Brevet FR2736570A1 — publié le 19970117

Description La présente invention concerne un dispositif pour faire passer un fluide d'une première pièce de machine à une seconde pièce de machine qui peut tourner par rapport à la première pièce de machine, la première pièce de machine présentant une première surface de contact à symétrie de révolution par rapport à l'axe de la rotation relative et la seconde pièce de machine une seconde surface de contact complémentaire à symétrie de révolution par rapport au même axe, sachant que des ouvertures et/ou des canaux de passage sont prévus dans les surfaces de contact et les pièces de machine et que les surfaces de contact sont directement en prise l'une avec l'autre ou par l'intermédiaire de joints intercalés. Les dispositifs de ce genre, dont la dénomination abrégée est "passages tournants", sont relativement répandus dans l'état de la technique et servent à faire passer un fluide, par ex. du lubrifiant, d'une première pièce de machine à la seconde pièce de machine qui tourne par rapport à la précédente. On utilise habituellement des joints coulissants, c'està-dire que la première et la seconde pièce de machine présentent des surfaces d'étanchéité coulissantes munies d'ouvertures qui sont en alignement au moins à certains moments, de sorte que du fluide peut passer à travers ces ouvertures tandis que les surfaces de contact autour de ces ouvertures sont en prise l'une avec l'autre et étanchent de ce fait les ouvertures par rapport à l'extérieur. En l'état actuel de la technique, on connaît de nombreuses réalisations et variantes de passages tournants de ce genre munis de joints coulissants. Ainsi, des joints coulissants de ce genre peuvent aussi être prévus sur des machines-outils par ex., dans le cas desquelles un fluide doit être amené de pièces de machines statiques à des pièces de machine rotatives, que ce soit pour refroidir des pièces à usiner ou pour actionner par un système hydraulique des éléments de la machine. Avec le développement progressif des machines-outils, leurs outils et leurs éléments d'entraînement sont conçus pour des vitesses de rotation toujours plus élevées. Pour une alimentation en agent refroidissant généralement centralisée, des vitesses de rotation relativement élevées ne posent encore la plupart du temps aucun problème, étant donné qu'une telle alimentation centralisée peut être réalisée au moyen de joints sans contact (joints à labyrinthe) ou de joints coulissants de faible diamètre. Cependant, si plusieurs arrivées de fluide séparées sont nécessaires et qu'il n'est donc plus possible de recourir à l'injection dans une arrivée d'agent refroidissant centralisée ni d'utiliser des joints coulissants de faible diamètre, les joints coulissants posent problème, étant donné que, en raison des vitesses de rotation élevées et des grands rayons des joints correspondants, les vitesses relatives entre les surfaces glissant l'une sur l'autre sont très élevées, ce qui entraîne également l'apparition de quantités de chaleur très importantes qui ne peuvent plus être évacuées de façon fiable. Il en résulte une surchauffe des surfaces d'étanchéité et une perte de leur efficacité, voire même un grippage. Cela vaut aussi avant tout lorsque la quantité de fluide circulant à travers les dispositifs d'alimentation ou les passages tournants est nulle ou très faible, fluide qui est autrement un facteur de refroidissement très important. Par rapport à cet état de la technique, le but de la présente invention consiste à créer un dispositif pour faire passer du fluide entre des pièces de machine conformément aux caractéristiques citées en introduction, qui soit en mesure d'assurer en cas de besoin une alimentation en fluide, sans toutefois être exposé au risque de surchauffe en cas de vitesses de rotation élevées. Ce but est atteint par le fait qu'au moins les zones des première et seconde pièces de machine qui présentent les surfaces de contact sont mobiles l'une par rapport à l'autre dans la direction axiale, jusqu'à ce que les surfaces de contact et/ou les joints des première et seconde pièces de