Brevet FR2811382A1 — publié le 20020111

L'invention concerne une machine à piston axial qui inclut un disque pivotant mobile quant à son inclinaison et entraîné par un arbre, ainsi qu'un piston mobile à va-et-vient comportant un agencement d'articulation sur lequel le disque pivotant est en contact de coulissement, dans lequel l'agencement d'articulation comporte des patins coulissants qui sont essentiellement en forme de calottes sphériques. Les patins coulissants en forme de calottes sphériques sont agencés entre le disque pivotant qui tourne et un piston mobile à va-et-vient, d'une façon telle que le piston se déplace à va-et-vient lors d'une rotation du disque pivotant et que les patins coulissants sont tenus dans une extrémité approxima- tivement en forme de fourche du piston et sont disposés de part et d'autre du disque pivotant. Chacun des patins coulissants comporte une surface plate, qui glisse le long du disque pivotant tandis que le disque pivotant tourne, et les patins coulissants comportent en outre une surface convexe qui est opposée à i 5 la surface plate et pénètre dans l'extrémité en forme de fourche. Cette surface convexe est donc logée dans une surface concave de l'extrémité en forme de fourche du piston et exécute un mouvement de nutation lors du mouvement de rotation du disque pivotant à l'intérieur de la cavité concave de l'extrémité du piston. Les patins coulissants sont principalement exposés à une haute sollicitation de friction sur le disque pivotant qui tourne. Des patins coulissants connus comportent, soit des rainures de lubrifica- tion correspondantes afin de recueillir un moyen lubrifiant disponible dans le gaz d'un compresseur de conditionnement d'air et de l'amener aux emplace- ments corrects de lubrification, soit une matière plastique qui améliore le comportement de coulissement et qui est montée par exemple dans les voies de coulissement correspondantes du disque pivotant. Des étapes additionnelles de fabrication sont nécessaires pour des patins de piston à rainures corres- pondantes de lubrification. Un inconvénient des surfaces de coulissement revêtues de matière plastique est que certaines matières plastiques ne peuvent plus être utilisées pour certains gaz de compresseur déterminés de conditionne- ment d'air, par exemple dans le cas du C02. On connait en outre des combinaisons de patins coulissants et de disque pivotant qui comportent, pour prendre en charge les forces élevées, des patins coulissants en acier qui sont combinés avec un disque pivotant en matière ductile (au moins dans la zone de contact entre les patins de coulissement et le disque pivotant). On connait par exemple des disques pivotants en alliages de bronze (voir document allemand DE 697 00 380 T2), ou des disques pivo- tants qui comportent une piste de matière plastique correspondante dans la zone de contact. C'est un but de la présente invention que de réaliser une combinaison de patins coulissants et de disque pivotant qui remédie aux inconvénients des machines de l'état de l'art. Selon un premier aspect de l'invention, ce but est atteint par une machine à piston axial qui inclut un disque pivotant mobile quant à son incli- naison et entraîné par un arbre, ainsi qu'un piston mobile à va-et-vient comportant un agencement d'articulation sur lequel le disque pivotant est en contact de coulissement, dans lequel l'agencement d'articulation comporte des patins coulissants qui sont essentiellement en forme de calottes sphériques, caractérisée en ce que la combinaison des matières des patins coulissants et du disque pivotant est telle que la répartition de contraintes à l'intérieur de la zone de contact entre les patins coulissants et le disque pivotant est améliorée. Le comportement de ma machine sous sollicitation est amélioré dans la zone de contact entre les patins coulissants et le disque pivotant. Les patins coulissants peuvent consister en matière ductile au moins dans la zone de contact avec le disque pivotant. Le disque pivotant peut alors consister en une matière plus dure que celle des patins coulissants dans la zone de contact des patins coulissants. Les patins coulissants peuvent en particulier être en bronze ou en acier revêtu de bronze, ou, en variante, en matière plastique. Les patins coulissants peuvent se composer d'une matière en couches multiples. Les patins coulissants peuvent être en une matière bimétallique. Le côté plat des calottes sphériques peut comporter une matière qui constitue une couche de coulissement. Les patins coulissants peuvent être en bimétal, en particulier de l'acier et une matière de palier. Une telle matière