Brevet FR3033609A1 — publié le 20160916

Guidage hydrostatique à report de pression La présente invention concerne un principe de conception des guidages hydrostatiques. Elle repose à la fois sur la manière de disposer les alvéoles, et sur la manière 5 de les alimenter. Malgré leur rigidité et leur capacité d'amortissement, les guidages hydrostatiques sont peu utilisés dans les machines outils. Cela parce que leurs modes d'alimentation actuels limitent leur possibilité. 10 La force d'une alvéole est proportionnelle à sa surface : dans le cas de liaisons préchargées, il faut actuellement opposer deux surfaces équivalentes. Dans le cas d'une glissière, la surface des alvéoles vient en concurrence avec la surface utile des ensembles guidés. Les paliers n'ont pas ce problème. Par contre, la vitesse d'une broche est limitée par 15 le freinage hydraulique dans les paliers. C'est le facteur limitant le plus contraignant. Le principe d'alimentation le plus simple est l'alimentation à pression constante. Il repose sur des résistances hydraulique, qui provoquent un échauffement du fluide variable en fonction de la charge. Une modification de comportement du guidage, même infime, limite le niveau de précision des usinages. 20 L'autre principe actuellement connu est l'alimentation à débit constant. Le mécanisme permettant d'assurer un débit constant doit être embarqué sur le sous ensemble qui porte les alvéoles. Au delà du cout, cela pose la question de l'encombrement. La présente invention vise à supprimer ces limites. Elle repose sur le fait que les 25 alvéoles formant la liaison, disposées de telle sorte que leurs efforts s'opposent et s'équilibrent pour maintenir un sous-ensemble en suspension, sont alimentées chacune par un moteur/pompe volumétrique et réversible, et que les rotors de ces moteur/pompes soient tous accouplés mécaniquement. Dans ces conditions, il y a conservation de la puissance hydraulique. L'application 30 d'un effort provoque une augmentation du jeu de fonctionnement des alvéoles ne s'opposant pas à l'effort : nous parlerons d'alvéole « déchargées ». Mais l'accouplement des pompes empêche le débit de ces alvéoles d'augmenter. La pression baisse donc et les pompes 3033609 2 d'alimentation deviennent motrices : elle entraîne les pompes des alvéoles chargées. On a alors un report de la pression depuis les alvéoles déchargées vers les alvéoles chargées. Les pompes, réversibles, n'ont pas à être motorisées. Elles sont entrainées par le passage de l'huile. Par contre le débit et la pression d'alimentation sont liés, ce qui implique 5 un circuit d'alimentation en fluide indéformable en aval des pompes. Cela impose de fixer les pompes sur le sous-ensemble portant les alvéoles. Les problèmes d'encombrements sont résolus en utilisant des pompes à palette comportant plusieurs aspirations et refoulements indépendants, sur le principe des les pompes à palettes « équilibrées ». On a ainsi, dans un corps unique, une multitude de moteur/pompes volumétriques, réversibles, et dont les rotors 10 sont accouplés en rotations. Les caractéristiques et avantages del'invention apparaitront à la lecture de la description détaillée. Nous y avons adjoint des figures dans le but de faciliter la 15 compréhension et fournir des exemples. Ces figures n'ont en aucun cas un caractère limitatif. Chaque graphique est issu des données d'un tableau de données inséré dans la description. La figure 1.1 est un schéma de principe d'une butée hydrostatique à report de 20 pression. Elle sert de support à l'étude de la première partie. Les figures 1.2 et butée symétrique. La figure 1.2 présente les lois de comportement si que l'évolution des débits. La figure 1.3 présente les courbes de raideur. 