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"Mécanism d'entraiment des pistons d'une pompe ou moteur hydraulique à pistons axiaux"
La présente invention se rapporte aux pompes ou moteurs hydrauliques à pression élevée et à un ou pluis ours piétons axiaux ou quasi-axiaux actionnée par un dis que tournant et oscillant par rapport au bloc cylindrée dans lequel se déplacent le ou les pistons* Ledit disque a une surface plane sur laquelle glissent les patins de glissement appartenant aux divers pistons chaque patin étant articulé au moyen d'une charnière sphérique sur le piston correspondant, la surface de base de chaque patin,
qui glisse sur la surface plane du disque étant équilibrée
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hydrostaiquemet en exécutant ladite base en forme de collier délimitant une cavité qui cet reliée hydrauliquement avec le volume du cylindre se trouvant sur la tête du pie- ton, par un canal prévu dann le piston et muni d'un 4tran- gleur ou doseur.
Dans les dispositifs existante il est prévu un co lier se trouvant sur la ligne d'axe du piston. Ce collier unique équillbre hydrostique l'effort axial venant du piston, mais ne peut équilibrer hydrostatiquement aucun moment de basculement agissant sur le patin et qui est pro- . duit autour du contre de la charnière sphérique de 1'artc lation piston-patin, par suite des frottements provoquas dans cette charnière par le mouvement oscillant relatif entre le patin et le piston y associe,
La présente invention est essentiellement cargo- térisée en ce que ledit équilibrage est complété par un équilibrage hydrostatique ou hydrodynamique dudit moment de basculement agissant sur le patin,
notamment en exécutant l'équilibrage de telle façon que le frottement entre la base du patin et la surface plane du disque devienne en fait hy- drodynamique.
Selon une forme d'exécution de l'invention, ce ré- sultat peut être atteint en munissant chaque patin d'au moins trois colliers formant des cavités et repartis sur sa surface, chaque collier étant équilibré indépendamment sa cavité étant reliée par un étrangleur individuel au canal du piston communiquant avec le volume du cylindre correspondant.
Selon une autre forme d'exéctuion de l'invention, le patin est pourvu d'un collier central et de deux surfaces à action hydrodynamique par *coin d'huile", agencées de part et d'autre dudit collier, symétriquement par rapport à la ligne de mouvent du centre du collier par rapport audit disque, la ligne reliant les centres de ces surfaces et qui
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est perpendiculaire à ladite ligne de mouvement, étant décalée vers l'avant du centre d'articulation du pate n dans la direction du mouvement relatif de celui-ci par rapport audit disque. Lesdites deux surfaces subissent un effet de soulèvement, lié & la vitesse du patin par rap port à la surface du disque tournant et oscillant par rap port au bloc cylindres.
La. présente invention qui se rapporte aux pompée ou moteurs hydrauliques à pistons axiaux a pour but en outre, de remplacer ou d'éliminer les butées à rouleaux ou à aiguilles) éléments coûteux qui limitent la durée de vie d'une pompe et dont la vitesse angulaire est relativement limitée, ainsi que d'enlever tout frottement onctueux à grande vitesse dans le mécanisme d'entraînement des pistons et de le remplacer par un frottement hydrodynamique et, de ce fait, d'éliminer toute usure et d'augmenter considéra- blement, d'une part, les possibilités de vitesse angulaire de l'arbre d'entraînement d'une pompe ou d'un moteur hydrau- lique, et, d'autre part, les possibilités de pression,
tout en gardant les dimensions de ce mécanisme d'entraînement plus petites que si l'on emploie des butées à rouleaux ou à aiguil les. Elle a, en plus, pour but d'effectuer le frottement hy- drodynamique sur uno couche d'huile relativement épaisse, afin que le degré de filtration des impuretés dans l'huile et la rugosité des surfaces soient d'un ordre de grandeur très facile à atteindre, et en somme, dans le cas d'un moteur hydraulique, d'avoir sur l'arbre d'entrainement un couple de démarrage très élevé par rapport au couple maximum.
En général les pompes volumétriques à huile avec des pistons axiaux ou quasi-axiaux sont employées dans les grosses unités hydrauliques à haute pression.