de palier peut en particulier être un bronze. Le patin de piston peut en particulier consister en un bimétal qui comprend essentiellement une couche d'acier d'une épaisseur sensiblement égale à 5,5 mm et une couche d'un bronze d'une épaisseur sensiblement égale à 0,5 mm. La composition du bronze peut être 8OCu l OSn 1 OPb. La calotte sphérique, c'est-à-dire le patin coulissant, peut être matricé à partir d'une bande de bimétal, le côté sphérique se trouvant sur le côté acier et le côté plat sur le côté bronze. On peut prévoir de matricer la calotte sphérique à l'état fini à partir des bandes de bimétal, afin qu'aucun traitement ultérieur ne soit nécessaire. Selon un deuxième aspect, I'invention réalise une machine à piston axial qui inclut un disque pivotant mobile quant à son inclinaison et entraîné par un arbre, ainsi qu'un piston mobile à va-et-vient comportant un agencement d'articulation sur lequel le disque pivotant est en contact de coulissement, dans lequel l'agencement d'articulation comporte des patins coulissants qui sont essentiellement en forme de calottes sphériques, caractérisée en ce qu'elle comporte au moins l'une des particularités de l'invention exposées dans les documents de demande. Les buts, particularités et avantages de la présente invention exposés ci- dessus, ainsi que d'autres, ressortiront davantage à la lecture de la description qui suit de modes de réalisation préférés de l'invention, en conjonction avec les dessins annexés dans lesquels: - la Figure 1 est une vue en coupe transversale partielle d'une machine à piston axial qui représente l'invention; et - les Figures 2a et 2b représentent respectivement l'influence de deux combinaisons de matières, I'une "défavorable" et l'autre "favorable", sur les répartitions de contraintes à l'intérieur de la zone de contact. La vue en coupe transversale partielle de la Figure I représente dans son ensemble la machine à piston axial de l'invention. Dans un carter i de la machine à piston axial est monté un bloc cylindre 2 dans lequel un piston 3 peut aspirer et comprimer un milieu de pression par déplacement en va-et- vient. Le piston 3 comporte une extrémité 4 en forme de fourche qui com- prend deux calottes sphériques 5 qui représentent les patins coulissants, et un disque pivotant 6 agencé entre les calottes sphériques 5. Le disque pivotant 6 est entraîné à rotation par un arbre 7 au moyen d'un mécanisme qui n'est pas représenté de façon plus détaillée et son angle d'inclinaison peut être modifié au moyen d'un mécanisme qui n'est pas représenté lui non plus. Les calottes sphériques 5 se composent d'une matière bimétallique qui comporte sur le côté tourné vers le disque pivotant 6 une couche 8 de métal de palier et sur I'autre côté une couche d'acier 9. Lors d'une rotation du disque pivotant 6, le piston 3 se déplace à va-et-vient, ce qui provoque un mouvement de coulisse- ment des patins coulissants entre la surface 8 de métal de palier et le disque pivotant 6 ainsi qu'un mouvement de nutation des calottes sphériques 5 dans les cavités concaves 1 0 du piston. Les surfaces convexes 11 des calottes sphériques exécutent par conse- quent un mouvement de nutation dans les surfaces concaves 10 du piston, tandis que la surface plate 12 du côté 8 de métal de palier exécute un mouvement de coulissement par rapport à la surface 13 du disque pivotant 6. Par conséquent, ce sont ces surfaces qui sont particulièrement exposées à des vitesses élevées de coulissement et donc à de hautes sollicitations de friction correspondantes, en plus des forces de pression qui résultent du travail de compression. Si la surface 12 de la calotte sphérique 5 consiste alors en une matière de palier comme du laiton ou du bronze, cette matière de palier peut faire preuve de propriétés de coulissement remarquables, en particulier en cas de manque de lubrification ou à des températures élevées, ce qui garantit un fonc- tionnement sûr du compresseur, même en cas de manque des propriétés de lubrification. De même, ces matières peuvent résister à une atmosphère de C02. La partie 9 en forme de calotte sphérique du patin de coulissement 5 est en acier et peut donc prendre en charge sur une petite surface de contact correspondante les forces de compression qui sont transmises au piston 3. Le piston 3 est de préférence en aluminium afin que sa masse qui se déplace en va-et-vient soit faible, et il porte une couche de protection contre l'usure, par exemple une couche d'éloxal. Dans cette sélection de matière bimétallique pour la calotte sphérique 5, il est particulièrement avantageux de pouvoir fabriquer la calotte sphérique