machine ne se touchent plus et peuvent être remises en contact par un déplacement axial au moins lorsqu'aucune rotation relative n'a lieu entre les pièces de machine ou lorsque seule une lente rotation relative se produit. Selon la présente invention, les surfaces de contact sont donc simplement séparées l'une de l'autre dans la direction axiale, si bien qu'elles ne glissent plus l'une sur l'autre et ne produisent plus non plus de chaleur de friction. Dans de nombreux cas d'application, il est en effet possible de supprimer le contact permanent de surfaces d'étanchéité de joints coulissants, et de n'établir le contact que lorsqu'aucune rotation relative n'a lieu ou lorsque seule une lente rotation relative se produit, par ex. lorsque l'arrivée de fluide sert à actionner des éléments de serrage par un système hydraulique. En plus ou au lieu de cela, il est naturellement aussi possible, lorsque les rotations relatives s'effectuent à grande vitesse, de n'établir le contact que brièvement, de sorte que le fluide peut éventuellement arriver par à-coups, tandis que les surfaces de contact, en raison de la mobilité axiale, peuvent entre temps être à nouveau séparées rapidement pour refroidir suffisamment. La présente invention est particulièrement opportune pour des machines, des dispositifs ou des pièces de ceux-ci qui ne nécessitent une alimentation en fluide que pendant l'arrêt de la machine, par ex. dans le cas de dispositifs pour serrer et desserrer des outils sur des machines-outils à l'aide d'un système hydraulique. Le remplacement d'un outil ne s'effectue que lorsque la machine est à l'arrêt, de sorte que, dans cet état, les surfaces de contact sont mises solidement et étroitement en contact l'une avec l'autre et qu'alors, le fluide hydraulique ou un fluide quelconque peut passer de l'une des pièces de machine à l'autre par l'intermédiaire d'ouvertures dans les surfaces de contact pour actionner des éléments hydrauliques ou analogues correspondants. Puis les surfaces de contact sont à nouveau séparées, de manière à ce qu'elles ne se touchent plus lorsque survient une rotation relative à grande vitesse entre les deux pièces de machine sur lesquelles sont prévues les surfaces de contact. En outre, cela réduit les pertes par friction que l'entraînement de la machine devrait sinon surmonter. À ce propos, la préférence va à une forme de réalisation de l'invention selon laquelle les surfaces de contact sont réalisées de façon conique ou sous la forme de l'enveloppe latérale d'un tronc de cône. Des angles de cône compris entre 30 et 90*, de préférence d'environ 45', sont préférentiels. En règle générale, la préférence va à des surfaces de contact présentant des composantes radiales (donc non cylindriques), étant donné qu'elles se laissent séparer sans friction, par un mouvement axial comparativement court. L'avantage des surfaces coniques par rapport à des surfaces radiales pures (surfaces perpendiculaires à l'axe) est que, pour un diamètre extérieur (et intérieur) donné, elles laissent davantage de place pour réaliser des perçages, des ouvertures et/ou des rainures. Pour que le dispositif fonctionne dans les règles de l'art, il est en outre opportun que les canaux d'alimentation débouchent dans des ouvertures dans les surfaces de contact, sachant que, lorsque les surfaces de contact se touchent, les ouvertures des surfaces de contact des première et seconde pièces de machine sont situées par paire à la même hauteur axiale. Cela permet de garantir que les ouvertures sur les surfaces de contact qui sont associées les unes aux autres puissent au moins partiellement être alignées entre elles. A ce propos, la préférence va en particulier à une forme de réalisation de l'invention selon laquelle sur au moins l'une des surfaces de contact, l'une des ouvertures qui sont alignées par paire se trouve dans la zone d'une rainure ménagée en forme d'anneau dans la surface de contact. Cela permet de faire coincider les deux ouvertures associées pour que le fluide circule, par le biais de la rainure, même lorsque les deux ouvertures sont positionnées avec des