25 Les figures 1.4 et 1.5 sont issues des données du tableau L2. Le cas d'étude est une butée opposant un nombre variable d'alvéoles de surface égales. La figure 1.4 présente les lois de comportement ainsi que l'évolution des débits. La figure 1.5 présente les courbes de raideur. La figure 1.6 présente les lois de comportement d'une butée opposant un nombre 30 égales d'alvéoles de surface différentes. Les données sont issues du tableau 1.4. Les figures 1.7 et 1.8 sont issues des données du tableau 1.5. Le cas d'étude est une butée symétrique dont les alvéoles d'une face reçoivent un débit différent de ceux en vis-à-vis. sues des données du tableau 1. d'étude est une 3033609 3 La figure 1.7 présente les lois de comportement ainsi que l'évolution des débits. La figure 1.8 présente les courbes de raideur. Les figures 1.9 et 1.10 sont issues des données du tableau 1.6. Le cas d'étude est une butée dont les écoulements en sortie d'alvéole sont différents. La figure 1.9 présente les lois de comportement ainsi que l'évolution des débits. La figure 1.10 présente les courbes de raideur. La figure 1.11 est un schéma de principe de l'installation permettant régler la position de fonctionnement après mise en service. La figure 2.1 est un schéma de principe de la connexion de deux liaisons à report de pression. Elle sert de support à l'étude de la seconde partie. La figure 2.2 est issue des données du tableau 2.1. Elle montre l'effet de la connexion de deux butées à report de pression. La figure 2.3 est issue des données du tableau 2.2. Elle montre l'effet de la mise sous 15 charge d'une butée sur la butée qui lui est connectée. La figure 2.4 est issue des données du tableau 2.3. Elle montre l'effet d'une variation d'alimentation entre liaison connectées. La figure 3.1 est une vue en coupe d'un exemple de pompe à palette à refoulements 20 multiples. La figure 3.2 est un détail de la figure 3.1. La figure 3.3 est une vue en coupe d'un exemple de pompe à palette à refoulements multiples, ou chaque admission alimente plusieurs refoulements. La figure 3.4 est un détail de la figure 3.3. 25 La figure 3.5 est un schéma d'utilisation d'une pompe à palette à refoulement multiples. La figure 3.6 est un schéma d'asservissement du débit. 3033609 1 Étude d'une butée à double effet 1.1 Cadre d'étude 1.1.1 Système étudié Cette partie a pour but de mettre en place les caractéristiques fondamentales des 5 liaisons à report de pression. Nous nous appuyons sur la figure 1.1 qui représente un sous-ensemble guidé par rapport à un autre au moyen d'une butée hydrostatique à double effet. Un repère est lié au sous ensemble guidé, situé à mi hauteur. Un autre est lié au sous ensemble fixe, situé à mi hauteur du logement. 10 Les alvéoles de la face supérieures sont toutes sur le même modèle. Elles sont en nombre variable. De même, les alvéoles de la face inférieure sont toutes sur le même modèle, pas nécessairement celui des alvéoles supérieures. Elles sont également en nombre variable. Chaque alvéole est alimentée indépendamment des autres par une pompe 15 volumétrique réversibles. Les rotors de toutes les pompes sont accouplées en rotation. Les pompes alimentant les alvéoles supérieures sont identiques au niveau du rendement et de la cylindrée. De même pour celles alimentant les alvéoles inférieures. Nous avons inséré un clapet de non-retour en tête de la batterie de pompes. Il suffit à empêcher tout retour du fluide dans toutes les lignes avales. En effet, les pompes sont 20 volumétriques : un retour signifie l'inversion du sens de rotation. Du fait de l'accouplement des pompes