Brevet FR2924743A1 — publié le 20090612

Domaine de l'invention La présente invention concerne une machine hydrostatique à pistons axiaux comportant un tambour à cylindres monté autour d'un axe de rotation, ayant des cavités à pistons concentriques à l'axe de rotation recevant chacune un piston coulissant longitudinalement. Les pistons sont appuyés sur un chemin de circulation engendrant la course des pistons par l'intermédiaire d'un organe de roulement en forme de galet, et le galet est logé dans une cavité du piston par l'intermédiaire d'un palier lisse, la cavité étant prévue dans la face frontale du piston tournée vers le chemin de roulement et réalisée sous la forme d'un perçage entourant au moins partiellement le galet, notamment sur au moins 180°. Etat de la technique On connaît une machine à pistons axiaux à course multiple du type défini ci-dessus avec un plateau incliné selon le document DE 10 2005 058 323 Al. Dans le cas de telles machines à pistons axiaux, les galets qui appuient les pistons sur le chemin de roulement ou de circulation, avec un piston logé dans une cavité, la cavité du piston entoure le galet à la manière d'une cage et un palier lisse est réalisé entre le piston et le galet. Selon le document DE 10 2005 058 323 Al, il est déjà connu de prévoir un équilibrage hydrostatique au niveau du palier lisse entre le galet et la cavité. Cet équilibrage comporte une poche de pression installée de manière centrale dans la cavité. Cette poche est concentrique à l'axe longitudinal du piston et elle communique avec la chambre de refoulement mise en pression par l'intermédiaire d'un canal de liaison réalisé dans le piston. En fonctionnement lorsque la machine à pistons axiaux tourne à faible vitesse de rotation du galet, il se forme une force d'équilibrage hydrostatique dans la zone de la poche de pression. Cette force d'équilibrage réduit le frottement entre le galet et le piston au niveau du palier lisse. Lorsque la vitesse de rotation des galets augmente, il se forme un coin de lubrifiant hydrodynamique entre le piston et les galets si bien que la pression qui s'établit peut dépasser très rapidement la pression dans la chambre de refoulement. Dans la mesure où la poche de pression se trouve ici dans la zone de l'intervalle minimal entre le galet et la cavité, il peut néanmoins arriver qu'aux vitesses de rotation élevées du galet, du fluide sous pression arrive dans la chambre de refoulement sous l'effet de l'écoulement de traînée à partir de la poche de pression. Cela diminue fortement la montée hydrodynamique en pression et se traduit par une décharge hydrostatique défavorable du palier lisse. Sur le palier lisse entre le piston et le galet, on rencontre alors des pertes par frottement, élevées, qui se traduisent par des contraintes en température élevées pour le io palier lisse. Ces contraintes diminuent fortement la durée de vie de la machine à pistons axiaux. Du fait de cet effet, de telles machines à pistons axiaux peuvent uniquement travailler à des pressions correspondant à la plage des pressions moyennes de l'ordre de 200 à environ 300 bars, en évitant en outre des vitesses de rotation trop 15 élevées. But de l'invention La présente invention a pour but de développer une machine à pistons axiaux permettant d'offrir une plus forte densité de puissance et d'augmenter la durée de vie malgré une mise en oeuvre de 20 moyens réduite. Exposé et avantages de l'invention A cet effet l'invention concerne une machine hydrostatique du type défini ci-dessus, caractérisée en ce que le palier lisse est un palier lisse équilibré hydrostatiquement, et pour 25 l'équilibrage hydrostatique du palier lisse, il est prévu au moins une poche de pression dans la cavité dans la zone d'enveloppement extérieure du galet, écartée de l'axe longitudinal du piston, cette poche communiquant avec une chambre de refoulement réalisée entre le piston et la cavité de piston par un canal de liaison réalisé dans le 30 piston. Selon l'invention, on a une poche de pression de la décharge hydraulique dans la zone enveloppe extérieure pour les galets et ainsi à distance de l'axe longitudinal des pistons. Cela permet d'installer la poche de pression dans la direction périphérique en aval 35 de la zone de contact du galet et de la cavité et ainsi derrière la zone de l'intervalle minimum entre le galet et la cavité. Ces