FR3132934A1 - Machine tournante hydraulique - Google Patents

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Abstract

L’invention concerne une machine tournante hydraulique à pistons comprenant : un carter (102), un plateau biais (130) monté dans le carter, un arbre d’entrainement (100) et un barillet (104) montés dans le carter, une pluralité de pistons (106) situés dans des alésage ménagés dans le barillet, la pluralité de pistons prenant appuis au niveau d'une première extrémité contre le plateau biais, une culasse de distribution (110), contre laquelle le barillet prend appui à l'opposé du plateau biais, dans laquelle la distribution de la machine tournante hydraulique est assurée par la culasse de distribution, la culasse de distribution comportant deux lunules permettant l'aspiration et le refoulement d'un liquide dans la machine tournante hydraulique, et dans laquelle la culasse de distribution est une pièce de fonte comprenant une surface sur laquelle un revêtement de métal tendre (111) a été déposé, le revêtement de métal tendre étant en contact avec le barillet. Figure pour l’abrégé : Fig. 4

Description

Machine tournante hydraulique
L’invention se rapporte d’une façon générale au domaine des machines tournantes hydrauliques à pistons. Plus particulièrement, l’invention est relative aux pompes hydrauliques à pistons et aux moteurs hydrauliques à pistons.
 Arrière-plan technologique
Il existe différents types de machines tournantes hydrauliques. Elles comportent principalement un carter, un plateau biais et un barillet montés dans le carter ainsi qu’une pluralité de pistons intégrés dans le barillet.
Dans DE102010046216A1 ou dans US2009120278, la distribution est autorisée par l’intermédiaire d’une glace de distribution qui est une pièce rapportée entre le barillet et la culasse qui ferme le carter de pompe. La glace de distribution comporte un passage traversant formé par deux lunules qui permettent le passage du liquide et plus particulièrement l’aspiration et le refoulement du liquide dans la pompe hydraulique.
La glace de distribution est une pièce rapportée qui joue un rôle important car elle doit permettre notamment l’étanchéité de l’interface entre le barillet et la culasse. La glace de distribution comporte une surface de glissement en contact avec le barillet permettant de limiter les forces de frottement contre le barillet.
La glace de distribution est une pièce amovible pouvant, en cas d’usure, être remplacée.
Cependant, la glace de distribution peut engendrer des fuites de liquide hydraulique et donc endommager ou diminuer les performances de la machine tournante hydraulique.
Résumé
Une idée à la base de l’invention est de proposer une machine tournante hydrauliques à pistons présent une faible usure en fonctionnement et dont le nombre de pièce constitutive soit réduit pour réduire les coûts de fabrication.
Une idée de base de l’invention est d’améliorer les performances énergétiques de la machine tournante hydraulique en supprimant les zones de fuites hydrauliques liées à l’utilisation d’une glace de distribution.
Une autre idée à la base de l’invention est de proposer une pompe hydraulique à pistons et/ou un moteur hydraulique à pistons alternatif.
Une autre idée à la base de l’invention est de proposer un procédé de préparation d’une culasse de distribution bi-matière destinée à être intégrée dans une machine tournante hydraulique.
Selon un mode de réalisation, l’invention fournit une machine tournante hydraulique à pistons comprenant :
un carter,
un plateau biais monté dans le carter,
un arbre d’entrainement et un barillet montés en rotation dans le carter,
une pluralité de pistons axiaux coulissants situés dans des alésage ménagés dans le barillet, la pluralité de pistons axiaux prenant appuis au niveau d'une première extrémité contre le plateau biais,
une culasse de distribution agencée pour fermer le carter, contre laquelle le barillet prend appui à l'opposé du plateau biais, la culasse de distribution étant située à l’opposé de l’arbre d’entrainement,
dans laquelle la distribution de la machine tournante hydraulique est assurée par la culasse de distribution, la culasse de distribution comportant deux lunules permettant l'aspiration et le refoulement d'un liquide dans la machine tournante hydraulique,
et dans laquelle la culasse de distribution est une pièce de fonte comprenant une surface sur laquelle un revêtement de métal tendre a été déposé, le revêtement de métal tendre étant en contact avec le barillet
Grâce à ces caractéristiques, la machine tournante hydraulique possède un bon rendement avec une bonne tolérance aux vitesses de rotation élevées sans que la pression de refoulement ne provoque la séparation du barillet et de la culasse de distribution.
Selon des modes de réalisation, une telle machine tournante hydraulique peut comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes.
Le terme « métal tendre » est défini dans le présent texte comme étant un métal malléable et ductile, c’est-à-dire pouvant être déformé, étendu sans se fragmenter, ni se briser dans des conditions de pression d’environ 10x104Pa et de température comprise entre 10 °C et 60 °C.
Selon un mode de réalisation, le métal tendre est un alliage métallique non ferreux.
Selon un mode de réalisation, le métal tendre est un alliage métallique non ferreux comprenant de l’or, de l’argent, du cuivre, de l’aluminium, de l’étain, du platine, du palladium, du plomb, du zinc ou un mélange de ces métaux.
Selon un mode de réalisation, l’alliage métallique non ferreux comprend au moins 51 % de cuivre par rapport au poids total de l’alliage métallique non ferreux.
Selon un mode de réalisation, le métal tendre est choisi parmi : le bronze ou le laiton.
Selon un mode de réalisation, l’épaisseur du revêtement de métal tendre est comprise entre 0.5 et 3,5 mm, préférentiellement comprise entre 1 et 2 mm.