à partir d'une bande bimétallique en une étape unique de travail par estampage ou matriçage de sorte que sa production en série est extrêmement économique. Pour une hauteur de calotte sphérique de 5 à 6 mm par exemple, on sélectionne de préférence une bande de matière bimétallique qui se compose d'une couche d'acier d'une épaisseur sensible- ment égale à 5,5 mm et d'une couche de bronze d'une épaisseur sensiblement de 0,5 mm. Il est évidemment possible aussi de choisir d'autres épaisseurs de couches: il est seulement important que la couche de surface de glissement 12 tournée vers le disque pivotant 6 se compose de la matière ductile 12 de palier et que le côté 9 en forme de calotte sphérique qui transmet les forces de compression soit en acier. Même pour des pressions élevées, lorsqu'un film de lubrification corres- pondant est éventuellement refoulé par écrasement entre le disque pivotant 6 et la calotte sphérique 5, de sorte qu'il peut s'agir d'une course à sec à certains emplacements, I'utilisation de la matière de palier rend cet état de fonc- tionnement largement sans danger. Le métal de palier préféré est le bronze, qui peut être appliqué par laminage ou frittage sur la couche porteuse en acier. Le bronze peut présenter de bonnes propriétés en cas d'urgence, même à des températures élevées, lorsque le film de lubrifiant s'échauffe à des tempéra- tures pouvant atteindre 200 Celsius. La machine équipée de cette manière peut donc résister à un suréchauffement de courte durée. L'élément d'une importance majeure pour l'invention est que l'autre partenaire de la combinaison de glissement, c'est-à-dire le disque pivotant 6, se compose de la couche 12 de métal de palier dans la zone de contact avec le patin de coulissement 5 en matière plus dure. La Figure 2 représente, aux Figures 2a et 2b respectivement l'influence que deux combinaisons de matières, I'une "défavorable" et l'autre "favorable", exercent sur les répartitions de contraintes à l'intérieur de la zone de contact. La Figure 2a représente un patin coulissant 5 "dur" en combinaison avec un disque pivotant 6 "doux"; la répartition 20 de contraintes qui apparaît dans le cas de cette combinaison est représentée schématiquement au-dessous de la zone de contact du disque 6 et du patin coulissant 5. Il ressort clairement que les contraintes les plus élevées apparaissent sensiblement sur la périphérie extérieure du côté plat des calottes sphériques en cours de fonctionnement car les arêtes dures du patin coulissant 5 ne se déforment pas et la matière plus ductile du disque 6 est soumise en premier lieu aux déformations majeures en- gendrées par ces contraintes dans ce cas. En cours de fonctionnement, ceci conduit à ce qu'un film de lubrifiant existant entre les partenaires de friction, qui est constitué par le lubrifiant ajouté au milieu réfrigérant est refoulé par com- pression vers la plage médiane moins porteuse de la zone de contact, ce qui conduit après un certain temps à un enfoncement des arêtes des calottes sphéri- ques dans le disque pivotant 6 sous forme de deux rainures d'usure 21 et 22. La Figure 2b représente une combinaison inverse de matières dans laquelle les patins coulissants 5 sont "doux" et le disque pivotant est "dur", ce qui conduit à une répartition différente, améliorée, 23 des contraintes. Lors- que la matière de la surface de contact des patins coulissants est plus ductile, les arêtes 24 et 25 du patin coulissant se déforment plus fortement que la matière opposée du disque, de sorte qu'aucune pointe de contrainte n'est engendrée dans la zone de bord. Tant la répartition des contraintes que le film de lubrifiant sont plus uniformes dans la zone porteuse et interviennent sur une zone plus grande, de sorte que le comportement sous sollicitation entre le patin coulissant 5 et le disque pivotant 6 s'améliore et que l'usure est sensible- ment réduite. Un autre avantage consiste en une réduction des coûts de fabrication du disque pivotant 6, puisque aucune surface ductile n'est nécessaire sur le disque pivotant 6, alors que le disque pivotant 6 exigerait davantage de matière que les patins 5 de piston relativement plus petits. Les revendications annexées à la présente demande sont des propositions de formulation, sans préjudice de l'obtention d'une protection par brevet qui continue. La demanderesse se réserve le droit de revendiquer encore d'autres particularités qui ne sont jusqu'ici exposées que dans la description et/ou les dessins. Des références employées dans les sous-revendications concernent la poursuite du développement de l'objet de la revendication principale grâce aux