Parker BS... P 5008" et présente une du- reté Shore de 92. La position de la bague en bas de la douille présente l'avantage qu'en cas de détériorations de la tige 30 sur sa surface périphérique par suite d'actions extérieures, il n'y a aucun risque que la bague d'étanchéi- té à haute pression 51 subisse une détérioration mécanique et s'use prématurément. L'étanchéité voulue est donc main- tenue pendant toute la durée de vie envisagée. Entre les deux gorges 25, 29 se trouve un évide- ment périphérique 21 prévu pour recevoir du lubrifiant et par conséquent pour assurer une lubrification durable de la tige 30. La position de l'évidement 21 au-dessus de la ba- gue d'étanchéité 51 fait que cet évidement n'est pas sous pression, c'est-à-dire qu'il est à la pression environ- nante. Ceci a pour avantage que du lubrifiant peut être in- troduit à tout moment, donc aussi pendant le fonctionnement sans que des précautions particulières soient nécessaires. Le lubrifiant contenu dans l'évidement 21 adhère à la paroi de la tige 30 qui glisse devant lui et forme un film continu de graissage à l'intérieur de la fente annu- laire existant entre la douille 20 et la tige 30. La bague de raclage 55 et la bague d'étanchéité à haute pression 51 s'opposent à la sortie du lubrifiant, de sorte que la con- sommation de celui-ci est extrêmement faible, même à des charges élevées et changeant fréquemment. Les lubrifiants appropriés sont notamment les huiles synthétiques épaisses pour boîtes de vitesses, comme par exemple l'huile disponi- ble dans le commerce sous la dénomination "Motorex Gear- Synt. n 460". La douille de guidage 20 est percée d'un canal radial 22 partant d'un canal annulaire 23 situé à la péri- phérie de la douille 20 et aboutissant à l'évidement 21. Ce canal de graissage 22 et le canal annulaire 23 sont situés au niveau d'un canal d'amenée 12, traversant radialement le cylindre 10 et constituant ainsi une liaison continue entre la surface externe du cylindre 10 et l'évidement 21. La po- sition axiale du canal est choisie de manière à ce qu'il se trouve entre les joints toriques 56, 57 et que par conse- quent il soit isolé de manière étanche vis-à-vis de la chambre de travail 11. Dans l'alésage de canal 12 est monté un raccord de graissage 60 permettant d'amener du lubri- fiant de l'extérieur, même pendant le fonctionnement. En même temps ce raccord 60 est un obturateur séparant la chambre de travail de l'extérieur. Comme raccord de grais- sage, on utilise un raccord conforme à la norme DIN 3405-A. Un tel raccord comporte une bille 62 maintenue dans une ca- vité 61 par un ressort 63, de manière à empêcher toute sor- tie involontaire du lubrifiant. Dans la configuration de la figure 1, la tige 30 se trouve au point zéro, c'est-à-dire au point mort haut, défini par l'appui d'un rebord 31 que présente la tige 30, contre la face frontale inférieure de la douille de guidage 20. La tige 30, en l'absence de charge, est maintenue dans cette position par la haute pression de l'azote contenu dans la chambre de travail 11. La tige 30 est occupée lar- gement, radialement et axialement, par un alésage interne 39, qui appartient intégralement à la chambre de travail 11 dont le volume est donc accru d'autant. Il en résulte un taux d'élasticité nettement amélioré car à un coulissement donné correspond une compression plus faible et corrélati- vement une moindre élévation de la température de l'azote. On a aussi éliminé les fonds vissés usuels jus- qu'alors, ce qui permet d'obtenir une grande chambre de travail avec les avantages que l'on vient d'indiquer. En même temps, on élimine une source de fuite car il fallait jusqu'alors assurer l'étanchéité du filetage par un joint torique. Sur le plan de la fabrication, l'utilisation de méthodes modernes d'usinage par outils de coupe apporte d'autres avantages. Ainsi, dans l'exemple considéré, on utilise comme matériau celui fabriqué par la société Moos Stahl AG, à Lucerne (Suisse), sous la dénomination ETG 88, qui possède les qualités de résistance souhaitées et est en même temps facile à usiner. Pour la tige 30, on utilise un acier standard, référencé 1.7131. La figure 2 montre une variante 1' de réalisation d'un élément de ressort à gaz, comprenant un piston. Cet élément 1' se distingue de l'élément 1 de la figure 1 pré- cédemment décrit, essentiellement par le fait que la tige (plongeur) est remplacée par une tige 30' associée, en une seule pièce, à un piston 40. Pour le reste, les élé- ments constructifs concordent largement, de sorte que l'on ne traitera par la suite que des caractéristiques présen- tant des différences. Les éléments analogues portent les mêmes références et l'on n'en parlera pas davantage. Le piston 40 porte, sur sa périphérie externe, une gorge 44 dans laquelle est logé un segment de guidage 54 servant à guider et à soutenir le piston le long de la paroi intérieure du volume 11 du cylindre. Immédiatement au-dessus se trouve une gorge 49 contenant une bague d'étanchéité à haute pression 51'. Le matériau et le fonc- tionnement de la bague 51' correspondent à ceux de la bague 51 de l'exemple décrit