angles différents par rapport au pourtour, de sorte que lors de l'arrêt de la machine, il n'est pas absolument nécessaire que la pièce rotative atteigne une certaine position angulaire par rapport à la pièce fixe. Cela constitue un avantage particulièrement important de cette forme de réalisation de l'invention, étant donné que sur de nombreuses machines-outils ou analogues qui nécessitent de tels dispositifs de transfert, il n'y a pas de dispositifs pour régler précisément une certaine position angulaire lors de l'arrêt d'un arbre ou d'une broche, ou ceux-ci ne peuvent être prévus qu'au prix d'une augmentation considérable du coût. Selon la fonction que doit remplir ce fluide, il peut être opportun que chacune des surfaces de contact présente au moins deux ouvertures espacées l'une de l'autre, si bien que du fluide peut être amené ou évacué séparément par le biais de ces deux ouvertures. En outre, les ouvertures sont étanchées l'une par rapport à l'autre et séparées l'une de l'autre par des anneaux d'étanchéité les entourant de façon annulaire lorsque les surfaces de contact ou surfaces d'étanchéité sont en prise l'une avec l'autre. Il apparaît alors particulièrement opportun de prévoir dans les surfaces de contact des rainures annulaires destinées à recevoir des joints, sachant qu'il est entendu que la profondeur de la rainure est inférieure à l'épaisseur d'un joint annulaire correspondant qui ainsi dépasse de la rainure et peut se mettre en prise avec la surface de contact opposée et avec le fond de la rainure qui lui est associée de manière à réaliser l'étanchéité. En outre, la préférence va notamment à une forme de réalisation de l'invention dans le cas de laquelle l'une des surfaces d'étanchéité est prévue sur un piston qui, en l'absence de contact, est précontraint et est mobile dans la direction axiale et présente en tant que surface de contact une surface intérieure conique. Par conséquent, il n'est pas nécessaire de déplacer la totalité de la pièce de machine, il suffit de déplacer axialement le piston de l'une des pièces de machine pour mettre en contact les deux surfaces de contact ou pour les séparer. Le piston ou la pièce de machine déplaçable dans la direction axiale devrait en outre être précontraint(e) dans un sens, c'est-à-dire soit dans le sens de l'établissement du contact ou, de préférence, dans le sens inverse à celui de l'établissement du contact entre les surfaces de contact. Le piston est réalisé, de préférence, sous la forme d'un piston annulaire et comprend un arbre ou analogues d'une pièce de machine rotative, et sa surface de contact est une surface intérieure conique du piston annulaire, qui peut entrer en contact avec une surface extérieure conique (surface latérale d'un tronc de cône) et en être séparée par un mouvement axial du piston. Sur l'extérieur, le piston est étanché par des joints placées dans la pièce de machine et réalisé en tant que piston à gradins comportant deux parties cylindriques de diamètre différent. De plus, la préférence va à des formes de réalisation de l'invention dans lesquelles au moins une partie des canaux ou des conduites d'amenée intérieurs est équipée de clapets antiretour qui séparent les ouvertures dans les surfaces de contact des conduites d'amenée lorsque les surfaces de contact ne sont pas en prise l'une avec l'autre. D'autres avantages, caractéristiques et applications possibles de la présente invention sont expliqués à l'appui de la description ci-après d'une forme de réalisation préférentielle et des figures qui y sont associées. Les figures montrent: Figure 1 une coupe longitudinale axiale d'un exemple d'un dispositif selon l'invention lorsque les surfaces de contact ne se touchent pas; et Figure 2 une coupe longitudinale axiale d'un exemple du dispositif selon la figure 1 lorsque les surfaces de contact se touchent. Il convient encore de remarquer à propos des figures que les éléments, ouvertures et canaux qui y sont représentés ne se situent pas tous nécessairement dans le même plan axial et que certains éléments peuvent parfaitement être décalés les uns par rapport aux