Brevet FR2822199A1 — publié le 20020920

Dispositif hydraulique du type pompe à pistons L'invention se rapporte aux dispositifs hydrauliques du type pompe à pistons. Elle concerne plus particulièrement un dispositif hydraulique comprenant un corps, un arbre moteur portant un excentrique, des pistons radiaux en relation mécanique avec l'excentrique et déplaçables en translation dans des chambres de piston respectives formées à l'intérieur du corps, et un distributeur muni d'une entrée de fluide et d'une sortie de fluide et propre à gérer l'admission et le refoulement du fluide dans les chambres de piston. On connaît déjà des dispositifs de ce type qui fonctionnent avec un fluide hydraulique qui peut être de l'eau, mais qui le plus souvent est une huile minérale pas ou peu compressible. Ces dispositifs peuvent être couplés à un moteur électrique qui entraîne les pistons en succession pour aspirer et refouler le fluide. Ce fluide est généralement aspiré à partir d'un réservoir et sert par exemple à alimenter un vérin hydraulique. Dans certains cas, un fonctionnement réversible est souhaité : le dispositif doit pouvoir fonctionner aussi bien en mode pompe hydraulique qu'en mode inverse. En mode pompe, les pistons aspirent le fluide depuis une entrée (côté amont), et le refoulent à pression élevée vers une sortie (côté aval) ; les pistons sont entraînés par le moteur électrique via l'excentrique. En mode inverse, la haute pression serait sur la sortie de fluide (admission), et devrait entraîner les pistons, qui seraient alors freinés de façon contrôlée par le moteur électrique via l'excentrique ; le refoulement est sur l'entrée de fluide. Les dispositifs réversibles connus ont divers inconvénients : tout d'abord leur pression d'admission en mode pompe reste proche de la pression atmosphérique ; en mode inverse, c'est leur pression de refoulement qui reste proche de la pression atmosphérique. En particulier, les dispositifs réversibles connus n'admettent pas un différentiel de pression assez largement variable entre l'admission et le refoulement, dans l'un et/ou l'autre mode. D'autre part, ils sont généralement inaptes à admettre une pression important à la fois en entrée et en sortie. L'invention vient améliorer la situation. Selon une caractéristique importante de l'invention, chacun des pistons est entouré d'une chemise de forme générale sphérique réalisée dans un matériau à faible coefficient de frottement et prenant appui sur une bague support à faible coefficient de frottement qui est reçue dans un alésage cylindrique de la chambre de piston. Cette chemise du piston que l'on peut appeler"chemise supé- rieure"présente ainsi une forme sphérique spécifique qui permet de réduire de façon importante (85%) les efforts axiaux, ce qui garantit une très haute sécurité à la résistance et une durée de vie prolongée. En même temps, cela contribue largement à autoriser un différentiel de pression défini par des pressions élevées des deux côtés de la pompe ("double pressurisation"). La construction très spécifique du piston extérieur (rotule) sépare l'élément de transmission des efforts (chemise) de l'élément d'étanchéité (pied de chemise). Cela contribue aussi à permettre la double pressurisation, tout en conservant une bonne étanchéité. L'assise des pistons est également importante, du moins en haute performance. Il en est de même, de son côté, pour la glace de distribution, sur laquelle on reviendra. Selon une autre caractéristique de l'invention, la chemise comprend un passage axial pour le fluide, qui est entouré par un épaulement annulaire formant appui pour le piston. De manière préférentielle, l'alésage cylindrique logeant la bague support débouche à la périphérie du corps et est fermé par un couvercle amovible qui loge un siège pour une extrémité de la chemise et qui assure le maintien en position de la bague support. L'assemblage spécifique des éléments précités, à savoir chemise, piston et couvercles, permet d'obtenir un volume mort de fluide très faible. Ceci garantit un fonctionnement équilibré, sans pulsation ni bruit et donc une amélioration importante en comparaison des technologies actuellement utilisées et exploitées. Le siège précité définit de préférence