FR3004226A1

FR3004226A1 - Unite de piston de machine hydrostatique a pistons radiaux

Info

Publication number: FR3004226A1
Application number: FR1453087A
Authority: FR
Inventors: Samuel Smith; Geoffrey Kermode; Alexander Graham Mclntosh
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2013-04-09
Filing date: 2014-04-08
Publication date: 2014-10-10
Anticipated expiration: 2034-04-08
Also published as: CN104100481B; FR3004226B1; CN104100481A; US20140298988A1; DE102013206192A1; US10107397B2

Abstract

Unité de piston (12) de la machine hydraulique comportant un piston (14) et au moins un organe de roulement (18) monté à rotation dans un logement (16) du piston (14), dont la surface (30) est polie à l'état monté.

Description

Domaine de l'invention La présente invention se rapporte à une unité de pistons de machine hydrostatique. L'invention se rapporte également à une machine à pistons radiaux équipée d'une telle unité de pistons Etat de la technique Selon le document DE 40 37 455 C 1 on connaît une machine hydrostatique à pistons radiaux comportant un rotor réalisé sous la forme d'un bloc de cylindres avec plusieurs unités de pistons coulissant dans la direction radiale. Chacune des unités de pistons se com- pose d'un piston guidé dans l'alésage du bloc à cylindres et dont le segment d'extrémité qui vient en saillie du bloc dans la direction radiale s'appuie par l'intermédiaire d'un organe de roulement sur une couronne de levée, qui constitue une partie du boîtier de la pompe à pistons radiaux de sorte que les pistons effectuent une course correspondant à la came de levée de cette couronne. On a constaté que de telles pompes hydrostatiques à pistons radiaux, connues, étaient soumises à un frottement non-négligeable au niveau des surfaces de glissements qui diminuent notamment le couple nécessaire au fonctionnement de la machine à pis- tons radiaux lorsque celle-ci fonctionne comme moteur à pistons radiaux dont le rendement est ainsi détérioré. Pour éviter cet inconvénient la zone d'appui entre le pis- ton et l'organe de roulement comporte une poche alimentée avec un fluide sous pression de façon à soutenir l'organe de roulement de ma- nière hydrostatique et de diminuer ainsi considérablement le frottement entre le piston et l'organe de roulement. Cette solution est par exemple décrite dans le document DE 10 2010 032 058 A 1. Pour éviter le basculement du piston dans l'alésage, le piston est réalisé sous la forme d'un piston étagé pour être guidé sur une longueur de guidage plus grande dans le bloc de cylindres et offrir néanmoins une grande section active de piston. Selon ce document, pour éviter la fuite au niveau du palier hydrostatique, il est prévu un segment de fixation du piston le long duquel l'organe de roulement est tenu de manière élastique pour que le segment de fixation épouse en quelque sorte l'organe de roulement et diminue l'intervalle permettant la fuite. Malgré ce moyen constructif, on a constaté que le couple d'entraînement de telles machines à pistons radiaux et d'unité de pis- tons à l'état neuf, c'est-à-dire lorsque la machine à pistons radiaux n'est pas encore rodée, était plus mauvais que dans le cas d'une machine à pistons radiaux qui a déjà fonctionné pendant quelques heures. But de l'invention Vis-à-vis de cet état de la technique, l'invention a pour but de développer une unité de pistons et une machine à pistons ra- diaux équipée de telles unités de pistons de façon à améliorer le couple de démarrage à l'état neuf par rapport aux solutions existantes. Exposé et avantages de l'invention A cet effet, l'invention a pour objet une unité de pistons de la machine hydraulique comportant un piston et au moins un or- gane de roulement monté à rotation dans un logement à organes de roulement du piston, cette unité était caractérisée en ce que, la surface du piston est polie à l'état monté. On a constaté de manière surprenante que grâce à ce po- lissage, le couple de démarrage d'une machine à pistons radiaux neuve, c'est-à-dire non-rôdée, se situait significativement en-dessous de celui des machines usuelles à pistons radiaux de sorte que le rendement au démarrage était amélioré par la solution de l'invention vis-à-vis des solutions connues de 55 % à 70 %. Un tel couple de démarrage, faible ne peut être obtenu avec les solutions connues qu'après un cycle de rodage prévu au montage de la machine à pistons radiaux à la fin de la ligne de fabrication. L'invention permet ainsi d'éviter ce cycle de rodage ou de le réduire considérablement si bien que les travaux de fabrication de l'unité de piston et de la pompe à pistons radiaux ainsi équipée est con- sidérablement réduit par rapport aux solutions connues. Le polissage du piston peut se faire selon un procédé de la fabrication usuelle qui donne une qualité de surface suffisamment grande du piston à polir. Le polissage vibrant s'est avéré comme particulièrement approprié.