en rotation, un seul clapet de non-retour sur l'alimentation centralisée bloque la totalité des lignes. Nous faisons l'hypothèse de l'absence de moment fléchissant : la réaction à la pression des alvéoles supérieures, la réaction à la pression des alvéoles inférieures et les 25 efforts appliqués au sous ensemble guidé sont appliqués sur un même axe vertical. Afin de s'affranchir des effets de bord, nous considérons une butée infiniment longues : les calculs seront faits pour une longueur (L) de butée. Puisque chaque alvéole est alimentée par une pompe, le rendement de ces pompes intervient dans le fonctionnement de la liaison pour réduire le phénomène de report de 3033609 5 pression. Cette donnée est d'autant plus importante que le rendement d'une pompe hydraulique varie en fonction de la pression de refoulement. Cependant, c'est une donnée technologique qui nous est inaccessible : nous avons choisi une valeur réaliste de rendement. - Le rendement varie proportionnellement à la différence de pression entre admission 5 et refoulement - le rendement d'une pompe est de 0,9 lorsque cette différence est nulle - il est de 0,8 lorsque la différence est maximale Au vu de nos hypothèses, nous sommes en présence d'une butée hydrostatique à 10 report de pression : les efforts des alvéoles s'opposent et s'équilibrent, chacune est alimentée par une pompe volumétrique réversible et toutes les pompes sont accouplées en rotation. La cylindrée des pompes implique que toutes les alvéoles supérieures reçoivent le même débit. En l'absence de rotation, elles ont le même jeu de fonctionnement. Puisqu'elle ont les me dimensions, cela fait qu'elles ont la me pression de fonctionnement. De même, les alvéoles inférieures sont alimentées par le même débit et ont la même pression de fonctionnement. 3033609 6 1.1.2 Équations Alvéoles supérieures : Largeur totale : h largeur de seuil : bt 5 Longueur Épaisseur du film d'huile : h cylindrée des pompes : rendement : pression d'alimentation : Débit d'alimentation : Réaction du bâti à la pression des alvéoles : W1 nombre d'alvéoles 10 Alvéoles inférieures : Largeur totale : largeur de seuil : Longueur Épaisseur du film d"huile : 12 cylindrée des pompes : cy2 b2 rendement : pression d'alimentation : P2 h2 Débit d'alimentation : Q2 15 Réaction du bâti à la pression des alvéoles : W2 nombre d'alvéoles n2 Données générales Pression centralisée Vitesse des pompes Effort extérieur Jeu total de guidage : Débit général Viscosité du fluide Position verticale (J hl h2) Ii équilibre mécanique conservation de la puissance PQ=-11 P, (1.2) 3033609 7 conservation du débit Q n1Q1+n2 Q2 (1.3) Charge supportée par 1 butée W sp(x)d,S Soit 14/1=11,13,L(11-b1) et W2=n2P2L('2-b2) (1.4) Vitesse d'écoulement du fluide 5 débit volumique u=-1y(y-h)p-cl 21.1 Q1=2L f(h), soit Q, P, h, L et Q2 P62lahTb,32/, (1.5) Avec (p) la viscosité dynamique du fluide employé. Débit des pompes 10 Soit Position du repère N et Q2=cy2N QI _ (2?_. cy, cy2 h1=112-y et h2=J/2+y (1.7) (1.6) 15 1.1.3 Résolution On commence par exprimer (Q2) en fonction de (Qi) et (P2) en fonction de (P1). On peut alors exprimer (P1) en fonction de (y), grâce à l'équation (1.2). On peut alors déduire (P2). En replaçant dans la relation (1.1), on obtient (F) en fonction de (y). Parallèlement, on a accès aux débits (Q) et (Q2). 20 Loi de comportement de la butée (1.6) dans (1.5) P11113 P2h23 cy,b,- cy2b2 (1.5) 8t (1.6) dans (1.3) h, cy2b2 (1.8) P2= P (1.9) h23cyibi 131h13 L n -cy2) 6p.bi 1 2 cyi (1.5), (1.6), (1.8) 8z (1.9) dans (1.2) 3033609 8 5 2 2 3 (1.10) CY2 112 cy, ,1, i2 F il n2 b2i...y21, (1.11) (1.12) (1.13) cyl L 111 112bi cYi2 H23 111112 bl CY1h23 Pl= P(nicy l+n2cy2) (1.8) 12 ni bi cy12 h23 + n2b2cy22 h13 ri2b2cy2 hi3 dans (1.10) P2 P(ril (y, + n2 cy2) (1.4), bicyl2 h23+ iln2b2cy22 hi3 (1.10) & (1.11) dans (1.1) n, bicylh2: n2b2cy2h13(12-b2) F P L 11112(n, cy, +n2cy2 (1.7) n2 n1 b1 cy12 h 2: +il n2 b2 cy22h13 dans (1.12) 3 3 n1b1cY1(-5.