autres dans la direction du pourtour, mais ont ici été projetés dans le même plan axial. On voit sur les figures 1 et 2 une pièce de machine 1 qui, dans le cas présent, doit être considérée sans restriction fondamentale comme une pièce de machine fixe. Une pièce de machine 2, dont fait avant tout partie un arbre 20 tournant autour d'un axe de rotation central 50, peut tourner par rapport à cette pièce de machine 1. L'arbre 20 est monté de façon rotative dans la pièce de machine 1 par le biais de roulements 3 et 4. Dans la partie située à gauche sur les figures, l'arbre 20 a un diamètre plus grand que dans la partie droite, la transition étant formée par une surface de contact conique 25 à laquelle correspond une surface de contact conique complémentaire 15 sur un piston à gradins 11 entourant l'arbre 20 de façon annulaire et guidé à l'extérieur dans la pièce de machine 1 par deux parties cylindriques de diamètre différent. Comme on le voit, le piston à gradins 11 est précontraint vers la droite dans la direction axiale par le biais d'une bride à son extrémité gauche et par un ressort 5, de sorte que la surface intérieure conique 15 du piston 11 n'est pas en contact avec la surface extérieure 25 de l'arbre 20 lorsque seule la force du ressort 5 agit sur le piston 11. L'arbre 20 peut tourner librement, mais n'est pas mobile dans la direction de l'axe. L'angle des surfaces 15, 25 est, dans l'exemple de réalisation représenté, de l'ordre de 40*. Le piston à gradins 11 présente des perçages radiaux 6 et 7 qui sont décalés l'un par rapport à l'autre au moins dans la direction axiale et peuvent aussi, au choix, être décalés l'un par rapport à l'autre dans la direction du pourtour. À la même hauteur axiale, plusieurs perçages 6 ou 7 peuvent aussi être disposés en étant répartis sur le pourtour. La surface frontale 12 du piston à gradins 11 qui est visible à droite de la figure peut être mise sous pression par le biais du perçage 39 et des raccords extérieurs 38 et appuie ainsi le piston à gradins 11 vers la gauche, contre la force du ressort 5 et le met en contact avec la surface conique 25 de l'arbre 20. Dans cette position non représentée sur la figure, les perçages de passage 6, 7 du piston à gradins 11 sont situés à la même hauteur axiale que les perçages extérieurs 16, 17 dans la pièce de machine 1 et que les perçages intérieurs 26, 27 de l'arbre 20. Toutefois, les perçages 6, 7, 16, 17 et 26, 27 ne doivent pas nécessairement être en alignement, car la surface de contact 25 présente dans la zone des perçages 26, 27 une rainure circulaire respectivement 28 et 29, par le biais de laquelle la liaison avec le perçage 6 ou 7 est établie même lorsque les perçcages 26, 27 sont décalés vers le pourtour par rapport aux perçages 6, 7. Il en va de même pour la transition entre le côté extérieur cylindrique du piston 11 et les perçages 16, 17, car le piston 11 présente également sur son côté extérieur, dans la zone des perçages 6, 7 des rainures annulaires 14, 19 qui établissent la liaison avec les perçages 16, 17. Néanmoins, le piston annulaire 11, qui ne doit pas nécessairement tourner par rapport au reste de la pièce de machine 1, peut aussi être assuré et guidé dans des parties cylindriques correspondantes de la pièce de machine 1 pour éviter qu'il ne tourne, si bien que les rainures 14, 19 sur l'extérieur du piston ne seraient pas aussi indispensables que dans le cas des surfaces de contact entre le piston à gradins 11 et l'arbre 20. Dans le cas de l'arbre 20, il serait aussi possible de supprimer ces rainures 28, 29 lorsque la position en rotation de l'arbre 20 peut être précisément définie et être exactement réglée pour arrêter la machine. Par ailleurs, peu importe en principe sur laquelle des surfaces qui sont en contact mutuel sont prévues des rainures correspondantes; celles-ci pourraient notamment aussi être prévues sur la surface intérieure conique du piston à gradins 11, dans la zone des perçages 6, 7. En outre, on voit d'autres rainures annulaires 31 dans la surface de contact 25, qui entourent chaque fois les rainures 28, 29 dans la direction