EP0043881A1

EP0043881A1 - Dispositif hydraulique rotatif convertisseur et répartiteur à multi-cylindrées synchronisées

Info

Publication number: EP0043881A1
Application number: EP19800401063
Authority: EP
Inventors: Gaston Sauvaget
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1980-07-15
Filing date: 1980-07-15
Publication date: 1982-01-20
Also published as: EP0043881B1; DE3071830D1

Abstract

Dispositif comportant un stator (1), un rotor (2) et des flasques de fermeture (17, 18) formant ensemble un tore de section sensiblement rectangulaire pouvant atteindre plusieurs mètres de diamètre. Le rotor (1) comporte des rainures radiales (3) recevant chacune une valve (4) dont la face inférieure, de surface plus faible que celle de la face supérieure, se déplace sur la périphérie du stator laquelle comporte des évidements ou cylindrées (A,B,C,D) limités par une partie cylindrique de rayon r raccordée à la périphérie de rayon R par des rampes identiques. Les valves différentielles (4) reçoivent, au travers de canalisations (HP) débouchant dans les cylindrées, la poussée du fluide moteur lorsqu'elles sont actives sur le fond r des cylindrées, ledit fluide s'écoulant ensuite par les canalisations (BP) en basse pression, les valves étant alors inactives. Les valves (4) sont rendues actives par une poussée différentielle résultant de la différence des surfaces inférieure et supérieure de valve, s'appliquant sur la face supérieure pour la maintenir en appui sur le rayon r.

Description

L'invention concerne un dispositif hydraulique convertisseur répartiteur à multi-cylindrées synchronisées destiné à transformer une énergie hydraulique en une énergie cinétique de rotation et réciproquement. de Les solutions connues/môteurs ou de pompes hydrauliques ne permettent pas d'obtenir à la fois un nombre élevé de rapports de vitesses et un bon rendement. Leur rapport pression/puissance massique/couple est défavorable. Leur durée de vie est généralement faible du fait des efforts internes importants qu'ils engendrent. Leur rendement est particulièrement faible dans les petits rapports car ils mettent en circulation un important volume de fluide hydraulique inactif. Les utilisations des moteurs hydrauliques de type connu sont actuellement limitées technologiquement en puissance, la cylindrée maximum développée à ce jour est de l'ordre de 20 litres. Ce type de moteur ne supporte pas les déformations élastiques d'organes, ovalisations, variations dimensionnelles dues aux différences de températures, car elles engendrent des efforts anormaux qui provoquent une usure très rapide ainsi que d'importantes fuites réduisant la puissance et le rendement. Leur bon fonctionnement exige des finitions de surfaces très fines ainsi que des masses métalliques très importantes pour limiter les fuites dûes aux déformations élastiques.
Le dispositif selon l'invention a pour but de pallier ces inconvénients. L'invention telle qu'elle est caractérisée dans les revendications résoud le problème consistant à créer un dispositif hydraulique permettant l'obtention de très grands couples en direct à basse vitesse, pouvant atteindre les limites de la technologie actuelle, c'est-à-dire de l'ordre de 1.000.000 de m.daN et cela avec une masse relativement d'autant plus faible que le couple s'accroit, donc avec une puissance massique croissante Il offre la possibilité d'auto-compenser les variations dimensionnelles quelles qu'en soit l'origine en n'engendrant que très peu de fuites sans provoquer d'usure ni de pulsations cycliques. Sa cylindrée globale peut aller de la fraction de litre à des centaines de litres avec de très nombreux rapports de vitesse dans les deux sens de rotation avec un rendement remarquable. En outre il assure une sécurité totale en cas de surcharges très importantes pouvant entraîner la rupture d'organes de commande ou de réception, en se mettant instantanément en roue libre. Il permet égal ement le démarrage et le freinage de masses de très forte inertie. Aucune puissance inutile n'est absorbée, ce qui contribue à obtenir un rendement global très élevé comparativement aux solutions connues de puissance pcomparable.
solutions connues de puissance comparable.
Les avantages obtenus grâce à cette invention consistent essentiellement en ceci que les très grands couples sont obtenus par simple variation du rayon moyen des cylindrées R₁- r :2 ; la section d'application du fluide moteur pouvant rester constante par plages de couples. Le dispositif se présente sous forme d'un torede section sensiblement rectangulaire constitué par un .ensemble d'anneaux concentriques, a savoir : une came distributrice ou stator dans laquelle sont ménagés des évidements faisant fonction de cylindrées délimitées par le rayon interne R1 du rotor et. par les flasques de fermeture étanche montés sur roulements. Le couple moteur est obtenu par l'intermédiaire du rayon moyen des cylindrées Rm qui peut atteindre plusieurs mètres, en coopération avec le nombre de cylindrées actives et le nombre de valves actives dans ces cylindrées. Le débit du fluide moteur est préférablement constant, mais il peut cependant admettre une variation de l'ordre de 15% pour le passage des vitesses. L'admission du fluide moteur est piloté séparément pour chaque cylindrée ou paire de cylindrées en opposition radiale, les cylindrées inactives ne sont pas soumises à un débit de fluide et restent totalement peines sans absorber la moindre puissance. Les valves sont conçues à section différentielle pour être pilotées à double effet par l'admission contrôlée du fluide en haute pression (de l'ordre de 250 bar) dans les cylindrées actives. Cette disposition permet les auto-compensations de variations dimensionnelles, ovalisations etc... particulièrement pour les grands diamètres du fait que les valves sont continuellement maintenues en contact sous pression sur les parties actives des cylindrées, rayon r. Plus le diamètre du tore est important, plus le nombre, le volume des cylindrées, le nombre des vitesses sont importants. Les vitesses sont obtenues en combinant les cylindrées actives. Lorsque toutes les cylindrées sont actives, on a le couple le plus important et la vitesse la plus faible, lorsque seule la plus petite cylindrée est active et reçoit la totalité du fluide moteur resté constant, on a le plus faible couple moteur et la plus grande vitesse de rotation du rotor. La mise en roue libre s'effectue en rendant instantanément l'ensemble des cylindrées inactives.
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention seront mieux compris à la lecture de la description qui suit faite en référence aux dessins annexés.