+Y) (1 cY2 -Y) (/2- b2) F=PLY11 Y12 (n1 (Yi ±n2 J 3 n2 n1 bl cy12 (-2+y) + Thn2b2cy22 ( -2 -y) Débit de la butée 10 Le débit est un élément majeur du fonctionnement d'une liaison hydrostatique. Le principe du report de pression repose sur une diminution de débit, ce qui laisse prévoir des problèmes de cavitation et de d'infiltration d'air. (1.10) & (1.7) dans (1.5) 15 Au besoin, (Q) et (Q2) seront déduits de (Q1) au moyen de la relation (1.6) PL( nicy, + 2 CY 2) rlirl2cY1(;'-,Y) ( y) J 3ï 3 112 b1cy12(-+ y) + 1 n2 b2 cy2 2 ('=-- y) 2 2 (1.14) 1.1.4 Convention d'écriture Dans la suite de ce chapitre, nous étudierons l'influence de chaque paramètre en n'en faisant varier qu'un à la fois. Les relations (1.13) et (1.14) se simplifieront. Pour une 3033609 9 meilleure clarté, (F) et (Q t) seront affectés d'un indice rappelant le paramètre étudié. Par exemple, (Fcy) et (Qicy) si on étudie la variation de (cy2) par rapport à (cyl). Les termes fixes de l'équation seront simplifiés : nous poserons systématiquement (F'), avec F' = F/f, « f» désignant le terme non variable de l'équation. 5 Nous ne nous intéresserons qu'à l'évolution du débit, non à sa valeur : nous poserons systématiquement Q' Q1/C, ou (C) remplace le terme fixe et sera fixé arbitrairement en fonction de la lisibilité des graphiques. (Q') et (C) seront affectés du même indice que (Qi). La raideur de la butée sera obtenue par dérivation numérique de la loi de comportement simplifiée « F' ». Elle sera notée (R'), et sera affectée du même indice que 10 (F'). Au vu de leur définition, nous notons que (F'), (Q') et (R') sont sans dimension. 1.2 Oppositions de 2 ensembles d'alvéoles égaux Les alvéoles supérieures et inférieures sont égaux en nombre et en dimension. Les pompes d'alimentations sont toutes de même modèle. 15 On a alors ni = n2 bl b2 11 = 12 cyi cy2 La relation (1.13) se simplifie en : 3 P=2n1 PLI (7+ y) - y) (11-bl) 2Y) 111(-ji-y) 2 F'- n,PL(11- F'= '213 (1.15) 111112 ï 3 T 3 112(:î Y) +111(1'; -y) 20 La relation (1.14) se simplifie en : 3033609 (2' 10 (1.16) 201112(---j+Y)3(+j+Y)3 (1.17) 2PL 2 2 (21-611.,tb, 3 - ) Ti2(-2+Y) +rli J 3J 111112(-2--Y) (î+ J 3 J 3 112(-2+ Y) +111(- Y) 2 Nous souhaitons faire la comparaison avec une butée alimentée à pression constante. On conserve la configuration matérielle en remplaçant les pompes par des résistances 5 hydraulique. On obtient : (1.18) où (K) est la constante de raideur des résistances hydrauliques. Tableau 1.1 R' -3/2 -1,6 0 0 -0,45 -1,6 0,002 0,096 -0,4 -1,596 0,02 0,373 -0,35 -1,585 0,067 0,986 -0,3 -1,557 0,158 2,142 -0,25 -1,499 0,304 4,133 -0,2 -1,391 0,51 7,292 -0,15 -1,207 0,767 11,83 -0,1 -0,918 1,044 17,46 -0,05 -0,509 1,282 22,96 0 O 1,406 25,45 0,05 0,509 1,282 22,96 0,1 0,918 1,044 17,46 0,15 1,207 0,767 11,83 0,2 1,391 0,51 7,292 0,25 1,499 0,304 4,133 0,3 1,557 0,158 2,142 0,35 1,585 0,067 0,986 0,4 1,596 0,02 0,373 0,45 1,6 0,002 0,096 J/2 1,6 0 0 F'( rr--1) R'( q=i) -2 0 -1,999 0,137 -1,995 0,532 -1,978 1,401 -1,938 3,025 -1,857 5,759 -1,708 9,933 -1,46 15,56 -1,086 21,884 -0,584 27,143 0 29,223 0,584 27,143 1,086 21,884 1,46 15,56 1,708 9,933 1,857 5,759 1,938 3,025 1,978 1,401 1,995 0,532 1,999 0,137 2 0 F' (p,--cst) R' (p=cst) -0,833 0 -0,81 1,34 -0,78 1,812 -0,738 2,478 -0,681 3,295 -0,606 4,198 -0,513 5,096 -0,402 5,898 -0,277 6,525 -0,141 6,92 0 7,055 0,141 6,92 0,277 6,525 0,402 5,898 0,513 5,096 0,606 4,198 0,681 3,295 0,738 2,478 0,78 1,812 0,81 1,34 0,833 0 F = K J [1+1 REVENDICATIONS1. Liaison hydrostatique à report de pression, caractérisé en ce que chaque alvéole composant la liaison est alimentée par un moteur/pompe volumétrique et 5 réversible, que toutes les moteur/pompes sont accouplés en rotation et que les alvéoles soient disposées de telle sorte que leurs efforts s'opposent et s'équilibrent afin de guider un sous ensemble par rapport à un autre selon au moins un degré de liberté. 