axiale. Dans ces rainures 31 sont placés des anneaux d'étanchéité 51 qui entrent en contact avec la surface intérieure conique opposée 15 du piston à gradins lorsque ce dernier est déplacé dans sa position le plus à gauche. Ce faisant, des joints annulaires entrent en action au-dessus et en dessous des ouvertures respectivement 6 et 7 ou 26, 27 et les rainures 28, 29 qui y sont associées, lesquels empêchent le fluide arrivant par les ouvertures 16, 6, 26 ou 17, 7, 27 de s'échapper entre les surfaces de contact 15, 25. Lorsque les surfaces sont fabriquées et réalisées de façon suffisamment précise, il est possible de supprimer les rainures 31 et les anneaux d'étanchéité qui y sont logés et, en remplacement, de laisser les surfaces 15, 25 entrer directement en contact Comme le montre la figure, des rainures 18 pour anneaux d'étanchéité 52 sont prévues sur l'extérieur du piston, à l'avant et à l'arrière des perçages 6, 7 par rapport à la direction axiale, qui contribuent également à empêcher une fuite sur le côté extérieur du piston 11. Les perçages 8, 9 et 32 servent à ramener le liquide de fuite. Comme évoqué précédemment, les différents perçages et passages 26, 27 ne sont pas nécessairement situés dans le même plan axial, de sorte que les perçages ne débouchent donc pas non plus dans la même conduite 22 parallèle à l'axe, et qu'au contraire, des conduites 22, 23 sont décalées en direction du pourtour (le dessin les représente décalées de 180') et s'étendent parallèlement entre elles, tandis que, par ex. le perçage 26 ou les perçages 26 ne sont reliés qu'à la conduite 22 et le ou les perçages 27 qu'à la conduite 23, les conduites 22, 23 pouvant également être présentes en plusieurs unités parallèles entre elles. On voit en outre dans le centre de l'arbre 20 un perçage central d'arrivée de fluide 21 par le biais duquel par ex. un agent refroidissant peut être amené. Il est particulièrement opportun, même si cela n'est pas clairement représenté, de disposer soit dans les ouvertures de raccordement 8, 36, 37 et 38, soit dans les conduites d'amenée et les perçages 9, 16, 17, 19, 22, 23 des clapets et notamment des clapets antiretour, qui empêchent le fluide de s'échapper lorsque le piston a été déplacé vers la droite dans la position dans laquelle il n'est plus en contact avec la surface conique 25 de l'arbre 20. Les clapets antiretour de ce genre peuvent aussi servir à économiser quelques ouvertures d'amenée de fluide externes, telles que le percçage 38 par ex., en reliant entre eux des conduites ou des perçages correspondants, par ex. 6 et 39, au moyen d'un clapet antiretour. À ce propos, il peut aussi être opportun que la course du piston 11 soit telle que la liaison avec les perçages 9, 16, 17 soit interrompue. Il est clair que l'écartement des rainures 18 est toujours supérieur à la course maximale du piston à gradins 11. Alors que, dans la représentation de la figure 1, le piston 11 mobile coulisse dans sa position de butée de droite sous l'effet du ressort 5 et empêche ce faisant les surfaces de contact 15 et 25 de se toucher, la figure 2 montre un état dans lequel le piston est déplacé contre la force du ressort 5 vers la gauche, dans la positon de contact. Dans cette position, les surfaces de contact 15, 25 se touchent et les anneaux d'étanchéité 51 sont solidement et étroitement appliqués contre les surfaces d'étanchéité de la surface de contact 25 qui leur font face. La force nécessaire pour déplacer le piston 11 contre l'action du ressort 5 est appliquée par un fluide sous pression agissant sur la surface frontale 12 du piston 11. Comme le montre la figure 2, lorsque les éléments se touchent, les percçages et les rainures 37, 17, 19, 7, 29 et 27 sont situés à la même hauteur axiale ou à hauteur axiale à laquelle ils se recouvrent, si bien qu'une liaison traversante pour le fluide est établie entre le perçage 37 et le percçage intérieur 23 de la pièce de machine rotative 2, laquelle peut ainsi être alimentée avec le fluide souhaité. De plus, sur la figure 2, de l'autre côté de l'axe, sont prévus des percçages et des rainures 36, 16, 14, 