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"Piston pour machines actionnées par un fluide hydraulique"
La présente invention concerne un piston pour une machine fonctionnant comme pompe à liquide ou comme moteur hydraulique du genre dans lequel le
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piston s'appuie et glisse, par son extrémité opposée à la chambre du cylindre, sur une surface destinée à recevoir les poussées du piston, ce dernier pouvant exé- cuter par rapport à cette surface un mouvement de va- et-vient transversal par rapport à l'axe du piston.
Pour les surfaces de glissement d'éléments d' une machine coulissant les uns sur les autres, il est connu de maintenir ces surfaces à une certaine distance les unes des autres, et à réduire ainsi fortement le frottement, à l'aide d'une chumbre de pression prati- quée dans l'une des surfaces, et dans laquelle on fait arriver un fluide sous pression liquide ou gazeux, à travers un orifice d'étranglement.
L'utilisation de chambres de pression en commu- niqation avec la chambre du cylindre est également con- nue pour les pistons du genre précité. Mais cet agence- ment présente certaines difficultés en ce sens qu'à la pression du liquide peuvent s'ajouter d'autres pous- sées agissant sur le piston et duns le sens de l'uxe, par exemple des poussées provenant de l'accélération ou de la force centrifuge, qu'il est possible de com- penser pendant la course de compression, mais non pas pendant la course d'aspiration, par le moyen simple constitué par la chambre de pression pratiquée dans
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avec le cylindre, ne reçoivent aucun fluide sous pres- sion pendant la course d'aspiration.
A l'aide d'une pompe spéciale refoulant en permanence du liquide, il seraitpossible de maintenir la pression duns les chambres de pression, même pendant la course d'aspira- tion, mais il en résulterait une construction compli- quée et une main-d'oeuvre supplémentaire. D'autre part, lorsque la machine à piston tourne à vide ou avec une faible puissance, la pression à l'inbérieur de la chambre du cylindre devient insuffisante même pendant la course de refoulement de sorte que les parties des surfaces de glissement se raccordant extérieurement aux chambres sont appliquées l'une sur l'autre par les poussées supplémentaires, et pro- duisent un frottement plus élevé, et éventuellement même un grippage ou uno naure.
On obtient également un frottement plus impor- tant et un grippage éventuel des surfaces de glisse- ment lorsque l'orifice d'étranglement est obstrué par des corps étrangers qui empêchent ou freinent l'arri- vée du fluide dans la chambre de pression.
On peut réduire ces difficultés en augmentant les dimensions des surfaces d'appui supplémentaires se raccordant aux chambres de pression de la tête du piston, mais il en résulte que la tête des pistons reçoit un diamètre très supérieur à celui du corps
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de piston coulissant dans le cylindre, ce qui rend plus difficile le montage des pistons. Cette tête de piston encombrante n'est pas souhaitable lorsqu'il s'agit de machines à piston de dimensions réduites.
De plus, le grand diamètre de la tête de piston rend difficile son application avec un faible jeu aux sur-
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fuooa d' pplmj , ot uno f-'.rnHHR tÂto prc)(l\1j ciras PO\1:JfJ8S0 de masse proportionnelles, plus particulièrement lors- que le piston fonctionne dans des cylindres en étoile montés à rotation.
Suivant la présente invention, on peut éviter ces difficultés et ces inconvénients en ménageant des surfaces d'appui supplémentaires à l'intérieur des chambres de pression. Les essais ont montré que, mal- gré cet agencement de surfaces d'appui supplémen- taires, l'effet des chambres de pression sur la réduc- tion du frottement est pleinement maintenu. Outre la réduction du poids de l'ensemble du piston, cet agen- cement présente également l'avantage que, pendant la période de refoulement, la haute pression de l'huile est transmise presque instantanément au moins à la totalité de la pellicule de graissage sur les sur- faces d'appui supplémentaires, prévues à l'intérieur des chambres de pression, de sorte que cette pelli- cule de graissage est moins rapidement refoulée de ces surfaces pendant la période d'aspiration.