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Comme exemple d'application on peut citer une pompe à débit variable reliée à un moteur & débit constant, ledit moteur servant comme moteur d'un treuil de charge ou similaire* Le moteur à débit constant fournit un couple en fonction de la pression, tandis que la pompe à débit variable peut donner au moteur toutes les vitesses de rotation en fonction du débit, cette vitesse pouvant être réglée, soit par un mania- pulateur, soit par un régulateur suivant une courbe prédé- terminée, par exemple une courbe à puissance constante.
Un autre exemple d'utilisation d'une pompe à débit variable existe sur les presses hydrauliques où le débit d'huile est refoulé dans un vérin hydraulique à déplacement rectiligne, la vitesse de ce vérin, qui est fonction du dé bit de la pompe, pouvant être réglée dana le cas d'une pom- pe à débit variable.
D'autres particularités et avantages de l'invention ressortiront de la description qui sera donnée ci-après, à titre démonstratif, en regard des dessins schématiques an- ne%6*9 dans lesquels @
La figure 1 montre une vue en coupe longitudinale, partiellement en élévation, d'un exemple d'application de l'invention dans une pompe à débit variable à disque in- clinable et bloc cylindres tournant;
La figure 2 montre une vue en plan cur la surface de distribution de ladite pompe suivant 11-11 en fige 1
La figure 3 montre une vue en coupe longitudinale) partiellement en élévation, d'un exemple d'application dans une pompe à débit constant à disque tournant et oscillant ;
La figure 4 montre une vue en coupe axiale, partiel- lement en élévation d'un patin de glissement et son piston, avec équilibrage hydrostatique classique;
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La figure 9 montre le diagamme de répartition des pressions sur la baie du patin suivant la fig 4;
La figure 6 montre un vue en coupe transversael d'un patin de glissemetn avec équilibrage hdyrtqtique suivant l'invention; :La fiugr 7 montre une vue en plan su la bas* d'un patin de glissement suivant la fige 6;
@
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La figure 8 montre le fonctionnement du <ywteNe connu, bzz . 7. d'un Ijloohet articulé en un point, avec uu ettttAt7u&1qu. de *coin dehuileoi
La figure 9 montre le diagramme de répartition des pressions suivant la loi hydrodynamique sur la base du blo- chet suivant la fige 8
La figure 10 montre une vue en coupe transversale d'un patin de glissement articulé sur un piston, faisant ' application du principe du blochet hydrodynamique;
La figure 11 montre une vue en coupe transversale d'un patin de Glissement melon l'invention, avec équilibrée hydrostatique de l'effort axial sur le piston et équilibrage hydrodynamique du moment de frottement dans 1'articulation;
La figure 12 montre une vue en plan sur la surface d'un patin de glissement suivant la fige Il*
Dans ces dessins les mîmes références désignent des éléments Identiques ou semblables*
Dans les figures les hauteurs de soulèvement h, le jeu axial et l'angle d'inclinaison d'un bloobet x sont forte- ment exagérés et donc dessinés hors échelle, ceci pour mieux faire comprendre le fonctionnement de l'ensemble.
Dans ces dessins, 1 désigne l'arbre d'entraînement de la pompe ou du moteur, tournant dans les paliers 23
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montés dans le carter 24;2 désigne le bloc cylindres po tant les pistons 3 coulissant axialement dans leurs cylindres et qui effectuent un mouvement de va-et-vient nécessaire pour provoquer une action de pompage rendue possible au moyen d'une distribution quelconque, cette distribution reliant, par exemple, dans le cas d'une pompe, le cydlinre au coté refoulement de la pompe quand le volume 9 entre le piston et lo fond du cylindre diminue, et au coté d'aspi ration, quand ce volume 9 augmenta.
Cette distribution peut, par exemple, être effectuée comme Montré aux figures 1 et 2, par deux gorges semi-oirou- laires 25 se trouvant dans une surface de distribution 28 qui agit comme butée du bloc cylindre 2.
Les gorges 25 sont reliées respectivement à la con duite d'admission et à la conduite de refoulement, et agen- odes d'une façon telle que les cylindrée sont reliée par les trous 26 à une gorge quand le volume 9 diminue et à l'autre gorge quand le volume 9 augmente.