- la figure 1 représente une coupe partielle en élévation du dispositif selon l'invention, flasque retiré;
- la figure 2 représente une coupe partielle en élévation du dispositif selon l'invention, agrandie suivant le plan P de la fig.l;
- la figure 3 est une coupe du dispositif selon l'invention suivant la flèche AA de la fig.l;
- la figure 4 est une coupe du dispositif selon l'invention suivant la flèche BB de la fig.l;
- les figures 5 à 13 sont des vues montrant la valve différentielle.

Tel qu'il est représenté en élévation en coupe partielle sur la fig.l, le dispositif selon l'invention comporte 4 cylindrées équidistantes A,B,C,D, ménagées dans le stator 1 de rayon extérieur R. Le fond de chacune des cylindrees est de rayon r_a, r_b' r_c, r_d. Le rotor concentrique au stator 1 présente un jeu important J entre le rayon R et le rayon R interneau rotor. Le rotor comporte 24 rainures 3 équidistantes et radialement orientées, dans lesquelles coulissent 24 valves différentielles 4. Les flasques de fermeture sont assemblés par 24 boulons 5. Dans la zône où le flasque a été retiré, on aperçoit les valves non coupées ainsi qu'une rainure circulaire 6 alimentant les chambres différentielles 7 à la pression Pi régnant à l'intérieur du carter. La pression Pi peut être contrôlée et pilotée par un distributeur extérieur relié à l'orifice 8 qui, par la canalisation 9, répartit ladite pression. On peut isoler les circuits d'admission de Pi par cylindre. La cylindrée B est représentée inactive, les valves sont remontées au fond de leur logement 3, les autres cylindrées A,C,D, sont actives. Elles sont limitées chacune par une rampe R_a1, R_a2, R_b1, R_b2, R_c1, R_c2, R_d1,R_d2. Chacune des rampes comporte une rainure Ru, pour la cylindrées A ces rainures sont désignées par Ru₁, Ru₂, etc. Dans ces rainures aboutissent les conduits d'admission et d'échappement de fluide moteur 10. Ces conduits font, suivant le sens de rotation, fonction d'admission ou d'échappement du fluide. Ici, le sens de rotation est figuré par la flèche F. Les canalisations 10 ont été désignées par HP pour la haute pression et BP pour la basse pression. Dans la cylindrée inactive B, tous les conduits sont en BP.
On voit mieux le détail de la cylindrée A sur l'agrandissement en coupe suivant le plan P de la fig.2. Le sens d'application de la HP sur la partie de la valve 11 se trouvant en position active dans la cylindrée en contact glissant sur le rayon r (r_a) est désigné par les flèches S. La poussée sur la valve est égale à P bar/cm2 multiplié par la surface active(R - r )L, L est la largeur de la valve.
Une valve 12 est représentée descendant la rampe R_a2 cependant qu'une autre valve 13 remonte la rampe R_al. Une cylindrée est limitée par les valves pré-actives se trouvant de part et d'autre de celle-ci. Sur la fig.l, la cylindrée est délimitée par les valves 14 et 15, la valve 16 n'est plus étanche sur R. Les deux rainures Ru de chacune des cylindrées sont de longueur égale à celle des rampes ou préférablement un peu plus longue comme sur la fig.2. Le bord de la valve 4 se trouve à l'extrémité de la partie cylindrique r cependant que le bord de la rainure Rua se trouve en face du conduit échangeur de pression de la valve qui de ce fait se trouve désamorcée, c'est-à-dire rendue inactive. Ceci permet à la valve de remonter la rampe en èquipression. Il en est de même pour la valve 12 qui descend la rampe. Le détail de réalisation des valves sera décrit plus loin.
Sur la figure 3 on a représenté la coupe suivant AA de la fig.l. Les n° de repère des fig.1 et 2 ont été utilisés. Cette vue montre la section du tore constituant le dispositif annulaire, la forme du stator 1, du rotor 2, des flasques de fermeture 17,18, et des roulements à galets 19,20, ainsi que leur flasque de retenue 21,22, fixés par des vis 23 sur les flasques 17,18. Des joints d'étanchéité statiques 24 et d'étanchéité en rotation 25,26, assurent l'étanchéité de l'ensemble. La circulation du fluide à la pression Pi du carter est représentée par un ombrage à petits points. On voit également les chambres différentielles 7 de rappel des valves.
La figure 4 représente la coupe suivant BB de la fig.l. La circulation du fluide à la pression du carter est également représentée par un ombrage à petits points. Les conduits 9,qui alimentent les rainures circulaires (fig.l) débouchent dans les chambres différentielles 7 assurant le rappel des valves au fond de leur logement sous l'action de la pression Pi du carter en l'absence de pression HP au droit des cylindrées. Cette vue montre également la fixation des flasques 17,18 sur le rotor 2 au moyen des boulons 27. Les trous 28 (fig.3) et 29 (fig.4) comportent un centrage et un taraudage, ils servent à la fixation sur le bâti d'une part et sur l'organe récepteur d'autre part.