Selon un développement avantageux de l'invention, la surface polie a une profondeur maximale de lissage de Rpmax = 0,20 ± 0,10 gm de préférence ± 0,05 ium, cette indication englobant la mesure nominale à obtenir et de la tolérance de fabrication. Une surface de pis- ton ayant une telle qualité de surface donne un coefficient de frottement particulièrement bas et augmente ainsi de manière significative le rendement de l'unité de piston ou de la machine à pistons radiaux. Suivant une caractéristique avantageuse la surface polie a une valeur médiane de rugosité Ra de 0,03 ± 0,02 ium de préférence ± 0,01 gm. Cette indication résultant de la combinaison de la valeur no- minale à fabriquer et de la tolérance de fabrication. Cette précision de surface particulièrement élevée permet de réduire encore plus le coefficient de frottement. Le rendement au démarrage de l'unité de piston sera en- core augmenté si la surface supérieure polie présente une hauteur de pointe réduite RPK de 0,03 ± 0,04 um de préférence ± 0,02 ium, indication qui se compose de la mesure nominale finale et de la tolérance de fabrication. De façon avantageuse pour réduire encore plus le rende- ment de démarrage de l'unité de pistons, la surface polie a une profon- deur de rugosité de base RK de 0,10 ± 0,02 ium de préférence ± 0,01 gm, indication qui correspond à la mesure nominale finale et à la tolérance de fabrication. Selon un développement avantageux de l'invention, la surface polie a une profondeur moyenne de rainure RVK de 0,08 ± 0,04 pin de préférence ± 0,02 !am, indication qui correspond à la mesure nominale finale et à la tolérance de fabrication. De façon avantageuse, la surface polie de l'organe de roulement correspond à une teneur en matière Rmr de 30 % ± 20 % gm de préférence ± 10 % pour une profondeur de coupe de -0,05 gm. Cette va- leur Rmr appelée teneur en matière est fixée selon la norme DIN EN ISO 4287 et décrit la distribution de la matière dans un profil de rugosité de surface en allant de l'extérieur vers l'intérieur.

Selon une variante de réalisation avantageuse de l'invention, l'organe de roulement est en forme de rouleau également poli. Selon un développement particulièrement avantageux de l'invention, la matière composite utilisée comme matière de palier pour le logement de l'organe de roulement est une matière composite de matière plastique et/ou de métal. Une telle matière composite se caractérise par des caractéristiques qui se règlent bien concernant la tenue à l'usure et les caractéristiques de glissement. En particulier, la combi- naison de l'organe de roulement poli et de la matière de palier ainsi uti- lisée qui comporte une matière composite de matière plastique et/ou de métal s'est avérée comme particulièrement avantageuse. Selon un développement avantageux de l'invention, la combinaison de matière plastique et/ou de métal de la matière du palier à une matrice PEEK/PTFE. L'utilisation d'une matière de palier avec une matrice PEEK/ PTFE se caractérise par une teneure à l'usure particulièrement bonne et un coefficient de frottement particulièrement bas. De plus, cette matière de palier convient de façon remarquable pour des applications dans un domaine fortement dynamique. Un exemple d'une telle matière de palier est le matériau lubrifiant de marque HX de la so- ciété GGB Bearing Technology qui s'est avéré comme particulièrement intéressant dans le cadre de la présente invention. Pour une fabrication particulièrement avantageuse ou une réalisation du piston il est intéressant que le logement de l'organe de roulement soit réalisé sous la forme d'une coupelle de palier, dis- tincte, c'est-à-dire réalisée séparément du piston. De cette manière la matière de palier comportant la matrice PEEK/PTFE ou l'ensemble du piston seront fabriqués séparément d'une manière encore plus économique pour être ensuite assemblés.