Le mouvement de va-et-vient des piétons 3 est commandé par les patina de glissement 5 articulés chacun par une char- nière sphérique 4 à un des pistons et glissant à grande vites- se sur un disque 6 à surface plane 7
Dans le cas d'une pompe ou moteur à débit constant, à bloc cylindres fixe (fig. 3) ce disque 6 est solidaire de l'arbre d'entraînement 1 et la surface 7 est inclinée sous un angle fixe par rapport à l'axe de l' arbre d'entrainement;
ainsi on obtient un disque tournant avec l'arbre et oscillant dans le sens axial, Du moment que, par un moyen quelconque, la base du patin 5 reste en permanence à proximité de la sur- face 7 du disque 6, les pistons 3 suivront le mouvement du
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disque dans le sens axial et exécuteront ainsi un mouvement de va-et-vienttandis que la surface 7 glisse à une vitesse assez grande sur la surface de la base des patins 5
Dans le cas d'une pompe ou moteur débit variable
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à bloc cylindres tournant (fige 1),
disque $ porte$ placés de part et d'être de 1* arbre le t'eux tourillons 21 qui sont support'. par et peuvent tourner dans le carter 24 de la pompe
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ou acteur} de os fait, le disque 6 est inclinable sous d1t. férents anales et la commande de cette inclinaison et fait sur le levier 22 solidaire du disque 6# au moyen d'un aan1pu- lateur ou régulateur quelconque (non représenté)* lorsque le bloc cylindres tourne,et la base des patine de glissement
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est tenue z proximité de la surface 7 du disque 6 par un 3101'- en quelconque, les pistons exécuteront un mouvement de va-et- vient,
tandis que la surface de la base des patins 9 glisse
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sur la surface 7 du disque 6 à une viteexe asses grande.
En plus, l'angle d'inclinaison du disque 6 détermine la cours@
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des pistons et ainsi le débit de la pompe$ * Le levier 92 mis en position a, dessiné* en traite pleine, donne 14 débit M- xiaum; en position 0 l'angle dfinclicaïson est xero et le débit nul, en position b le débit devient négatif, o'..t-1-4i 1..on. d'écoulement de la pompe ou du moteur cet renversé,
Parmi les moyens pour tenir la base du patin 3 à pro-
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xintité de la surface 71 tout en laissant glisser les surfaces l'une sur l'autre, se trouve par exemple l'application d'un disque 8 (fige 3)
tournant librement au moyen d'un roulement 20 sur une partie centrale du disque 6 et retenu par une butée 6a prévue à l'extrémité de cette partie centrale. Le disque 8 est monté de telle façon qu'il attaque les patins 5 au moment où ces patins voudraient s'écarter de la surface 7 d'une
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distance plus grande que le jeu axial j (dessiné hors échelle) prévu entre le disque 8 et le bord du patin.
Ce jeu cet choisi plus grand que l'épaisseur de la couche d'huile entre le patin 5 et,le disque 6 Le disque 8 entre en action chaque foie qu'un piéton doit sortir du bloc cy lindre quand la pression sur ce piston est pratiquement nul le$ par exemple dans le cas d'une aspiration* La fore ma ximum appliquée sur le disque 8 est relativement faible et déterminée par les efforts dynamiques sur les pistons pr duits par les accélérations 'autre. moyens consistent à garder la pression mini mum sur les piston$
gogos grande pour vaincre les effort$ dynamiques, ou encore à disposer les pistou$ d'une façon telle que la force centrifuge de ce% pistons soit suffisante pour assurer le contact permanent entre les patins 5 et le disque 6. (voir fig 1).
L'invention se rapporte plus particulièrement à l'exécution du patin de clignement 5 Peur comprendre les techniques d'équilibrage appliquées dans cette invention, il convient d'exposer d'abord les principes connus de 1'équli brage hydrostatique et du fonctionnement d'un patin' action hydrodynamique.