dispositions de la poche de pression en dehors de l'intervalle minimum entre le galet et la cavité, fait qu'aux vitesses de rotation faibles du galet, on a une force d'équilibrage hydrostatique importante réduisant le frottement entre le galet et le piston. Pour des vitesses de rotation élevées du galet, cette disposition de la poche de pression dans la zone enveloppe extérieure du galet en dehors de l'intervalle minimum entre le galet et la cavité, une composante de pression hydrodynamique peut s'établir pratiquement sans rencontrer de difficulté du fait de l'écoulement de traînée et cette composante de pression se traduit par une forte pression hydrodynamique qui produit un équilibrage ou décharge correspondante du galet. Aux vitesses de rotation élevées du galet, cela permet d'atteindre une décharge hydrostatique suffisante. Au niveau du palier lisse, on rencontre ainsi également les faibles pertes de frottement aux vitesses de rotation élevées, se traduisant par des contraintes en température faibles appliquées au palier lisse. Globalement, la machine à pistons axiaux selon l'invention peut fonctionner à une vitesse de rotation plus élevée et à des pressions plus élevées de sorte que la machine à pistons axiaux selon l'invention permet d'avoir une plus forte densité de puissance et un meilleur rendement et en outre une durée de vie plus élevée à cause de la faible sollicitation en température du palier lisse. Selon un mode de réalisation préférentiel de l'invention, la cavité comporte deux parties de segment et à chaque partie de segment est associée au moins une poche de pression. Une telle disposition de deux boutons-poussoirs permet de garantir de façon simple une décharge hydrostatique du galet à la fois aux vitesses de rotation faibles et aussi aux vitesses de rotation élevées. Il est particulièrement avantageux que la poche de pression soit réalisée selon l'invention comme dégagement en rainure parallèle à l'axe de rotation du galet. Une telle poche de pression peut être réalisée de manière simple dans la cavité dans la zone enveloppe extérieure. Selon un développement préférentiel de l'invention, la 35 poche de pression communique avec une installation d'étranglement. Par une installation d'étranglement réalisée spécialement comme diaphragme ou comme organe d'étranglement, on peut diminuer de façon simple le courant d'huile de fuite entre la cavité ou poche de pression et le galet, même pour un intervalle qui augmente de dimension entre la poche de pression et le galet. Lorsque les directions d'action de la force de contact changent entre le galet et la trajectoire, il en résulte que la force hydrostatique de décharge en direction de la surface d'appui du galet dans la cavité, permet d'agir contre le déplacement du galet dans la cavité et qui est lié à la force de contact et ainsi diminuer le courant d'huile de fuite dans la cavité ou poche de pression. Selon un mode de réalisation de l'invention, l'installation d'étranglement peut être prévue dans le canal de liaison. Cela se traduit par un travail de construction réduit pour placer l'installation d'étranglement. Il est particulièrement avantageux que le canal de liaison communique avec la surface enveloppe du piston par l'intermédiaire d'un orifice de liaison notamment d'un perçage radial. L'installation d'étranglement est dans ce cas formée par l'intervalle d'étanchéité entre le piston et la cavité du piston. Grâce au mouvement axial du piston dans la cavité du piston, on évite l'arrivée de particules de saleté venant de l'installation d'étranglement si bien que cette installation d'étranglement est très peu sensible à la saleté malgré sa faible section. Selon un développement avantageux de l'invention, le piston est un piston étagé ayant une première partie munie de la cavité recevant le galet et d'une seconde partie de piston à surface de section plus petite et qui est sollicitée hydrauliquement. Cela permet de diminuer la surface de la section sollicitée hydrauliquement de la seconde partie de piston par rapport à la surface de palier lisse ; on réalise une décharge hydrostatique complète du palier lisse et ainsi on peut faire fonctionner la machine à pistons axiaux avec des pressions plus élevées. Le problème est en outre résolu en ce que le galet et/ou la cavité du piston et/ ou le chemin de circulation sont munis d'une couche de