Une machine à pistons radiaux selon l'invention a un bloc cylindre recevant au moins une unité de piston avec un piston poli et guidé. Selon un exemple de réalisation préférentiel de l'invention, l'alésage recevant le piston dans le bloc cylindre comporte une couche de surface non polie à l'état de montage. En d'autres termes, dans le système tribologique piston/cylindre, seule la surface du piston est polie alors que la surface du cylindre (alésage) est traitée selon le procédé habituel. Un tel procédé de traitement de surface, habituel est, par exemple, un traitement par nitrocarburation. Pour cela on dissout des cyanates alcalins dans un bain de sels dans lequel on plonge le bloc cylindre. Le cyanate est transformé en carbonate à la surface de la pièce ce qui réalise la couche résistant à l'usure caractérisée par une excellente tenue à la corrosion. Après la nitrocarburation on effectue un trai- tement d'oxydation dans un bain de refroidissement (30) ce qui créé une couche d'oxyde de fer sombre (magnétite) à la surface de la pièce. Dans la phase suivante on polit la surface de la pièce et on applique une nouvelle fois un traitement d'oxydation pour améliorer la tenue à la corrosion influencée de manière négative par le polissage. Ce traitement de surface est connu sous la dénomination QpQ (trempe polissage trempe) (marque déposée). Le second traitement d'oxydation génère à son tour une surface de magnétite rugueuse et relativement poreuse qui améliore considérablement le développement du film lubrifiant en coopérant avec la surface polie du piston de sorte que même dans des conditions de fonctionnement défavorable et pour de très faibles quantités de lubri- fiant cela garantit une lubrification suffisante. Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide d'un exemple de réalisation d'une unité de pistons et d'une machine à pistons radiaux équipée de telles unités de piston, représentés de manière schématique dans les dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 montre la moitié d'une machine à pistons radiaux équipée d'unités de pistons selon l'invention l'ensemble étant présenté en couple radial, - la figure 2 montre une unité de pistons selon la figure 1 avec le système tribologique selon l'invention dans une vue perpendiculaire à l'axe du piston, et - la figure 3 montre un diagramme explicitant le comportement de démarrage amélioré de la machine à pistons radiaux Description de modes de réalisation de l'invention La figure 1 montre un exemple de réalisation d'une machine à pistons radiaux 1 en coupe radiale. Dans cet exemple, la machine à pistons radiaux 1 est un moteur hydrostatique à pistons radiaux ayant un appui extérieur pour les pistons. La machine à pistons radiaux 1 a un arbre central 2. L'arbre est entraîné par un rotor 4 ou bloc cylindre muni d'un ensemble de cylindres. Dans l'exemple de réalisation représenté, la machine à pistons radiaux 1 comporte huit cylindres dont seulement trois sont représentés complètement à la figure 1 et deux autres à chaque fois pour moitié. Les cylindres sont installés radialement, c'est-à-dire en étoile autour de l'arbre 2. Chaque cylindre est formé par un alésage principal 8 et un alésage de guidage 10 en retrait dans la direction radiale recevant chacun une unité de piston 12 coulissant dans la direc- tion axiale. Chaque unité de piston 12 ou un piston 14 qui, dans l'exemple de réalisation est un piston étagé. L'extrémité extérieure dans la direction radiale de chaque piston 14 est montée à rotation par l'intermédiaire d'un logement d'organe de roulement 16 dans lequel est logé un organe de roulement 18 en forme de cylindre. Le logement d'organe de roulement 16 comporte une coupelle de palier 20 pour l'organe de roulement 18. La coupelle de palier 20 est fixée au piston 14 ; la coupelle est réalisée en une matière de palier comportant une matrice PEEK/PTFE. Chaque piston 14 a une rainure périphérique 22 logeant un anneau