une surface d'appui de forme partiellement sphérique. Selon une autre caractéristique de l'invention, le couvercle comporte un passage interne qui communique d'une part avec la chambre de piston et d'autre part avec un passage oblique qui traverse le corps et débouche sur une face latérale du corps, destinée à recevoir le distributeur. Selon encore une autre caractéristique de l'invention, chacun des pistons comporte une bielle supportée par un patin qui repose sur l'excentrique, ledit patin étant réalisé dans un matériau à faible coefficient de frottement, par exemple en bronze. Ceci permet de garantir un fonctionnement doux avec un faible niveau sonore. L'invention prévoit aussi que l'arbre moteur est muni de moyens de roulement choisis parmi des paliers lisses et des paliers à rouleaux. Les roulements à paliers lisses sont moins onéreux que les paliers à rouleaux et beaucoup plus silencieux. Selon encore une autre caractéristique de l'invention, le corps comporte une face latérale qui forme face de montage pour le distributeur et qui s'étend perpendiculairement à l'axe de l'arbre moteur, et dans laquelle débouchent des orifices qui communiquent respectivement avec les chambres de piston, ces orifices étant situés à égale distance de l'axe et à des intervalles angulaires égaux. Le distributeur comprend avantageusement un organe de distribution calé en rotation sur l'arbre moteur et logé dans une chambre interne qui communique avec une entrée de fluide et une sortie de fluide et qui communique avec les orifices du corps. Cet organe de distribution est conformé pour mettre en communication, de manière successive, une partie des orifices avec l'entrée de fluide et une autre partie des orifices avec la sortie de fluide pour assurer l'admission et le refoulement du fluide par les pistons. Selon une autre caractéristique de l'invention, des moyens de réglage sont prévus pour permettre un positionnement angulaire précis de l'organe de distribution par rapport à l'excentrique. Dans la description qui suit, faite seulement à titre d'exemple, on se réfère aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est vue en coupe axiale éclatée d'un dispositif selon l'invention et de son distributeur ; - la figure 2 est une demi-vue d'extrémité du dispositif de la figure 1 ; et - la figure 3 est une vue d'extrémité du distributeur de la figure 1. Le dispositif représenté aux figures 1 à 3 constitue une pompe que l'on peut qualifier de"réversible", dans la mesure où il peut fonctionner aussi bien en tant que pompe que moteur. Il comprend un corps 10 formant pompe ou moteur et un boîtier 12 formant distributeur et propre à être fixé, de manière démontable, sur le corps 10. Le corps 10 est un élément massif dans lequel est logé un arbre moteur 14 propre à être entraîné autour d'un axe XX par un moteur électrique (non représenté). L'arbre 14 comprend une partie centrale 16 portant un excentrique 18. Cette partie centrale se termine, d'un côté, par une extrémité 20 munie d'une clavette 22 et propre à être couplée en rotation au moteur et, du côté opposé, par une extrémité opposée 24 comportant un trou de fixation 26 et débouchant en regard d'un passage cylindrique 28. Ce dernier débouche sur une face latérale 30 du corps 10, qui s'étend perpendiculairement à l'axe XX. Cette face 30 constitue une face de montage pour le corps du distributeur. La partie centrale 16 et la partie d'extrémité 20 de l'arbre 14 sont étagées. L'arbre 14 est guidé, de part et d'autre de l'excentrique, par des moyens de roulements 32 et respectivement 34. Ces moyens de roulements sont avantageusement soit des paliers lisses, soit des paliers à rouleaux, ces derniers ayant l'avantage d'être beaucoup plus silencieux que les premiers. L'excentrique 18 se déplace à l'intérieur d'une chambre 36 du corps 10. L'arbre moteur 14 et l'excentrique 18 constituent un ensemble monobloc qui est reçu à l'intérieur du boîtier 10 et maintenu en position par une plaque de fermeture 38, que l'on voit aussi sur la figure 2, et qui est fixée sur une face latérale 40 du boîtier 10, opposée à la face 30. La fixation de cette plaque 38 s'effectue au moyen de vis 42. Un joint d'étanchéité 44 est interposé entre la plaque 