matière dure. En revêtant la cavité et/ou le piston d'une couche de matière dure, on peut également diminuer le frottement sur le palier lisse entre la cavité du piston et les galets. Il en résulte une sollicitation en température, réduite du palier lisse pendant le fonctionnement de la machine à pistons axiaux selon l'invention. En outre, comme le palier lisse est muni d'un revêtement, on réalise de façon simple une paire de matériaux résistant à la température dans la zone du palier lisse ; par opposition à un palier lisse de l'état de la technique qui est en un matériau composite métal-matière plastique, cette paire présente une tenue en température plus élevée. Le io revêtement de matière dure du palier lisse permet ainsi de faire fonctionner la machine à pistons axiaux de manière simple avec des pressions et des vitesses de rotation plus élevées ce qui aboutit simplement à une plus forte densité de puissance ; comme la tenue à la température du palier lisse, revêtu, est plus élevée, on aura une durée 15 de vie plus importante. Si l'on revêt le chemin de roulement avec une couche de matière dure, on diminue d'autant le frottement et l'usure entre le galet et le chemin de circulation. De façon avantageuse, la couche de matière dure est constituée par une matière contenant du carbone dont le frottement est 20 faible. Une telle matière présente des propriétés tribologiques avantageuses ainsi qu'un faible frottement et une résistance élevée à l'usure. Selon un mode de réalisation préférentiel de l'invention, la couche de matière dure est formée d'une combinaison chrome- 25 nitrure. Une combinaison chrome-nitrure présente une excellente tenue et un faible coefficient de friction si bien que le palier lisse ainsi revêtu présente une résistance à l'usure, élevée et un faible frottement. Selon un autre mode de réalisation préférentiel de l'invention, la couche de matière dure est constituée par une 30 combinaison chrome-carbure. Une liaison chrome-carbure présente également une résistance d'accrochage élevée et un faible frottement. Pour le revêtement avec cette matière, on réalise également un palier lisse ayant une tenue à l'usure, élevée ou un faible frottement et cela de manière simple. De façon intéressante, la couche de matière dure a une épaisseur de l'ordre de 1 �m jusqu'à 15 �m. Des avantages particuliers résultent d'une couche de matière dure fabriquée par un procédé de revêtement à base de vide notamment un procédé PVD (dépôt physique en phase vapeur). Un procédé PVD, permet d'appliquer une couche mince de matière dure de façon simple sur le galet et/ou la cavité en forme de demi-cercle. Il est particulièrement avantageux d'utiliser la combinaison de l'équilibrage hydrostatique du palier lisse en liaison avec un palier lisse muni d'une couche de matière dure. On cherche à faire une paire de matériaux résistant à la température dans la zone du palier lisse entre le galet et la cavité, avec un palier lisse ayant un faible frottement et une forte tenue à l'usure, et pouvant fonctionner à des vitesses de rotation élevées et être soumis à des pressions importantes ; ainsi, avec des moyens constructifs réduits, on réalise une machine à pistons axiaux selon l'invention ayant une forte densité de puissance et une durée de vie élevée. La machine à pistons axiaux selon l'invention peut être une machine à plateau incliné ayant un tambour à cylindres tournant en rotation autour de l'axe de rotation ou encore une machine à plateau en nutation avec un chemin de circulation tournant autour de l'axe de rotation. Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide d'exemples de réalisation représentés dans les dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une coupe longitudinale d'une machine à pistons axiaux selon l'invention, - la figure 2 est une vue à échelle agrandie d'un piston d'une machine à pistons axiaux selon l'invention, - la figure 3 est une coupe selon la ligne A-A de la figure 2, - la figure 4 est une coupe selon la ligne B-B de la figure 2, - la figure 5 montre un piston selon la figure 1 avec indications des forces exercées pendant le fonctionnement, - la figure 6 montre un autre développement de l'invention représenté comme à la figure 5, - la figure 7 montre un second développement de l'invention, - la figure 8 montre un troisième développement de l'invention. Description de modes