particularités des sous-revendications respectives; il ne faut pas les considérer comme un renoncement à l'obtention d'une protection autonome des combi- naisons de particularités des sous-revendications concernées. Puisque les objets des sous-revendications peuvent constituer des inventions autonomes et indépendantes compte tenu de l'état de la technique à la date de priorité, la demanderesse se réserve le droit d'en faire l'objet de revendications indépendantes ou de demandes divisionnaires. Les objets des sous-revendications peuvent contenir aussi des inventions autonomes, qui présentent une configuration indépendante des objets des sousrevendications précédentes. Les exemples de réalisation ne doivent pas être compris comme une limitation de l'invention. Bien plutôt, de nombreuses altérations et modifica- tions sont possibles dans le cadre de la présente publication, en particulier des variantes, éléments et combinaisons et/ou matières que l'homme de l'art peut par exemple, en vue d'atteindre le but, déduire par combinaison ou trans- i 5 formation de particularités ou éléments ou étapes de procédé décrits dans la description générale et les modes de réalisation ainsi que les revendications et contenus dans les dessins, et qui conduisent par des particularités combinables à un nouvel objet ou à de nouvelles étapes de procédé ou séquences d'étapes de procédé, dans la mesure aussi o ils concernent des procédés de fabrica- tion, de vérification et d'usinage. REVENDICATIONS 1. Machine à piston axial qui inclut un disque pivotant mobile quant à son inclinaison et entraîné par un arbre, ainsi qu'un piston mobile à vaet-vient comportant un agencement d'articulation sur lequel le disque pivotant est en contact de coulissement, dans lequel l'agencement d'articulation comporte des patins coulissants qui sont essentiellement en forme de calottes sphériques, caractérisée en ce que la combinaison des matières des patins coulissants (5) et du disque pivotant (6) est telle que la répartition de contraintes à l'intérieur de la zone de contact entre les patins coulissants et le disque pivotant est améliorée. 2. Machine selon la revendication 1, caractérisée en ce que le comporte- ment sous sollicitation est amélioré dans la zone de contact entre les patins coulissants (5) et le disque pivotant (6). 3. Machine selon la revendication 2, caractérisée en ce que les patins coulissants (5) consistent en matière ductile au moins dans la zone de contact i15 avec le disque pivotant (6). 4. Machine selon la revendication 3, caractérisée en ce que le disque pivotant (6) consiste en une matière plus dure que celle des patins coulissants dans la zone de contact des patins coulissants (5). 5. Machine selon la revendication 3 ou 4, caractérisée en ce que les patins coulissants (5) sont en bronze ou en acier revêtu de bronze. 6. Machine selon la revendication 3 ou 4, caractérisée en ce que les patins coulissants (5) sont en matière plastique. 7. Machine selon l'une quelconque des revendications précédentes, carac- térisée en ce que les patins coulissants (5) se composent d'une matière en couches multiples. 8. Machine selon l'une quelconque des revendications précédentes, carac- térisée en ce que les patins coulissants (5) sont en une matière bimétallique. 9. Machine selon l'une quelconque des revendications précédentes, carac- térisée en ce que le côté plat (12) des calottes sphériques comporte une matière qui constitue une couche de coulissement. 10. Machine selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les patins coulissants (5) sont en bimétal, en particulier de l'acier et une matière de palier. 11. Machine selon l'une quelconque des revendications précédentes, carac- térisée en ce que la matière de palier est un bronze. 12. Machine selon l'une quelconque des revendications précédentes, carac- térisée en ce que le patin (5) de piston consiste en un bimétal qui comprend essentiellement une couche d'acier d'épaisseur sensiblement égale à 5,5 mm et une couche d'un bronze d'une épaisseur sensiblement égale à 0,5 mm. 13. Machine selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la composition du bronze est 80Cu! OSn OPb. 14. Machine selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la calotte sphérique, c'est-à-dire le patin coulissant est matricé à partir d'une bande de bimétal, le côté sphérique (1 1) se trouvant sur le côté acier et le côté plat (1 2) sur le côté bronze. 1 5. Machine selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la calotte sphérique (5) est matricée à l'état fini à partir des bandes de bimétal et n'exige aucun traitement ultérieur.