Lors-
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que la machine à piston fonctionne de telle manière qu'il règne encore une certaine pression dans la chambre d'aspiration, par exemple de 2 à 5 kg/cm2, même pendant la période d'aspiration, il en résulte l'avantage que les surfaces supplémentaires sont graissées par de l'huile sous pression même pendant la marche à vide, ce qui est moins facilement possi- ble lorsque les surfaces d'appui sont prévues à l' extérieur des chambres de pression. Cet agencement réduit également le risqua du grippage des surfaces de glissement lorsque l'orifice d'étranglement est obstrué.
Le dessin annexé à titre d'exemple représente des modes de réalisation de l'objet de l'invention.
La fig. 1 est une vue en coupe suivant la lig- ne 1-1 de la fig. 2 d'une machine à pistons à trois cylindres en étoile.
La fig. 2 est une vue en coupe transversale correspondante suivant la ligne II-II de la fig. 1.
La fig. 3 est une vue en coupe longitudinale partielle (à plus grande échelle) d'un piston.
La fig. 4 est une vue de face de la tête du piston de la fig. 3, prise dans la direction de la flèche A.
La fig. 5 montre une variante du piston.
La fig. 6 est une vue de face de la tête du
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piston de la fig. 5, prise dans la direction de la flèche B.
Dans la machine à pistons à trois cylindres que montrent les fig. 1 et 2,. et qui peut fonctionner comme pompe ou comme moteur, le bloc 3 des cylindres, qui comporte trois cylindres disposés eu étoile, est monté à rotation sur le tourillon distributeur 2 so- lidaire du carter 1. D'autre part, le rotor 5 est monté à rotation à l'intérieur du carter, en 6 et 7, autour d'un axe décentré par rapport à l'axe 2a du tourillon 2. Ce rotor est accouplé au bloc 3 par un organe d'entraînement 9, qui se présente sous la forme d'un dispositif d'accouplement à coulisses en croix ou à articulation universelle. L'agencement est tel que le bloc des cylindres et le rotor tour- nant toujours avec un même nombre de tours-minute.
Le pourtour intérieur du rotor 5, qui peut être ac- tionné par l'arbre 10 lorsque la machine doit faire
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distributeur fixe 2 sont pratiqués les canaux 4, destinés à l'adduction et à l'évacuation du fluide hydraulique. Celui-ci peut circuler par exemple dans le sens des flèches indiquées sur la fi. 2.
Les cylindres placés au-dessus du plan médian hori- zontal du tourillon 2 communiquent avec le canal 4 supérieur, tandis que les cylindres placés au-des- sous du plan médian horizontal communiquent avec le canal 4 inférieur. La cloison 8 assure la sépa- ration entre la chambre d'aspiration et la chambre de refoulement de la machine.
L'agencement du piston 12, qui fait corps avec la tête 15, est indiqué à grande échelle sur les figi 3 et 4. Dans la face de la tête 15, qui est appliquée contre la plaque 11, est pratiquée une chambre de pression 16 de faible profondeur, dont les cavités sont hachurées sur la fig. 4. Cette chambre communique avec la chambre 19 du cylindre et reçoit du fluide hydraulique par un canal 20 et un orifice d'étranglement 21 pratiqués dans le piston.
Elle est limitée extérieurement par une surface annu- laire étroite 23. Elle présente intérieurement des surfaces d'appui supplémentaires qui se présentent sous la forme de six secteurs 24 remplissant la chambre de pression 16 de façon à former six rai- nures radiales 23, un évidement central 26 et une
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rainure circulaire 29. A l'extérieur de la chambre de pression est prévue une surface d'appui supplé- mentaire annulaire 14, qui est séparée de la chambre 16 par une rainure annulaire 17.