Sur la planche V on a reprusenté la valve sur les figures 5 à 13. La fig.5 montre la valve en élévation. Elle se présente sous forme d'un parallélépipède rectangle dont la section différentielle est obtenue en réalisant un épaulement 30,31, sur les petits côtés, ce qui a pour effet de réduire la surface 32 de la face inférieure ou tête de valve par rapport à la surface supérieure 33 sur laquelle agit le fluide moteur pour faire coulisser la valve dans son logement en traversant ladite valve par les trous 34,35,36,37 (fig.8) percés depuis la face 33 et débouchant dans une rainure longitudinale de faible profondeur 38 située sur l'axe de symétrie YY de la face 32. La valve comporte sur son axe de symétrie XX un trou taraudé 39 qui reçoit une douille filetée 40 (valve 12 de la fig.2) limitant la course du poussoir 41 rappelé par le ressort 42 en position de sortie. La fonction de ce poussoir est de rendre la valve pré-active sur le rayon R du stator en l'absence d'une pression de désamorçage dans les chambres différentielles, de façon à délimiter automatiquement les cylindrées actives au passage des valves. La pression différentielle de rappel des valves dans le fond de leur logement doit être supérieure a la poussee des, ressorts de rappel 42 de façon à ce que l'extrémité sortie du poussoir 41 soit presque complètement enfoncée dans la douille 40, ce qui a pour effet d'empêcher la valve d'entrer en contact étanche sur le rayon R. Les valves sont en outre munies chacune d'un dégagement de placage 43 de faible profondeur, situé sur chacune de leurs grandes faces parallèles dans la partie de la valve restantoujours à l'intérieur du logement dans le rotor; ce dégagement débouche en 44 sur la face 32.Cette face 32 est de forme concave suivant un rayon 45 (fig.12) R + r qui correspond au rayon moyen Rm des cylindrées
. Ce rayon Rm se raccorde sur les grandes faces extérieures par un plat ou mieux par une partie convexe 46, 47, se trouvant en contact avec les rampes Ru au moment de la descente ou de la montée des valves dans les cylindrées. Les valves sont en outre munies de canalisations échangeuses de pression 48,49, fig.10,11, mettant chacune en communication une des portions de surface 32 avec le dégagement 44 situé sur la face opposée. Cette disposition permet le placage des valves et leur immobilisation lorsqu'elles sont en contact étanche avec le rayon r du fond de cylindrée. Il n"y a jamais de frottement dans les logements lorsque les valves sont actives. Sur la fig.13 on a montré le schéma de fonctionnement à double effet des valves différentielles. Elles sont renvoyées dans le fond de leur logement 3 lorsque la pression Pi interne au carter est modifiée par une commande extérieure, par exemple par un distributeur hydraulique non représenté, pour être rendue supérieure à la basse pression BP et à la force de rappel du ressort de poussoir. La pression Pi agit sur les épaulements 30,31, des valves. Lorsque la pression Pi du carter est normale, la HP agit sur la face 33 de la valve selon une pression moyenne
qui oblige la valve à sortir de son logement et à venir en contact avec les rayons r et R. La commande de variation de pression Pi peut être propre ou non à chaque cylindrée. Elle peut être tarée pour définir avec précision la pression de contact glissant avec le stator sur les rayons R et r.
La profondeur des cylindrées R - r est préférablement différente,notamment lorsqu'elles sont au nombre de trois ou de multiples de trois ou de 2. Elles sont d'égale profondeur par paires en opposition diamétrale, chaque paire pouvant être ou non différente des autres en volume..
Les parties cylindriques R du stator, de longueur développée L et r de longueur développée 1 doivent être d'une longueur sensiblement égale et d'une valeur telle qu'elles permettent de recevoir simultanément chacune au moins deux valves.
Les différents rapports de réduction ou vitesses peuvent être obtenus suivant une série Renard, en combinant successivement des cylindrées de volume différent ou égal, dont le volume est calculé en fonction de cette progression.
Le démarrage au couple maximum peut être obtenu en laminant le fluide dans le distributeur d'alimentation.
Au moins une des cylindrées peut être utilisée en pompe, compresseur ou répartiteur pour commander ou asservir des fonctions annexes ou une ou plusieurs cylindrées d'un second dispositif fonctionnant en parallèle ou en série avec le premier.
L'invention s'applique à tous les cas de couplage, découplage, répartition et conversion de puissance, vitesses, couples, pour des puissancespetites, moyennes, grandes et très grandes.