de réalisation La figure 1 montre un exemple de machine hydrostatique à pistons axiaux 1 réalisée sous la forme d'une machine à plateau incliné, représentée en coupe longitudinale. La machine à pistons axiaux 1 comporte un tambour à cylindres 2 monté à rotation autour d'un axe de rotation D et comportant plusieurs cavités à pistons 3 réparties concentriquement autour d'un axe de rotation D. Chacune des cavités reçoit un piston 4 coulissant longitudinalement. Les pistons 4 s'appuient chacun par l'intermédiaire d'un organe de roulement en forme de galet 5 sur un chemin de circulation ou de roulement 6 solidaire du boîtier et réalisé sous la forme d'un disque de soulèvement ou plateau ; un palier lisse 7 est réalisé entre chaque piston 4 et le galet 5. Le tambour à cylindres 2 s'appuie dans la direction axiale contre une surface de commande 7 solidaire du boîtier. Cette surface de commande (ou glace) comporte des fentes de commande en forme de rognons constituant un branchement d'entrée 10 et un branchement de sortie 11 de la machine à piston axiaux 1. Le tambour à cylindres 2 est muni d'un canal de liaison 12 associé à chaque cavité de piston 3. Pendant la rotation du tambour à cylindres 2, chaque canal de liaison permet la communication de la chambre de refoulement 9 formée par la cavité de piston 3 et le piston avec le branchement d'entrée 10 et avec le branchement de sortie 11. Le tambour à cylindres 2 est en outre relié solidairement en rotation à un arbre d'entraînement 13 concentrique à l'axe de rotation D, par exemple par l'intermédiaire d'une denture 14. Le tambour à cylindres 2 est sollicité en direction de la surface de commande 7 par un ressort 15. Les pistons 4 comporte une cavité 16 dans leur face frontale tournée vers le chemin de circulation 6. Cette cavité reçoit le galet 5. La cavité 16 est réalisée sous la forme d'une cavité en demi-cercle, comme un perçage perpendiculaire à l'axe longitudinal K du piston. Cette cavité est telle que le galet 5 (voir figure 2) est chevauché par deux segments de côté 16a, 16b de la cavité 16 du piston 4 chevauchant respectivement le plan équatorial du galet pour un montage à rotation autour de l'axe de rotation R. La cavité 16 entoure ainsi le galet 5 sur au moins 180°. Selon l'invention, le palier lisse 7 formé entre la cavité 16 et le galet est muni d'un moyen d'équilibrage hydrostatique. Pour l'équilibrage hydrostatique, les segments latéraux 16a, 16b de la cavité 16 (comme cela apparaît aux figures 2-4) comportent chacun une poche de pression 20a, 20b. Ces poches de pression sont prévues dans la zone enveloppe extérieure du galet 4 de façon écartée par rapport à l'axe longitudinal K du piston. Les poches de pression 20a, 20b sont constituées par des dégagements en forme de rainures 21a, 21b parallèles à l'axe de rotation R du galet 5 dans les segments de côté 16a, 16b correspondants de la cavité 16. Les poches de pression 20a, 20b sont ainsi chacune en liaison par l'intermédiaire d'un canal de liaison 22a, 22b en forme de perçage, avec la face frontale droite du piston 4 selon les figures 3 et 4 et ainsi avec la chambre de refoulement 9 de la machine à pistons axiaux 1. La figure 2 montre les efforts qui s'établissent (force d'équilibrage Fe et force d'appui FI) pour une force de contact F. agissant dans la direction de l'axe longitudinal K du piston entre le galet 5 et le chemin de circulation 6. Grâce à la disposition des deux poches de pression 20a, 20b dans la zone enveloppe extérieure du galet 5, notamment lorsque le galet 5 est immobile ou tourne lentement, on a une force d'équilibrage hydrostatique assurant l'équilibrage du galet 5. Cette disposition des poches de pression 20a, 20b permet de plus, de façon ciblée, que pour un galet tournant rapidement, l'écoulement de traînée, forme un coin hydrostatique de pression qui reste pratiquement intact et qui permet un équilibrage hydrodynamique correspondant du galet 5. Les deux poches de pression 20a, 20b, réalisent ainsi un équilibrage hydrostatique et lorsque le galet 5 tourne, l'équilibrage hydrodynamique créé par l'écoulement de traînée donne une force d'équilibrage Fe ayant une composante hydrostatique et une composante hydrodynamique. La ligne d'action de ces composantes correspond à la ligne d'action de la force de contact F. et à la ligne d'action de la force d'application FI produite dans