Le fluide hydraulique, que contient la cham- bre de pression 16 ou la rainure 29, passe par la fente étroite entre la surface annulaire 23 et la plaque 11 pour pénétrer dans la rainure annulaire 17, d'où il peut s'échapper librement vers l'exté- rieur par les rainures 18. Dans ce cas, la pression de la chambre ne peut être transmise à la fente en-
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Sur le piston agit, dans le sens venant de la chambre du cylindre, la pression hydraulique qui est exercée sur la face 22, d'une étendue égale à FK. Sur ce piston agit également une poussée supplé- mentaire C qui, dans l'agencement de la machine que montre la fig. 1, est une poussée centrifuge radiale produite par le piston. Entre la tête 15du piston et la plaque 11, la pellicule de graissage doit avoir une épaisseur de 0,01 mm environ par exemple, pour assurer le frottement hydraulique et pour réduire ainsi au minimum le frottement proprement dit.
A cet effet, et pour une pression hydraulique p régnant à l'intérieur de la chambre 16, la somme des poussées
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hydrauliques, ayant tendance à écarter la tête 15 de la plaque 11, doit être égale à la somme des poussées ayant tendance à appliquer la tête du piston.
Le liquide de la chambre 16 s'écoule alors à travers la fente entre les surfaces 11 et 23, de sorte que la pression P1 de cette chambre est inférieure à la pression p à l'intérieur du cylindre, à cause de l'étranglement du conduit d'arrivée en 21. Si l'éten- due intégrale de la section circulaire de la chambre 16, à l'intérieur de la surface annulaire 23, est égale à F1, et si l'étendue de la surface annulaire 23 est égale à F2@ on doit obtenir :
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Dans cette formule, la surface F2 n'est multipliée que par la moitié de la pression de la chambre, étant donné que la pression au droit de la surface 23 dé- croit de l'intérieur vers l'extérieur à peu près linéairement de P1 jusqu'à zéro. Lorsque p devient égal à p, l'écoulement de l'huile de la pellicule de graissage cesse, et il se produit un frottement semi-hydraulique.
En divisant par p, on obtient alors la formule suivante :
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Pour obtenir un frottement hydraulique à lu pression correspondant à la marche à pleine puissance, il est donc nécessaire que la somme de la section de la chambre et de la moitié de la surface extérieure, soit supérieure à la somme de la section du piston et du quotient résultant de la poussée supplémen- taire et de la pression à pleine puissance. Mais il est avantageux de prévoir l'agencement tel que ce rapport soit obtenu à uno pression inférieure à celle de la pleine puissance, pour la poussée supplémen- taire C maximum se présentant dans la zone de fonc- tionnement la plus utilisée de la machine.
La surface de compensation de la chambre étant proportionnée de cette manière, la tête du piston est légèrement écartée de la plaque pendant la course de refoulement, et l' huile arrive on abondance antre la plaque de glissement 11 et les surfaces de glisse- ment 23 et 24, mais elle arrive en une quantité plus réduite sur la surface 14. Pendant la course d'aspi- ration, la compensation n'intervient plus dans la chambre 16, et les surfaces 23,24, 14 précitées re- çoivent ion poussées supplémentaires C qui n'on pas été compensées.
L'huile est alors refoulée entre les surfaces d'appui 23,24 et 14 et la couche d' huile devient un peu plus mince jusqu'au moment où la pression recommence à augmenter dans la chambre
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16, sous l'action de la course de refoulement sui-
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vunbo. Do ooLLo iiiulilùru, le ljl'UJ::JUdgO :3ul'ri::ul1L des surfaces de la tête de piston est assuré pendant toute la période de travail du piston.
Pour l'obtention d'un graissage suffisant des surfaces de la tête de piston, même lorsque la machine fonctionne à faible charge, et lorsque la pression du fluide de travail est réduite, on prévoit avantageuse- ment une pompe spéciale qui maintient également lo conduit d'aspiration de la machine à pistons sous une faible pression de 2 à 5 kg/cm2 par exemple. Bien entendu, pour la tête de piston, on doit s'accommoder d'un frottement supérieur à celui qui se présente lorsque la machine fournit une puissance plus élevée.