Claims

1 - Dispositif hydraulique convertisseur répartiteur destiné à transformer une énergie hydraulique en énergie cinétique de rotation et réciproquement. Il comporte un stator, un rotor dans lequel sont ménagées des rainures radiales équidistantes, prévues pour recevoir chacune une palette dont la face inférieure se déplace sur la périphérie du stator laquelle comporte des évidements formant les cylindrées, la poussée du fluide moteur assurant l'entraînement en rotation du rotor en se déplaçant successivement dans les cylindrées du stator, deux flasques latéraux, montés sur roulement et solidaires du rotor, referment l'ensemble de façon étanche, le dispositif est caractérisé en ce que le stator comportant les cylindrées est annulaire et ne possède pas de moyeu, en coopération avec le rotor (2), les flasques de fermeture (17,18) et les flasques d'étanchéité (21, 22), il forme un moteur entièrement annulaire,

en ce que le nombre des cylindrées est fonction de la longueur de la circonférence du stator au niveau du rayon R,

en ce que le débit du fluide moteur est sensiblement constant à toutes les vitesses de rotation tout en pouvant admettre, pour le passage des vitesses, une variation du débit de l'ordre de plus ou moins 15 %,

en ce que l'admission du fluide moteur est pilotée séparément, de façon synchrone, pour chacune des cylindrées en nombre impair et de volume pouvant être différent, ou séparément dans chaque paire de cylindrées synchronisées en opposition diamétrale,

en ce que les cylindrées inactives ne sont pas soumises à un débit de fluide,

en ce que les valves sont prévues à double effet, elles sont rendues actives, au contact du rayon R du fond des cylindrées, directement par

la pression HP dans les cylindrées actives, ou bien rappelées au fond de leur logement au moyen d'une pression différentielle Pi ou pression du carter agissant directement sur la valve,

en ce que la mise en roue libre instantanée est obtenue en accroissant la pression Pi du carter.