la zone de contact entre le galet 5 et la cavité 16. Dans la mesure où la force de contact F. change le long du chemin de circulation pendant le mouvement du galet 5, on aura les forces représentées à la figure 5. La force de contact F. se déplace ainsi vers un côté de l'axe longitudinal K du piston, par exemple vers le segment latéral 16a de sorte que le galet 5 sera poussé vers le bas dans la cavité, selon la figure 5. La zone de contact du galet 5 et de la cavité 16, zone soumise à la force d'application Fi, se déplace ainsi de manière plus que proportionnelle vers le côté opposé de l'axe longitudinal K du piston, par exemple en direction du segment latéral 16b. La poche de pression 20b est ainsi dans la zone de contact du galet 5 et de la cavité 16, c'est-à-dire dans la direction périphérique, derrière la zone correspondant à l'intervalle minimum entre le galet 5 et la cavité 16 si bien que l'écoulement de traînée lorsque le galet 5 tourne, développe un coin de pression, hydrodynamique qui ne sera pas perturbé. La poche de pression 20a de même que la poche de pression 20b sont sollicitées ici principalement par des pressions identiques de sorte que la force d'équilibrage Fe s'applique toujours dans la direction de l'axe longitudinal K du piston. Il en résulte un intervalle plus grand entre le segment de côté 16a et le galet 5 dans la zone de la poche de pression 20a. Cet intervalle augmenté se traduit par une augmentation des courants de fuite d'huile Qi de la poche de pression 20a. Selon le développement de la figure 6, les canaux de liaison 22a, 22b sont équipés chacun d'une installation d'étranglement 25a, 25b par exemple un organe d'étranglement ou un diaphragme. La chute de pression produite dans les installations d'étranglement 25a, 25b fait chuter la pression dans les poches de pression 20a, 20b qui, pour une position correspondante de la force de contact F. réaliseront l'intervalle le plus grand par rapport au galet 5. Il en résulte selon la figure 6, que la poche de pression 20b sera soumise à une pression supérieure à celle de la poche de pression 20a si bien que la force de décharge Fe se déplace dans la direction de la force d'application FI et s'oppose ainsi au déplacement du galet 5. Il en résulte une diminution de l'intervalle entre le galet 5 et la poche de pression 20a, et ainsi une diminution du courant de fuite d'huile QI au niveau de la poche de pression 20a. Selon la figure 7, un perçage radial 26a, 26b respectif prévu dans le piston 4 est issu du canal de liaison 22a, 22b. Ce perçage radial forme une ouverture de liaison 27a, 27b dans la surface enveloppe du cône 4. Ainsi, l'intervalle entre le piston 4 et la cavité de piston 3 constitue une installation d'étranglement 25a, 25b associée à chacune des poches de pression 20a, 20b. Du fait du mouvement axial du piston 4 dans la cavité à piston 3 en fonctionnement de la machine à pistions axiaux 1, on a ainsi une installation d'étranglement 25a, 25b très peu sensible à la saleté. La figure 8, montre un piston 4 réalisé sous la forme d'un piston étagé ayant une première partie de piston 4a munie de la cavité 16 recevant le galet 5 et une seconde partie de piston 4b munie de la chambre de refoulement 9 et sollicitée hydrauliquement. La seconde partie de piston 4b a une surface de section plus petite que celle de la première partie de piston 4a si bien qu'au niveau du palier lisse 17 entre le piston 4 et le galet 5, comme la surface du piston 4 soumise à la pression est plus faible que la surface du palier lisse, on réalise un plus fort équilibrage hydrostatique. Dans le cas d'un tel piston étagé, on peut équilibrer totalement le palier lisse 17 si bien que les pertes par frottement entre le galet 5 et la cavité 16 du piston 4 diminueront d'autant et le moteur à piston axial pourra fonctionner avec une pression plus élevée. De plus, selon l'invention, le galet 5 et/ou la cavité 16 peuvent recevoir une couche de matière dure sous la forme d'une couche mince, par exemple une couche de chrome-nitrure ou une couche de chrome-carbure d'une épaisseur de 1 �m jusqu'à 15 �m obtenue notamment par un dépôt à la vapeur (procédé PVD). Il est possible de ne revêtir que le galet 5 ou que la cavité 16. On peut toutefois revêtir à la fois le galet 5 et la cavité 16. De plus, le chemin de circulation 16 peut recevoir une couche de matière dure