Si la poussée supplémentaire C n'atteint qu'exception- nellement son maximum, on peut prévoir pour les sur- faces F1 et F2des proportions plus réduites que cel- les résultant de la règle précitée.
Des rebords 27 qui font corps avec le rotor 5, et qui s'engagent derrière les têtes 15, empêchent que ces têtes soient trop écartées des plaques 11. La rainure 17 peut être supprimée. Dans ce cas, le dia- mètre extérieur de la tête 15, et éventuellement celui de la chambre 16, peuvent être choisis un peu plus pe- tits, étant donné que la surface 14 favorise'alors 1' action de la chambre de pression 16. Mais, lorsque la
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pression à l'intérieur de la chambre est annulée, la surface d'appui extérieure 14 est moins bien graissée par le bain d'huile que contient le rotor à l'exté- rieur du piston, quoique ce bain soit toujours présent.
Les fig. 5 et 6 montrent plus clairement 1' agencement du piston 13. Cet agencement se distingue de celui qui vient d'être décrit, non seulement par la cale en portion de sphère 28 interposée entre le piston et la plaque de glissement 11, mais également par le fait que la tête de piston plus longue est guidée dans le cylindre, et par cet autre fait qu' aucune surface d'appui supplémentaire n'est prévue à l'extérieur de la surface annulaire 23. La cale en portion de sphère permet de compenser les petites déviations de l'axe du piston par rapport à un axe partant perpendiculairement de la plaque 11.Son siège sphérique pratiqué dans le piston peut être tout au moins partiellement déchargé par une cham- bre de pression 31.
Dans cette cale est pratiqué un canal 30 qui assure la communication entre la chambre de pression 16 et le canal adducteur d'huile 20,21 aboutissant à la chambre 19 du cylindre.
La tête élargie 32 du piston est guidée sur toute la longueur de la course du piston par un guide 33 solidaire du cylindre 3 et d'un diamètre plus grand.
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guide s'approche jusqu'à une faible distance de la plaque de glissement 11, de la manière indiquée en pointillé sur le dessin.
Pour assurer l'action de la chambre de pres- sion 16, la rainure annulaire 29 recevant l'huile sous pression de l'intérieur par les rainures radiales 25 doit s'étendre sur au moins 80 % du pourtour. Dans certaines conditions il est avantageux de subdiviser par de petites rainures les surfaces d'appui supplé- mentaires 24, en forme de secteurs, pour faciliter la pénétration du liquide sous pression entre ces surfaces d'appui et les plaques 11.
Pour améliorer la résistance à la compression de la pellicule de graissage au centre de la chambre de pression, on peut arrêter les rainures radiales
25 à une certaine distance du centre, de la manière indiquée sur le côté droit de la fig. 6, ces rainures recevant alors l'huile de la chambre 31 par plusieurs canaux 36. Les canaux 36 peuvent être reliés entre eux par une rainure annulaire non représentée sur le dessin.
Do tous .les modes do réalisation décrits, l'agencement que montrent les fig. 5 et 6 permet de réaliser le plus petit diamètre de la tête de piston appliquée contre la plaque 11.
Les essais ont montré que la largeur de la sur-
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face extérieure 23 peut être relativement faible. De préférence, on la réduit avantageusementà un maximum de 15 % du rayon de la chambre.
Les rebords de guidage 27 solidairos du rotor s'engagent dans un évidement 34 pratiqué dans le pour- tour de la tête 32 du piston. Ainsi que l'indique la partie inférieure de la fig. 5, cet évidement peut se présenter sous la forme d'une gorge périphérique, mais on peut également ne prévoir que des rainures latérales, de la manière indiquée dans la partie supérieure de la fig. 5.
Pour réduire les poussées de masses, on uti- lise de préférence des pistons faits en métal léger.
En donnant à la tête de piston de la fig. 3 la longueur indiquée sur .la fig. 5, on peut améliorer son guidage, à l'aide de glissières 33 engagées entre les rebords 27.
Bien entendu, le fluide hydraulique, faisant office de fluide de travail ou de fluide moteur, peut être remplacé par un gaz.