38 et la face latérale 40. Cette plaque 38 comporte un passage axial 46 pour l'arbre moteur. Le boîtier 10 loge intérieurement une pluralité de pistons 48, ici au nombre de sept, qui sont disposés radialement et sont couplés chacun à l'excentrique 18 par une bielle 70 s'étendant radialement. Ainsi, lorsque l'arbre moteur 14 est entraîné en rotation autour de son axe XX, les pistons sont animés d'un mouvement de translation alternatif et de manière successive. Chaque piston se déplace en translation, avec un mouvement alternatif, dans la direction d'un axe YY qui est perpendiculaire à l'axe XX. Chacun des pistons est entouré d'une chemise 50 de forme générale sphérique réalisée dans un matériau à faible coeffi- cient de frottement pour fournir un lustrage. Chacune des chemises 50 prend appui sur une bague support 52 à faible coefficient de frottement qui est reçue dans un alésage cylindrique 54 formé dans une chambre de piston 56. La bague 52 prend appui sur un épaulement 58 de la chambre et elle est maintenue en position par l'intermédiaire d'un anneau cylindrique 60 logé dans l'alésage 54 et sollicité axialement par un couvercle 62 qui est fixé latéralement sur le corps du dispositif. Ce corps reçoit ainsi sept couvercles 62 (dont trois sont visibles sur la figure 2) qui correspondent respectivement à chacun des pistons 48. Chacun des couvercles 62 loge intérieurement un siège 64 qui forme appui pour une extrémité opposée de la chemise 50. Ainsi, la chemise 50 constitue l'équivalent d'une rotule qui est maintenue en sandwich entre la bague support 52 logée dans le corps et le siège 64 reçu dans le couvercle. La chemise 50 du piston de forme générale sphérique constitue une sorte de rotule qui peut se débattre librement, du fait de la nature particulière des matériaux choisis, entre la bague 52 et le siège 64. Ceci garantit une très haute sécurité à la résistance et une durée de vie prolongée. Cette forme sphérique réduit également de façon importante (de l'ordre de 85 %) les efforts axiaux. La chemise 50 comporte un passage axial 66 pour le fluide, lequel est entouré par un épaulement annulaire 68 formant appui pour le piston. Chacune des bielles 70 est supportée par un patin 72 qui repose sur l'excentrique 18. Ce patin est réalisé dans un matériau à faible coefficient de frottement, par exemple en bronze. Ceci permet de garantir un faible niveau sonore. Le passage axial 66 fait communiquer la chambre de piston 56 avec un passage interne 73 du couvercle 62 qui s'étend parallèlement à l'axe XX et qui est fermé par un bouchon 74. D'autre part, il communique avec un passage oblique 76 ménagé à l'intérieur du corps 10 et débouchant sur un orifice 78 débou- chant sur la face latérale 30. Ainsi, les orifices 78 communiquent respectivement avec les chambres de piston. Ces orifices sont situés à égale distance de l'axe xx et à des intervalles angulaires égaux. La face latérale 30 du corps 10 sert de montage au boîtier 12 du distributeur. Celui-ci comprend à cet effet une face homologue 80 destinée à venir en appui étanche contre la face latérale 30. Le boîtier 12 comprend une chambre interne 82 qui sert de logement à un organe de distribution'84. La chambre 82 communique radialement avec une entrée 86 pour le fluide et une sortie (non visible sur le dessin) pour le fluide. Cette sortie débouche aussi latéralement à la périphérie du boîtier 12. L'organe de distribution 84 est maintenu en position dans la chambre 82 par l'intermédiaire d'une bague amovible 90 de structure particulière qui comporte des orifices 92 propres à communiquer respectivement avec les orifices 78 du corps 10. L'organe 84 comporte un passage borgne 94 qui est destiné à recevoir un organe d'accouplement 96 monté à l'extrémité 26 de l'arbre moteur. Cet accouplement 96 est réglable ce qui permet de caler exactement la position angulaire de l'organe de distribution 84 par rapport à l'arbre moteur, c'est-à-dire essentiellement par rapport à l'excentrique 18 de ce dernier. L'organe de distribution 84 est muni d'un anneau d'étanchéité 98 qui vient en appui sur une face interne 100 délimitant la chambre 82. L'organe de distribution 84 comporte un certain nombre d'ailettes 102 réparties à sa périphérie. Lorsque