Dans la fige 4 est représenté un patin pourvu d'un équilibrage hydrostatique appliqué à un piston d'une pompe hydraulique suivant une exécution connue. loi la base du patin 5 est exécutée sous la forme d'un collier central 10 formant une caité de superficie Y reliée par un étrangleur 11 et un canal 12 à un canal 13 ménage dans le piston 3 et ainsi au volume 9 du cylindre, entre le fond de celui-ci et le pistons
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@ Soit ? la superficie totale de la base du patin 5;
là super- fiai. de la surface du collier qui me rapproche le plus près
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de la surface 7 du disque 6 est alors (?-Y)* Soit p la pres- $ion régnant sur les pistons, A la section des piston et Y l'angle d'inclinaison entre l'axe du piston et l'axe du pa-
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tin. Par suite de la pression P# le piston 3 subit une char- se axiale p. A et le patin une charge . 8uppo.ont que les, "Ci 8X dimensions I et 7 noient telles que l'équilibrage hydrosta- tique soit total, c'est-à-dire qu'il n'y ait plus d* contact métallique entre le collier du patin et la surface 7 du dis que 6 et que le patin flotte sur un fila d'huile.
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Pour entretenir ce film d'huile, un débit de fuite ont C4- ceaeairet En désignant par Pl la pression régnant 4ana la cavité du collier, la pression hydrostatique entre la sur-
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face du collier (7-T) et la $=face 7 diminuera dans le non* radial, de ' au bord intérieur du collier vers zéro au bord extérieur de la base du patin, ceci sous l'effet du débit de fuite qu Pratiquement, on peut considérer approximativement cette chute de pression comme étant linéaire,
de sorte qu'on obtient une répartition des pressions hydrostatiques sur la
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base du patin comme représenté sur la tîgo 5* L'effort total d'équilibrage hydrostatique d'un tel patin est^ représenté par la superficie du 1 diagramme des pressions.
Par ailleurs on peut facilement calculer cet effort total en présumant que la pression totale p règne sur la superficie
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f, t étant la moyenne entre Y et Y. L'effort d'équilibrage hydrostatique devient alors p' (7 * 7) # Pl f
Considérons l'équilibre des forces sur le patin 5 Pour que le patin flotte (équilibrage total) il faut avoir,
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dana l1 équilibrage des forées P' a t - 0 ' A-$ qut p* duns eue p toro.. ... - que soit plus petit/pour obtenir un flux d'huile q à travers
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l*étrangleur il Ceci cet facilement réalisable en prenant t plus grand que A ..A.
ce moment là, l'équilibrage total cos est assure et le patin va se soulever d'une valeur h (des-
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e.s6 fortement agrandi et donc hors échelle) déterminée par la pression pl et le débit q à travers l'étrangleur 11 rfa- lise par la chute de pression pep'.
Le rôle de le4trangleur sot en premier lieu de limiter le débit de fuite q et en deuxième lieu de procurer une etabî- lité à l'équilibrage} en ce acné que la hauteur h variera peu en variant l'angle X ou la pression p ou en ajoutant des forces dynamiques, ceci à condition que toutes la* distensions soient choisies judicieusement*
L'ensemble fonctionne alors comme un régulateur, la hauteur h étant réglée en fonction de la charge sur le patine
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Dans ce qui précède, on a considéré seulement l"qui- libre des forces sur le patin 5 Par nuit* de la construction de la base du patin, la résultant* de l'équilibrage hydros. tatique passe par le centre de la charnière sphérique ,
reliant
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le patin au piston o'.st-A-d1rt que l'équilibrage considéré ne peut supporter aucun moment agissant autour du centre de la charnière sur le patin et est donc incomplet. En effet, par suite du mouvement relatif oscillant des pistons dans
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leurs patine, un couple de frottement Je se produit dans la charnière sphérique et se transmet au patin, lequel couple provoque alors nécessairement un basculement de la base du patin.
La hauteur calculée h n'est donc qu'une hauteur moyen- ne et le patin va culbuter et frotter métal sur métal, par un de ses cotée, avec une force k déterminée par l'expression
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k. au 11, dans laquelle a désigne le rayon de la base du patin*
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On voit atout que dans un tel diapoaitif le frottement (sur don louche. 4fhu11e) n'est pas collet et qu'il en résulte un frottement onctueux sur un coté du patin* La présenta invention prévoit des aoyena d'équili-
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brage dudit moment de frottement, tout en eoMeyv<mt le principe d'équilibrage hydrostatique comme décrit oi-4'88.
f, Selon l'invention,un moyen consiste à prévoir au moins trois colliers similaires répartie sur la surface de bas$ du patin.