10 2. Liaison hydrostatique selon revendication 1, caractérisée en ce que les alvéoles s'opposant à un déplacement soient plus nombreux que ceux s'opposant au déplacement inverse. 3. Liaison hydrostatique selon revendication 1, caractérisée en ce que les 15 alvéoles s'opposant à un déplacement soient de plus grande surface que ceux s'opposant au déplacement inverse. 4. Liaison hydrostatique selon revendication 1, caractérisée en ce que la position d'équilibre du sous ensemble guidé est modifiée par la modification de la 20 cylindrée des moteur/pompes alimentant les alvéoles s'opposant à déplacement par rapport à la cylindrée des moteur/pompes d'alimentation des alvéoles s'opposant au déplacement inverse. 5. Liaison hydrostatique selon revendication 1, caractérisée en ce que la 25 position d'équilibre du sous ensemble guidé est modifiée par la modification de l'écoulement du fluide à travers les alvéoles s'opposant à déplacement par rapport à l'écoulement du fluide hydraulique à travers les alvéoles s'opposant au déplacement inverse. 30 6. Liaison hydrostatique selon revendication 1, caractérisée en ce que la position d'équilibre du sous ensemble guidé est modifiable après mise en service, au moyen d'au moins un diviseur de débit réglable installé entre une alvéole de la liaison et sa pompe d'alimentation, de sorte à être capable de diminuer le débit d'alimentation en 3033609 42 fluide de cette alvéole. 7. Connexion de liaison hydrostatiques à report de pression selon l'une quelconque des revendication 1 à 6, caractérisée en ce que les moteur/pompes de 5 plusieurs liaisons hydrostatiques à report de pression soient toutes liées en rotation. 8. Connexion de liaison hydrostatiques à report de pression selon revendication 7, caractérisée en ce que la cylindrée des moteur/pompes alimentant les alvéoles d'une liaison est modifiée par rapport à la cylindrée des moteur/pompes 10 alimentant les alvéoles des liaisons qui lui sont connectées. 9. Connexion de liaison hydrostatiques à report de pression selon revendication 7, caractérisée en ce que l'écoulement du fluide hydraulique à travers les alvéoles d'une liaison est modifiée par rapport à l'écoulement du fluide hydraulique à 15 travers les alvéoles des liaisons qui lui sont connectées. 10. Pompe à palette à refoulement multiple selon revendication 11, 12 ou 13, caractérisée en ce qu'elle alimente une ou plusieurs liaisons hydrostatiques à report de pression selon l'une quelconque des revendication 1 à 9. 20 11. Pompe à palette à refoulement multiple selon la revendication 10 caractérisée en ce que la pompe présente deux ou plusieurs orifices de refoulement, et que ces orifices alimentent au moins deux récepteurs hydrauliques. 25 12. Pompe à palette à refoulement multiple selon la revendication 10 ou 11, caractérisée en ce qu'elle présente plus d'orifice de refoulement que d'orifice d'admission. 13. Pompe à palette à refoulement multiple selon revendication 10, 11 ou 12, 30 caractérisée en ce que les multiples débits de refoulement sont régulés en asservissant la vitesse de rotation du rotor, laquelle est pilotée par la pression d'admission.