6, 28 et 26 se recouvrant également axialement ou également situés à la même hauteur, qui alimentent en fluide un second percçage 22 s'étendant parallèlement à l'axe de la pièce de machine rotative 2. Revendications 1. Dispositif pour faire passer un fluide d'une première pièce de machine (1) à une seconde pièce de machine (2) qui peut tourner par rapport à la première pièce de machine (1), la première pièce de machine (1) présentant une première surface de contact (15) à symétrie de révolution par rapport à l'axe (50) de la rotation relative et la seconde pièce de machine (2) une seconde surface de contact (25) complémentaire à symétrie de révolution par rapport au même axe (50), sachant que des ouvertures ou des canaux de passage (6,7, 26, 27, 28, 29) sont prévus dans les surfaces de contact (15, 25) et les pièces de machine (1, 2) et que, pour faire passer le fluide, les surfaces de contact (15, 25) sont directement en prise l'une avec l'autre ou par l'intermédiaire de joints intercalés, caractérisé en ce qu'au moins les zones des première et seconde pièces de machine (1, 2) qui présentent les surfaces de contact (15, 25) sont mobiles l'une par rapport à l'autre dans la direction axiale, jusqu'à ce que les surfaces de contact (15, 25) et/ou les joints (51) des première et seconde pièces de machine (1, 2) ne se touchent plus et peuvent être remises en contact par un déplacement axial au moins lorsqu'aucune rotation relative n'a lieu entre les pièces de machine (1, 2) ou lorsque seule une lente rotation relative se produit. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les surfaces de contact (15, 25) sont des surfaces coniques. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'angle du cône est compris entre 300 et 90 et s'élève, de préférence, à environ 45*. 4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les canaux d'alimentation (16, 17, 22, 23, 26, 27) débouchent dans des ouvertures dans les surfaces de contact (15, 25), sachant que, lorsque les surfaces de contact se touchent, les ouvertures des surfaces de contact des première et seconde pièces de machine sont situées par paire à la même hauteur axiale. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que sur au moins l'une des surfaces de contact (15, 25), l'une des ouvertures qui sont alignées par paire se trouve dans la zone d'une rainure ménagée en forme d'anneau dans la surface de contact. 6. Dispositif selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce qu'au moins deux ouvertures sont prévues de façon espacée sur une surface de contact. 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que les ouvertures sont étanchées l'une par rapport à l'autre et séparées l'une de l'autre par des anneaux d'étanchéité les entourant de façon annulaire lorsque les surfaces de contact ou surfaces d'étanchéité sont en prise l'une avec l'autre. 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que des rainures annulaires sont prévues dans les surfaces de contact pour y poser des joints. 9. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'au moins l'une des surfaces d'étanchéité est prévue sur un piston (11) qui, en l'absence de contact, est précontraint et est mobile dans la direction axiale. 10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que le piston (11) présente en tant que surface de contact (15) une surface intérieure conique. 11. Dispositif selon la revendication 9 ou 10, caractérisé en ce que le piston (11) est étanché sur sa face extérieure par des joints (52) placés dans la pièce de machine (1). 12. Dispositif selon l'une des revendications 9 à 11, caractérisé en ce que le piston (11) est réalisé sur sa face extérieure en tant que piston à gradins comportant deux parties cylindriques de diamètre différent. 13. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 12, caractérisé en ce qu'un clapet antiretour est prévu dans au moins une partie des conduites d'amenée (16, 17, 26, 27, 21, 22, 23), lequel sépare les ouvertures dans les surfaces de contact des conduites d'amenée lorsque les surfaces de contact ne sont pas en prise l'une avec l'autre.