l'organe de distribution est entraîné en rotation par l'arbre moteur, il permet de mettre en communication, et de manière séquentielle, une partie des orifices 78 du corps 10 avec l'entrée de fluide et une autre partie des orifices 78 avec la sortie de fluide. Ainsi, lorsque l'arbre moteur est entraîné en rotation, une partie des pistons admet du fluide et une autre partie refoule ce fluide, ce qui permet de réaliser un fonctionnement du type pompe. Toutefois, cette pompe est aussi réversible, cela signifie qu'elle peut fonctionner comme un moteur, par l'intermédiaire du fluide, et provoquer la rotation de l'arbre. Un tel dispositif peut être utilisé avantageusement pour commander le déplacement de fluide entre un vérin hydraulique et un accumulateur de pression, en circuit fermé. Une application préférentielle concerne l'entraînement d'un ascenseur, monte-charge ou analogue. Pour faire monter l'ascenseur, la pompe peut produire les forces nécessaires pour contrôler l'érection du vérin, à partir de la pression disponible dans un accumulateur de pression. Lorsque l'ascenseur descend, il faut rétracter le vérin de façon contrôlée : le fonctionnement inverse de la pompe refoule alors le liquide vers l'accumulateur, sous le contrôle du moteur électrique. Il est important que cela puisse être effectué en présence d'un différentiel de pression défini par des pressions relativement élevées des deux côtés. En outre, il est important que le changement de mode puisse être très rapide, idéalement quasi instantané. L'ascenseur peut être du type enseigné dans le brevet français ? 98 10285 (FR-A-2 773 142). Toutefois, l'invention peut s'appliquer à tous types d'ascenseurs hydrauliques, et plus généralement à de nombreux autres dispositifs où ses avantages sont intéressants. Dans un exemple particulier précis, bien entendu en aucune manière limitatif, les caractéristiques techniques sont les suivantes : Type de construction : Moteur à pistons radiaux Nombre de pistons : 7 Pression continue : 160 bar Pression de pointe : 210 bar Cylindrée : 52 cm3 Rotation maximale : 1200 t/min Couple spécifique : 0, 828 Nm/bar Sens de rotation : droite Le dispositif hydraulique de l'invention est une machine à pistons radiaux spéciale qui peut être utilisée aussi bien en "mode moteur"qu'en"mode pompe". Dans le"mode pompe", une pression supérieure à 10 bar est néanmoins préférable. Un tel dispositif hydraulique trouve une application particulière dans les transmissions hydrauliques pour ascenseurs et monte-charges, comme décrit notamment dans le brevet français précité. Le dispositif offre notamment les avantages suivants : débit de drainage minimal, niveau d'admission de pression acoustique très réduit et auto-aspiration à vitesse de rotation réduite pour les modes annexes. Le distributeur décrit précédemment est fondé sur une technologie rotative usuelle. Le diamètre des canalisations internes est de 10 mm, ceci assure un compromis entre un faible volume mort et de faibles pertes de pression. Ce distributeur est ajusté pour un débit de 100 dm3/min avec une perte de charge d'environ 2 bar. La pression de service prise en compte est la somme de la pression d'entrée et de la pression de sortie, elle ne pourra excéder environ 200 bar dans l'exemple. La particularité de ce distributeur réside dans la construction très spécifique de l'organe de distribution, encore appelé"glace de distribution"qui : a) permet un positionnement angulaire très précis par rapport à l'arbre excentrique grâce à un assemblage rigide démontable b) dispose de rainures de forme adaptée pour une compres- sion et décompression optimales et sans choc hydraulique dans les chambres de pistons. Ces deux points sont essentiels pour la réduction du niveau de bruit du dispositif hydraulique, du type moteur-pompe, objet de l'invention. Avec une pompe de ce genre, on obtient des avantages importants : - selon un aspect de l'invention, une pompe qui accepte une pression élevée, en même temps que des pressions supérieures à la pression atmosphérique à la fois à l'admission et au refoulement ; et selon un autre aspect, encore plus intéressant, de l'invention, une pompe qui accepte une inversion de l'écart de pression (entre