précédemment. On utilise également la bague disponible dans le commerce sous la dénomination "Parker AY... P 5008", d'une dureté Shore de 92. Un autre joint d'étanchéité, à la partie supérieure de la douille de guidage 20, est de ce fait superflu. La réalisation avec piston présente l'avantage de permettre d'obtenir une étanchéité à haute pression encore meilleure, car cette étanchéité a lieu dans une zone radia- lement étendue vers l'extérieur et correspondant donc à une plus grande surface d'étanchéité. Par rapport au mode de réalisation à plongeur décrit précédemment, les dimensions géométriques présentées augmentent la surface d'étanchéité d'un facteur compris entre 2,5 et 3. De plus, l'étanchéité est totalement indépendante de l'état de la tige de piston 30', de sorte que d'éventuelles détériorations de celle-ci ne peuvent avoir d'influence sur la durée de vie de la ba- gue d'étanchéité à haute pression 51'. Egalement, avec un dimensionnement conservé pour les autres éléments, la force du ressort se trouve fortement accrue car la surface active est beaucoup plus grande. Ici également, pour augmenter la chambre de tra- vail 11, la tige de guidage 30' et le piston 40 sont large- ment alésés. La conception présentée permet, avec des moyens simples, d'obtenir deux formes de réalisation ou de passer d'une forme à sa variante. Ainsi, on peut en prin- cipe, en conservant le cylindre 10 et la douille de gui- dage 20, échanger la tige de piston 30 contre la tige à piston intégré 40, et inversement. Liste des références du dessin 1, 1' Elément de ressort à gaz 10. Cylindre 11. Alésage 12. Canal d'amenée 13. Canal d'amenée de gaz 14. Alésage de réception 18. Rainure , 20' Douille de guidage 21. Evidement 22 Canal de graissage 23 Canal annulaire 25. Gorge 26. Gorge 27. Gorge 29. Gorge , 30' Tige de piston 31 Rebord 39, 39' Alésage 40. Piston 44. Gorge 49. Gorge 51, 51' Bague d'étanchéité à haute pression 54. Segment de guidage 55. Bague de raclage 56. Joint torique 57. Joint torique 58. Bague de maintien 60. Raccord de graissage 61. Cavité 62. Bille 63 Ressort R E V E N D I C A T ION S 1 ) Elément de ressort à gaz, pour machines- outils ou outillages, constitué d'au moins un cylindre alé- sé dans lequel peut se déplacer avec guidage une tige de piston qui, traversant la face frontale du cylindre avec étanchéité à haute pression, peut coulisser, en partant d'une position zéro (point mort haut) contre la poussée élastique exercée par un gaz sous haute pression contenu dans une chambre de travail du cylindre, un évidement péri- phérique destiné à recevoir du lubrifiant étant prévu au- tour de la tige de piston, élément de ressort à gaz caractérisé en ce que: - dans l'alésage (11) du cylindre est montée une douille de guidage (20, 20') assurant le guidage, avec un faible jeu radial, de la tige de piston (30, 30'), - l'évidement (21) recevant le lubrifiant est prévu dans la douille de guidage (20, 20'), - dans la douille (20, 20') est percé un canal de graissage (22), sensiblement radial, dont une extrémité débouche dans l'évidement (21) tandis que l'autre extrémité est reliée à un canal d'amenée (12) sensiblement radial, per- cé dans le cylindre (10) et que l'on peut obturer. 2 ) Elément de ressort à gaz selon la revendica- tion 1, caractérisé en ce que le canal d'amenée (12) est équipé d'un raccord de graissage (60) auto-obturateur. 3 ) Elément de ressort à gaz selon la revendica- tion 1 ou 2, caractérisé en ce que la liaison entre le ca- nal de graissage (22) et le canal d'amenée (12) est assurée par un canal annulaire (23) faisant le tour de la douille de guidage (20, 20') et dans lequel débouche le canal de graissage (22), les positions axiales des canaux (12) et (22) se correspondant. 4 ) Elément de ressort à gaz selon l'une des re- vendications précédentes, caractérisé en ce que le jeu ra- dial entre la douille de guidage (20, 20') et la tige de piston (30, 30') est de 0,02 à 0,04 mm environ. ) Elément de ressort à gaz selon l'une des re- vendications précédentes, caractérisé en ce que l'évidement (21) est isolé de la chambre de travail par un joint d'étanchéité à haute pression. 6 ) Elément de ressort à gaz selon la revendica- tion 5, caractérisé en ce que la douille de guidage (20) présente, en dessous de l'évidement (21) et en regard de la tige de piston (30), une gorge périphérique (29) dans laquelle est logée une bague d'étanchéité à haute pression (51). 7 ) Elément de ressort à gaz selon l'une des re- vendications 1 à 5, caractérisé en ce que la tige (30') porte un piston (40) guidé dans l'alésage (11). 8 ) Elément de ressort à gaz selon la revendica- tion 7, caractérisé en ce que le piston (40) et la tige (30') forment une seule pièce. 9 ) Elément de ressort à gaz selon la revendica- tion 8, caractérisé en ce que le piston (40) porte une gorge périphérique (49) contenant une bague d'étanchéité à haute pression (51'). ) Elément de ressort à gaz selon l'une des re- vendications précédentes, caractérisé en ce que la tige de piston (30, 30'), comprenant éventuellement le piston (40) présente un alésage profond ouvert sur la chambre de tra- vail (11).