2 - Dispositif selon 1 dans lequel la face avant (32) de la valve est mise en communication avec la face opposée (33) au moyen de trous (34,35, 36,37), caractérisé en ce que les valves sont en forme de Té, les deux petits côtés latéraux présentent chacun un épaulement (30,31) accroissant la surface de la face supérieure (33) par rapport à la face inférieure (32), en ce que la surface active (32) est divisée longitudinalement en deux parties égales par une rainure (38) de faible profondeur dans laquelle débouchent, de façon dite "borgne" les trous (34, 35, 36, 37) de mise en communication des deux surfaces (32,33),

en ce que les deux parties de surface (32) présentent ensemble un profil concave dont le rayon (45) est compris entre la dimension des rayons R et du stator,

en ce que ces deux parties de surface concaves sont raccordées aux grandes faces extérieures parallèles par un plat ou un rayon convexe (46,47).

3 - Dispositif selon 1 et 3, dans lequel les cylindrées sont définies par le diamètre intérieur Rl du rotor, par les deux flasques de fermeture et par les évidements usinés dans le stator, ces évidements présentent une portion cylindrique de rayon r limitée de chaque côté par une rampe de pente et de longueur identique se raccordant à la périphérie cylindrique de rayon R, chaque rampe reçoit une canalisation de fluide,

caractérisé en ce que le volume des cylindrées est préférablement différent lorsqu'elles sont en nombre impair, lorsqu'elles sont en nombre pair les volumes sont égaux par paire de cylindrées opposées, mais les paires de cylindrées peuvent être de volume différent,

en ce que les canalisations de passage du fluide moteur sont disposées radialement et sont de très grosse section, elles débouchent dans l'alésage interne du stator où elles sont réunies aux distributeurs correspondants.

4 - Dispositif selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les valves comportent chacune un poussoir intégré (41), indépendant du logement de valve, dont la course est très limitée, le rappel du poussoir est assuré par un ressort (42), en ce que
ce poussoir émerge normalement de la face '(33) d'une hauteur telle que lorsque la valve se trouve en appui sur le rayon R du stator, le poussoir soit comprimé d'une façon suffisante pour assurer l'étanchéité du contact de la face (32) sur le rayon R du stator, ledit poussoir agissant uniquement sur les parties R du stator.

5 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les valves comportent au moins une paire de canalisations échangeuses de pressions (48,49), mettant en communication, l'une la première partie de la surface active (32) de la valve avec la grande face opposée au travers du dégagement (43), et l'autre la seconde partie de la surface concave (32) avec le dégagement (43) de l'autre grande face.

6 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les valves sont rendues actives par leur mise en contact étanche sur la portion cylindrique r au moyen d'une pression

agissant sur la face (33) de la valve du fait de la différence des surfaces des faces (32,33) en obligeant la valve à descendre sur les rampes Ra₂dans le fond des cylindrées actives jusqu'à ce que l'étanchéité soit assurée sur le rayon r et ce sur toute la partie cylindrique de rayon r du fond des cylindrées.

7 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel une, plusieurs ou la totalité des cylindrées peuvent être rendues inactives au moyen de l'accroissement de la pression, caractérisé en ce que cet accroissement de pression agit, à l'intérieur du carter, sur la pression Pi laquelle s'applique sur les épaulements (30,31) des valves par l'intermédiaire de la chambre différentielle circulaire (7) définie entre le rotor et le stator,

en ce que la chambre différentielle est à la pression Pi,

en ce que la pression de contact glissant de la partie active (32) des valves est définie d'une part par la pression agissant sur la surface des épaulements (30,31) et, d'autre part, par la résultante des pressions agissant sur la surface (33).opposée à la surface active (32) soumise à la pression HP,

en ce que la variation de la pression Pi peut être propre à chaque cylindrée.

8 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les différents rapports de vitesses de rotation du rotor et le couple correspondant sont obtenus au moyen d'un ensemble de distribution du fluide moteur débitant à débit constant pour toutes les vitesses de rotation et notamment pour la vitesse la plus lente et le couple le plus élevé dans la totalité des cylindrées qui sont alors toutes actives et, progressivement, en alimentant avec le même débit constant, de moins en moins de cylindrées pour accroître la vitesse en réduisant le couple, jusqu'à debiter la totalité du fluide moteur dans la cylindrée du plus faible volume pour obtenir la plus grande vitesse de rotation et le plus faible couple moteur.

9 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'au moins l'une des cylindrées est utilisée en pompe, répartiteur ou compresseur pour commander ou asservir des fonctions annexes ou alimenter au moins une cylindrée d'un second dispositif fonctionnant en série ou en parallèle avec le premier.