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notamment trois colliers 10a, lOb, 10o dans l'....p1.,111u8. tri aux figures 6 et 7, la Nomme des surfaces moyennes ta + tb + to de ces colliers étant égale & la surtaos f du collier unique remplacée En ce cas$ la force totale agissant sur le patin BjA#*' est répartie en trot* forces ka, kb, ko en- cos x gendréee par des pressions paf pb, po régnant dans les os- vitès respectives et os$ pressions peuvent ne différer, car chaque cavité possède son propre étrangleur 11 relié par un
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canal 12 au canal commun 13 ménagé dans le piéton.
ton forces ka, kb, ko ne doivent donc pas tire néeeeaairement Identiques, la différence entre eta forces provoquant les réactions nié- cessaïres pour équilibrer hydrost&tiqueaent Xe moment X résultant du frottement dans l'articulation.
En outre, chaque collier se réglera à sa propre hauteur ha,
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hb# ho (dessinés fortement agrandie), jusqu'à 00 que les forces ka, kb, c nécessaires pour équilibrer totalement le patin soient établisse
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Il est prévu au minimum trois colliers distribuée sur la sur face de base d'un potin. de façon à pouvoir supporter le mo- ment M due n'importe quelle direction.
Un autre moyen selon l'invention consiste à prévoir, sur les deux cotée d'un cellier central, deux surfaces à effet hydro-
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dynamique, selon les figurée 11 et 12.
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Pour mieux comprendre l'action d'une telle surface, oou1.. dirons d'abord la lise 8
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Celle-ci représente un bloohet ou patin > avec une surface plane qui Constitue la surface à effet hydrodynamique et qui se déplace à vitesse V par rapport à une surface piano 7
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le tout étant immergé dans de l'huile.
Le blochet est ar- ticulé en un point m qui se trouve z une ntrio:t. t6 . par rapport au centre de ce bloohet* Par cuite du mouvement il et forme un "coin d'huile% dont les caractéristiques ont été
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établie. par Osborne Reynolds et qui sont basées au la loi de Newton concernant les frottements internes dans -un fluide
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Ces caractéristiques Bout exprimées dam la courbe de ré- partition den pressions figurée sur la fige 9'' Ces pressions hydrodynamiques provoquent un soulèvement du
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blochet par leur résultante R.
Cette résultante passe théo- riquement par le point d'articulation me Pour avoir une action hydrodynamique par un "ooia d'huile", cette résultante doit nécessairement passer entre le centre de la surface plane du blochet et l'arête de sortie d'huile
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entre le bloctet > et la surface 7* Si cette condition est remplie, le bloohet a une action stable$ 0' est-à-dire le blochet s'incline et et règle a. un angle d'inclinaison x (dessiné hors échelle) qui est fonction de la distance d en- tre la ligne d'action de la charge résultante R et la ligne
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centrale c'est-à-dire la ligne passant par le centre de la surface active du blochet et perpendiculaire à la surface 7.
Les hauteurs de sortit bu et d'entrée ho #ont fonction de cet angle x et, en plus, de la grandeur de la résultante, ou de la charge et de la vitesse V
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Selon la présente invention, le point d'articulation m n'est
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pas un point, mais une charnière aphêtique d'une certaine grandeur, reliant le patin' au piston o Oette articulation nécessita un moment de frottement M qui peut être remplace, comme indique sur la fige 10, par un déplacement de la char-
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ce PI tangente au cercle de frottement de la charnière.
ils* ait suivant la direction des mouvements dtpj l'm1ou1ation, la charge Il peut se trouver en amont ou en aval du point d'articulation 29 à une distance d zaxe ou d ain* Les dimen- .ion. de l'ensemble, et en particulier la distance *9 sont ohoinien telles que dans ces deux cas la résultant* a qui doit équilibrer la charge PI peut travailler sur ces deux
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distances en assurant la condition de stabilité du bloohet, comme décrite ci-dessus.