de piston 24 servant d'élément d'étanchéité. La ma- chine à pistons radiaux 1 comporte une couronne de levée 26 constituant une partie du boitier. Cette couronne a un chemin came 28 ondulé entourant le rotor 4 et ainsi également les cylindres et leurs unités de piston 12. Cette disposition permet aux organes de roulement 18 de s'appuyer contre le chemin de came 28 de la couronne de levée 26 et de rouler contre le chemin de came 28 lorsque le rotor 4 tourne. Les unités de piston 12 effectuent ainsi un mouvement oscillant dans chaque cylindre. La figure 2 montre une unité de piston 12 de la figure 1 pour la description du système tribologique. Comme indiqué ci-dessus, la coupelle de palier 20 réalisée en une matière de palier ayant une matrice PEEK/ PTFE loge l'organe de roulement de 18 en forme de cylindre ou rouleau. L'organe de roulement 18 a une surface 30 qui, à l'état installé, vient directement en contact avec la coupelle de palier 20. Le rou- leau 18 glisse dans la coupelle de palier et roule sur le chemin de came. La surface de l'organe de roulement 18 est polie pour arriver à une résistance par frottement aussi faible que possible entre l'organe de roulement 18 et la coupelle de palier 20 ainsi qu'avec le chemin de came. Dans cet exemple de réalisation, la surface polie de l'organe de roule- ment 18 se limite à la surface enveloppe de l'organe de roulement 18 cylindrique circulaire. Comme décrit, le piston est un piston étagé ayant un goujon de piston 30 radialement en retrait et qui, selon la figure 1, pénètre dans l'alésage de guidage 10 du cylindre 8. L'espace devant le goujon de piston 30 et le volume annulaire 32 communique en perma- nence par exemple par des aplats réalisés sur le goujon de piston et qui sont perpendiculaires à l'axe du rouleau 18 de sorte que la surface active du piston est donnée par le diamètre du piston se poursuivant par le segment de piston 34 élargi muni de la rainure 22 recevant l'anneau de piston 24. Selon l'invention, à la fois la surface périphérique 36 du segment de piston 34 et aussi la surface périphérique 38 du goujon de piston 30 sont polis au-delà des aplats. Comme procédé de polissage on peut utiliser le polissage par vibrations décrit dans le préambule selon lequel on réalise la qualité de surface requise du piston par plusieurs étapes successives de polis- sage. On peut également utiliser d'autres procédés de polissage, appropriés tels que par exemple le rodage, le polissage avec des disques de polissage ou analogues dans des machines automatiques tournantes ou encore le polissage par vibrations mentionné ci-dessus consistant à réa- liser le polissage de lissage dans un bol vibrant. Il est important de polir les zones de surface du piston 14 qui sont en contact de glissement avec la surface périphérique de l'alésage, c'est-à-dire l'alésage principal 8 et l'alésage de guidage 10. Une particularité de l'exemple de réalisation est que la surface de circulation du cylindre, c'est-à-dire la surface périphérique de l'alésage principal 8 et de l'alésage de guidage 10 ne soit pas polie et présente ainsi une surface relativement irrégulière facilitant le développement du film lubrifiant. De manière particulièrement préférentielle, la surface de glissement du rotor 4 réalisée sous la forme d'un bloc cy- lindre ou de l'ensemble du rotor 4 soit traitée selon le procédé QpQ (marque déposée). Ainsi à l'état installé, la surface de circulation du cylindre est formée par une couche de magnétite relativement rugueuse et poreuse. L'autre partie de la paire d'éléments glissants est constituée par la surface polie du piston. Cette surface du piston peut également être traitée par nitrocarburation avant le polissage pour améliorer la tenue à l'usure. Après la trempe par refroidissement et oxydation, contrairement à l'état de la technique, on effectue seulement une étape de polissage de sorte que le piston est installé avec ses surfaces de glissement poli.