aspiration et refoulement) à l'intérieur du même cycle. - à cela s'ajoutent, si on le désire pour chaque, le faible bruit et le faible drain de pompe, ainsi que d'autres avantages décrits. Bien entendu, le mode de réalisation décrit n'est pas limitatif, ni en termes de nombre de pistons, ni de cylindrée, ni de taille, ni en termes de pression de travail, qui peut être portée jusqu'à 200, voire 250 bars. Ces caractéristiques peuvent être adaptées en fonction de la gamme d'ascenseurs ou autres appareils à équiper. On peut avoir par exemple 5,7 ou 9 pistons. Dans ce qui précède, on a fait référence à une application aux ascenseurs, qui est intéressante. Mais l'invention reste néanmoins susceptible d'autres applications. Revendications 1. Dispositif hydraulique du type pompe à pistons, comprenant un corps, un arbre moteur portant un excentrique, des pistons radiaux couplés à l'excentrique et déplaçables en translation dans des chambres de piston respectives formées à l'intérieur du corps, et un distributeur muni d'une entrée de fluide et d'une sortie de fluide et propre à gérer l'admission et le refoulement du fluide dans les chambres de piston, caractérisé en ce que chacun des pistons (48) est entouré d'une chemise (50) de forme générale sphérique réalisée dans un matériau à faible coefficient de frottement et prenant appui sur une bague support (52) à faible coefficient de frottement qui est reçue dans un alésage cylindrique (54) de la chambre de piston. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la chemise (50) comprend un passage axial (66) pour le fluide, qui est entouré par un épaulement annulaire (68) formant appui pour le piston (48). 3. Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'alésage cylindrique (54) logeant la bague support (52) débouche à la périphérie du corps (10) et est fermé par un couvercle amovible (62) qui loge un siège (64) pour une extrémité de la chemise (50) et qui assure le maintien en position de la bague support (52). 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le siège (64) définit une surface d'appui de forme partiellement sphérique. 5. Dispositif selon l'une des revendications 3 et 4, caractérisé en ce que le couvercle (62) comporte un passage interne (73) qui communique d'une part avec la chambre de piston et d'autre part avec un passage oblique (76) qui traverse le corps (10) et débouche sur une face latérale (30) du corps, destinée à recevoir le distributeur (12). 6. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que chacune des pistons (48) comporte une bielle (70) supportée par un patin (72) qui repose sur l'excentrique (18), ledit patin étant réalisé dans un matériau à faible coefficient de frottement. 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que le patin (72) est réalisé en bronze. 8. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'arbre moteur (14) est muni de moyens de roulement (32 ; 34) choisis parmi des paliers lisses et des paliers à rouleaux. 9. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le corps (10) comporte une face latérale (30) qui forme face de montage pour le distributeur (12) et qui s'étend perpendiculairement à l'axe (XX) de l'arbre moteur (14), et dans laquelle débouchent des orifices (78) qui communiquent respectivement avec les chambres de piston (56), et en ce que ces orifices sont situés à égale distance de l'axe (XX) et à des intervalles angulaires égaux. 10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que le distributeur (12) comprend un organe de distribution (84) calé en rotation sur l'arbre moteur () et logé dans une chambre interne (82) qui communique avec une entrée de fluide (86) et une sortie de fluide et qui communique avec les orifices (78) du corps (10) et en ce que cet organe de distribution est conformé pour mettre en communication, de manière successive, une partie des orifices avec l'entrée de fluide et une autre partie des orifices avec la sortie de fluide pour assurer l'admission et le refoulement du fluide par les pistons. 11. Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que des moyens de réglage sont prévus pour permettre un positionnement angulaire précis de l'organe de distribution par rapport à l'excentrique.