sous la forme d'une couche mince. Le galet 5 peut être réalisé sous la forme d'un galet 5 cylindrique. Il est également possible de donner au galet 5 une forme de tonneau. La machine à pistons axiaux selon l'invention peut être une machine à une course ou à plusieurs course. io REVENDICATIONS 1 °) Machine hydrostatique à pistons axiaux comportant un tambour à cylindres monté autour d'un axe de rotation, ayant des cavités à pistons concentriques à l'axe de rotation recevant chacune un piston coulissant longitudinalement, les pistons sont appuyés sur un chemin de circulation engendrant la course des pistons par l'intermédiaire d'un organe de roulement en forme de galet, et le galet est logé dans une cavité du piston par l'intermédiaire d'un palier lisse, la cavité étant prévue dans la face frontale du piston tournée vers le chemin de roulement et la cavité est réalisée sous la forme d'un perçage entourant au moins partiellement le galet, notamment sur au moins 180°, caractérisée en ce que le palier lisse (17) est un palier lisse équilibré hydrostatiquement, et pour l'équilibrage hydrostatique du palier lisse (17), il est prévu au moins une poche de pression (20a ; 20b) dans la cavité (16) dans la zone d'enveloppement extérieure du galet (5), écartée de l'axe longitudinal (K) du piston, cette poche communiquant avec une chambre de refoulement (9) réalisée entre le piston (4) et la cavité de piston (3) par un canal de liaison (22a ; 22b) réalisé dans le piston (4). 2°) Machine hydrostatique à pistons axiaux selon la revendication 1, caractérisée en ce que la cavité (16) comporte deux segments latéraux (16a, 16b) et au moins une poche de pression (20a ; 20b) est réalisée dans chaque segment latéral (16a, 16b). 3°) Machine hydrostatique à pistons axiaux selon la revendication 30 1 ou 2, caractérisée en ce que la poche de pression (20a ; 20b) est réalisée comme un dégagement (21a ; 21b) en forme de rainure parallèle à l'axe de rotation (R) du galet (5). 354°) Machine hydrostatique à pistons axiaux selon la revendication 1, caractérisée en ce que la poche de pression (20a ; 20b) communique avec une installation d'étranglement (25a ; 25b). 5°) Machine hydrostatique à pistons axiaux selon la revendication 4, caractérisée en ce que l'installation d'étranglement (25a ; 25b) est prévue dans le canal de liaison (22a ; 22b). 10 6°) Machine hydrostatique à pistons axiaux selon la revendication 4, caractérisée en ce que le canal de liaison (22a ; 22b) communique avec la surface enveloppe du piston (4) par un orifice de liaison (27a ; 27b) notamment un perçage 15 radial (26a ; 26b). 7°) Machine hydrostatique à pistons axiaux selon la revendication 1, caractérisée en ce que le piston (4) est un piston étagé ayant une première partie de piston (4a) 20 munie d'une cavité (16) pour recevoir le galet (5), et une seconde partie de piston (4b), dont la surface de section plus petite est sollicitée hydrauliquement. 8°) Machine hydrostatique à pistons axiaux selon la revendication 1, 25 caractérisée en ce que le galet (5) et/ou la cavité (16) du piston (4) et/ou le chemin de circulation (6) sont munis d'une couche de matière dure. 9°) Machine hydrostatique à pistons axiaux selon la revendication 8, 30 caractérisée en ce que la couche de matière dure est constituée par une matière à faible frottement. 10°) Machine hydrostatique à pistons axiaux selon la revendication 8, 35 caractérisée en ce que5la couche de matière dure est une combinaison de chrome-nitrure. 11 °) Machine hydrostatique à pistons axiaux selon la revendication 8, caractérisée en ce que la couche de matière dure est une combinaison de chrome-carbure. 12°) Machine hydrostatique à pistons axiaux selon les revendications 8 à 11, caractérisée en ce que la couche de matière dure a une épaisseur de l'ordre de 1 �m jusqu'à 15 pm. 13°) Machine hydrostatique à pistons axiaux selon les revendications 8 à 10, caractérisée en ce que la couche de matière dure est appliquée par un procédé de revêtement sous vide notamment un procédé de dépôt en phase vapeur (procédé PVD). 14°) Machine hydrostatique à pistons axiaux selon la revendication 1, caractérisée en ce qu' elle est constituée par une machine à plateau incliné. 15°) Machine hydrostatique à pistons axiaux selon la revendication 1, caractérisée en ce qu' elle est réalisée sous la forme d'une machine à disque en nutation.30