L'efficacité de cette structure particulière de la paire d'éléments glissants de l'unité de piston et de la machine hydrostatique à pistons radiaux ainsi équipée sera décrite de manière plus détaillée à l'aide de la figure 3. La figure montre un diagramme présentant le rendement de démarrage selon la durée de fonctionnement de la machine à pistons radiaux. Un rendement de démarrage élevé correspond à un faible couple de démarrage et ainsi un meilleur rendement mécanique du moteur à pistons radiaux. L'expression « temps de fonctionnement » représente la durée nécessaire au moteur pour la phase de rodage du moteur dans la chaîne de fabrication. L'origine de l'axe X correspond à un moteur à pistons radiaux, neuf, à l'état installé alors que la fin de l'axe X correspond à la durée nécessaire au rodage complet du moteur à pistons radiaux. Le trait plein représente le comportement de rodage d'un moteur à pistons radiaux usuel. On remarque que le rendement de ro- dage pour un moteur à pistons radiaux, neuf est comparativement faible et ce n'est qu'à partir d'une certaine durée de fonctionnement que l'on atteint un maximum. La courbe en traits interrompus représente le rendement de démarrage d'un moteur à pistons radiaux selon l'invention, c'est-à-dire d'une machine à pistons radiaux selon l'invention. On remarque que le rendement de démarrage est considéra- blement plus élevé que celui d'un moteur à pistons radiaux usuel, à l'état neuf et que le rodage n'améliore que légèrement le rendement. Cette amélioration se produit uniquement pendant le temps de fonctionnement qui est appelé dans le diagramme, « première phase de ro- dage ». A la suite de la phase de rodage, les deux courbes sont pratiquement identiques dans la deuxième phase de rodage. Le couple de démarrage du moteur usuel et celui du moteur de l'invention sont alors sensiblement identiques. L'amélioration obtenue dans cette phase est conditionnée en première ligne par le rodage au niveau du palier de roulement de l'organe de roulement 18. Il apparaît clairement que dans la première phase de rodage l'invention améliore le couple de démarrage de plus de 50 % par rapport à un moteur usuel. Comme le moteur selon l'invention avec un piston poli 14 présente à l'état neuf, un couple de démarrage que le mo- teur usuel n'atteint qu'après environ 14 heures de rodage, on évite en principe ce rodage demandant beaucoup de temps à la fabrication des machines à pistons radiaux. En particulier la surface 30 de l'organe de roulement 18 est polie en fabrication pour avoir une profondeur maximale de lissage Rpmax de 0,20 ± 0,5 ban, une valeur moyenne de rugosité Ra de 0,03 ± 0,01 larn et une hauteur de pointe, réduite RPK de 0,04 ± 0,02 pm. La rugosité de base RK est de 0,10 ± 0,01 gm et la profondeur moyenne ou réduite de rayure RVK est de 0,08 ± 0,02 pm. De plus, la surface polie de l'organe de roulement a une teneur en matière Rmr de 30 ± 10 % mesurée à une profondeur de coupe de - 0,05 pm. Chacune des spécifications énoncées ci-dessus concernant la qualité de la surface permet de réduire le coefficient de frottement. Ce n'est que pour avoir un coefficient de frottement particulièrement bas que l'on polira la surface 30 de l'organe de roulement 18 pour que toutes les spécifications énoncées ci- dessus soient respectées. De cette manière, un piston poli 14 avec un logement d'organe de roulement c'est-à-dire une coupelle de palier 20 fabriquée en une matière de palier ayant une matrice PEEK/PTFE, et l'organe de roulement 18, poli monté à rotation dans cette coupelle de palier consti- tuent un système tribologique qui se distingue pour un temps de rodage minimum par des coefficients de frottements particulièrement bas notamment un coefficient d'adhérence faible. L'unité de piston 12 ne s'applique pas nécessairement à une machine à pistons radiaux 1 ayant un appui extérieur pour les pis- tons ; l'unité de piston peut également s'utiliser avantageusement dans d'autres applications techniques. En particulier, elle peut également s'appliquer à une machine à pistons radiaux ayant une autre forme de construction sans appui extérieur des pistons. On peut également envi- sager son utilisation dans des systèmes techniques qui ne sont pas des machines à pistons radiaux. L'invention telle que décrite concerne une unité de piston et une machine à pistons radiaux équipée d'au-moins une telle unité de piston. Selon l'invention, le piston de l'unité est poli.15 .