L'application, selon la présente invention, de deux de et$
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blooheta est représentée dans les fige 11 et 12. tu ce cas$ les deux bloohetog comportant les surfaces Q et 0 à action ., hydrodynamique sont disposés de part et d'autre d'un collier central 10 Ces surfaces sont agencées de telle façon quel- les produisent une action hydrodynamique sous l'effet de la ,
vîtes$@ relative V les surfaces Q et S sont disposée* symétriquement par rapport à la ligne de mouvement du centre du collier 10 relativement au disque 6, et sont donc décalées suivant la direction aa
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diale, c'est-à-dire la direction perpendiculaire a l'arbre 1 d'entrattement de la pompe ou moteur.
La ligne reliant le* centres des surfaces q et a cet décalé@ d'une distance 0 vers levant du centre du collier 10, donc pratiquement fors l'te vant du centre d'articulation du patin, dans le sont de la vitesse V c'est-à-dire la direction du mouvement relatif du
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patin 5 par rapport au disque 6 La distança e est choisie telle que la stabilité de chaque bloohet soit assurée, ainsi chaque bloehet peut équilibrer le couple de frottement dans l'articulation t'exerçant dans un plan contenant V.
Le couple de frottement se manifestant dans un plan radial aur l'axe de la pompe est ici équilibré
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par le fait qu'il est prévu deux bloehete et trouvant à une distance 3 l'un de l'autre, car chaque bloohet travaille in- d'pend.mm'1 le$ épaisseur$ des couche$ d'huile pouvant être différentes par suite de l'articulation, les réaction
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Br et Ex peuvent être différentes et la différence entre cet réactions équilibrera le couple de frottement dans le sens radial, tel que M " (Bx - 17). fg l'équilibre total de forces sur les partie* étant p' . t + Ex + Ry "jL .
cos x
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Ainsi on constate que par cette disposition suivant l'inven- tion le couple de frottement dans l'articulation est équili- br6 h1dt.aulique..nt dans tous les sens finalement il convient de noter que les réactions az et 17 sont beaucoup plus petites que la réaction p' w f, e'eat'-a'" dire que les surfaces des blochets ou patins auppl4aentairea ne sont pas grandes par rapport à la section du piston même en exigeant une épaisseur de couche d'huile relativement grande, ce qui n'est pas le cas dans l'application d'un seul
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patin de glissement hydrodynamique sans un équilibrage hyditom statique supplémentaire* Aussi$ quand la vitesse V est nulle au départ d'un moteur hydraulique,
les frottements onctueux
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produite par Rx et Sy sont très faibles , et le couple de dé- marrage est donc assez élevé par rapport au couple à la vîtes- se V, car même à l'arrêt, par suite de l'équilibrage hydres
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tatique au centre, 1' effort¯JptA est équilibré ooapleteMnt* cos
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Pour assurer dans la première solution (tige* 6) les différences entre les hauteurs ha hb ho au minimum, et dans la deuxième solution (tige.
li 12) les différences entre les hauteurs de soulèvement des blochets Q et S au minimum, on peut réduire fortement le couple de frottement Y dans l'articulation piston-patin. en équilibrant hydro- atatiquement cette articulation. Cet équilibrage est bas' sur les mêmes principes que ceux déjà décrits. En pratique on peut exécuter cet équilibrage en prévoyant, par exemple, une gorge circulaire 15 (voir fige, 6 et 11) qui est formée dans la cavité sphérique du patin' et est reliée par une gorge 16 au canal 13 du piston qui est soumis à la pression p.
La gorge 15 limite la surface mine nous la pression p tout en conservant la surface sphérique à l'intérieur de cette gorge comme surface de frottement formant palier pour la sphère dans sa cavité. Cette disposition donne une force d'équilibrage hydrostatique p.f 1 dans laquelle f1 est la superficie moyenne déterminée comme décrit ci-desus.
Pour des raisons pratiques de fonctionnement, on prend p.f1 un peu plus petit que p.A et ce n'est que la différence entre ce% deux forces qui provoquera encore un frottement métal sur métal dans la charnière. Cette différence étant choisie très petite, il en résulte que le couple de frottement M1 créé par ce frottement sera aussi très réduit, I1 va de soi que les collier$ 10 qui ont été représentés sous une forme circulaire peuvent avoir toute autre forme appropriée*