11 NOMENCLATURE DES ELEMENTS PRINCIPAUX 1 Machine à pistons radiaux 2 Arbre central 4 Rotor 8 Alésage principal Alésage de guidage 12 Unité de piston 10 14 Piston/ Piston étagé 16 Logement de l'organe de roulement 18 Organe de roulement / cylindre / rouleau 20 Coupelle de palier 22 Rainure périphérique 24 Anneau de piston 26 Couronne de levée 28 Chemin de came 30 Goujon de piston radialement en retrait 34 Partie élargie du piston 36 Surface périphérique extérieure25

Claims

REVENDICATIONS1°) Unité de piston (12) de machine hydraulique comportant un piston (14) et au moins un organe de roulement (18) monté à rotation dans un logement à organe de roulement (16) du piston (14), unité caractérisée en ce que la surface (30) du piston (14) est polie à l'état monté.
2°) Unité de piston selon la revendication 1, caractérisée en ce que la surface polie a une profondeur de lissage RP max de 0,20 ± 0,10 gin de préférence ± 0,05 gm.
3°) Unité de piston selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que la surface a une rugosité médiane Ra de 0,03 ± 0,02 gin de préférence ± 0,01 gm.
4°) Unité de piston selon la revendication 1, caractérisée en ce que la surface polie a une hauteur de pointe, réduite RPK de 0,03 ± 0,04 gin de préférence ± 0,02 gm.
5°) Unité de piston selon la revendication 1, caractérisée en ce que la surface polie a une profondeur de base de 0,10 ± 0,02 gin de préfé- rence ± 0,01 gm.
6°) Unité de piston selon la revendication 1, caractérisée ce que la surface polie a une profondeur moyenne de rainure Rvk de 0,08 ± 0,04 gin de préférence ± 0,02 gm.
7°) Unité de piston selon la revendication 1, caractérisée en ce quela surface polie a une teneur en matière Rmr de 30 % ± 20 % de préférence ± 10 `)/0 mesurée à une profondeur de coupe de - 0,05 gm.
8°) Unité de piston selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'organe de roulement (18) est poli.
9°) Unité de piston selon la revendication 1, caractérisée en ce que le logement d'organe de roulement est réalisé en une matière de palier qui est un composite de matière plastique et/ou de matière métallique.
10°) Unité de piston selon la revendication 9, caractérisée en ce que le composite de la matière plastique et/ou de matière métallique a une matrice PEEK/PTFE.
11°) Unité de piston selon la revendication 1, caractérisée en ce que le piston (14) est un piston étagé.
12°) Machine hydrostatique à pistons radiaux comportant au moins une unité de piston (12) selon une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisée en ce que l'unité de piston est guidée dans un alésage d'un bloc cylindre.
13°) Machine hydrostatique à pistons radiaux selon la revendication 12, caractérisée en ce que l'alésage a une couche de revêtement de surface non-polie à l'état de montage.
14°) Machine hydrostatique selon la revendication 13, caractérisée en ce que l'alésage est prétraité par nitrocarburation et ensuite refroidisse- ment/oxydation pour former une couche de magnétite.