Selon un mode de réalisation, le revêtement de métal tendre a été déposé directement sur la pièce de fonte par une technique choisie parmi : le brasage, la pulvérisation à froid, dépôt sous vide et la production additive.
Selon un mode de réalisation, le revêtement de métal tendre a été déposé directement sur la pièce de fonte par projection de poudre avec fusion par faisceau laser. Grâce à ces caractéristiques, le revêtement de métal tendre peut être formé de manière bien contrôlée et précise et offrir une excellente tenue dans la durée. En outre, cela permet de former un dépôt avec peu de perte de matière première et donc un dépôt à moindre coût.
Selon un mode de réalisation, le revêtement de métal tendre est situé uniquement sur la surface de la pièce de fonte destinée à être en contact avec le barillet.
Selon un mode de réalisation, la machine tournante hydraulique est une pompe hydraulique.
Selon un mode de réalisation, la machine tournante hydraulique est un moteur hydraulique.
Selon un mode de réalisation, la machine tournante hydraulique est réversible et fonctionne soit en pompe hydraulique, soit en moteur hydraulique.
Selon un mode de réalisation, machine tournante hydraulique à pistons comporte entre 2 et 12 pistons, préférentiellement entre 4 et 8 pistons, par exemple 6 pistons.
Selon un mode de réalisation, l’arbre et le barillet sont à double sens de rotation.
D’une manière générale, la présente invention est conçue pour fonctionner sur une pluralité de machines tournantes hydrauliques, notamment les moteurs ou pompes hydrauliques à pistons de type : à sens unique de rotation, à deux sens de rotation, à cylindrée fixe, à cylindrée variable, à axe brisé, ou toute combinaison d’une ou plusieurs de ces caractéristiques.
Selon un mode de réalisation, l’invention à pour deuxième objet un procédé de préparation d’une culasse de distribution bi-matière, la culasse de distribution étant destinée à être intégrée dans une machine hydraulique à pistons, le procédé comprenant une étape de dépôt d’une couche d’un métal tendre directement sur une surface d’une pièce de fonte formant culasse afin de former une pièce bi-matière.
Selon un mode de réalisation, le dépôt est effectué par projection de poudre avec fusion par faisceau laser.
Selon un mode de réalisation, la couche de métal tendre déposée lors de l’étape de dépôt est comprise entre 0.5 et 3,5 mm, préférentiellement comprise entre 1 et 2 mm.
Selon un mode de réalisation, la couche de revêtement de métal tendre est déposée uniquement sur une surface de la pièce de fonte destinée à être en contact avec un barillet rotatif.
Grâce à ces caractéristiques, la quantité de métal tendre utilisé est réduit. Ainsi, le procédé est économique.
Selon un mode de réalisation, le procédé comporte en outre une étape d’usinage d’au moins un canal de distribution dans la pièce de fonte formant culasse avant ou après le dépôt de la couche de métal tendre.
Selon un mode de réalisation, le procédé comporte en outre une étape d’assemblage de la culasse de distribution bi-matière à un carter afin de former une machine tournante hydraulique.
 Brève description des figures
L’invention sera mieux comprise, et d'autres buts, détails, caractéristiques et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement au cours de la description suivante de plusieurs modes de réalisation particuliers de l’invention, donnés uniquement à titre illustratif et non limitatif, en référence aux dessins annexés.
La représente une vue en coupe d’une machine tournante selon un mode de réalisation.
La est une vue agrandie de la zone II illustrée sur la .
La est une vue en coupe d’une machine tournante à axe brisé, selon un autre mode de réalisation.
La est une vue en perspective d’une culasse de distribution convenant pour la machine de la .
La représente une machine tournante à pistons I, de type pompe/moteur hydraulique à plateau biais réversible et à cylindrée variable.
La machine tournante à piston I comporte les éléments suivants :
un carter 2 dans lequel sont disposés un arbre d’entrainement 1 et un barillet 4 montés en rotation dans le carter 2 via un système de roulement à billes. Le barillet 4 présente des alésages formant cylindres dans lesquels sont logés de manière coulissante une pluralité de pistons axiaux 6.
Ces pistons axiaux 6 viennent prendre appui par leurs têtes 6a contre un plateau biais 30 qui est en position oblique et qui est fixe en rotation de sorte que, lorsque le barillet 4 tourne via l’action de l’arbre d’entrainement 1, les pistons axiaux 6 sont animés d'un mouvement de va-et-vient.
Une culasse de distribution 10 cylindrique est enfilée dans l'extrémité cylindrique 21 du carter 2 et est agencée afin de fermer le carter 2.
La culasse de distribution 10 est bloquée contre tout déplacement axial par un rebord de butée 23 de l'extrémité 21 du carter 2 et est immobilisée en rotation par une vis 18, l'étanchéité étant assurée par un ou plusieurs joints 19.
La culasse de distribution 10 comporte deux lunules formant les lumières 12 et 13 permettant l'aspiration et le refoulement d'un liquide dans la machine tournante hydraulique.
En outre, la culasse de distribution 10 comporte un premier alésage de culasse 14 et un deuxième alésage de culasse 15. L'alésage 15 pratiqué dans la culasse de distribution 10 communique avec la lumière 13 et l’alésage 14 communique avec la lumière 12.
Pour un sens de rotation de l'arbre 1, la lumière 12 est la lumière d'aspiration et la lumière 13 la lumière de refoulement.
Si l'on inverse le sens de rotation de l'arbre 1 la lumière 13 devient lumière d'aspiration et la lumière 12 lumière de refoulement.
Afin d’inverser le sens de rotation, il suffit de dévisser la vis 18 et de faire tourner sur elle-même d'environ 180 degrés la culasse de distribution 10 pour inverser le sens de rotation de la machine tournante à piston I.
La machine tournante hydraulique I comprend un volume interne 20 situé dans le carter 2. Le volume interne est rempli de l’huile hydraulique faisant l’objet du pompage et permet ainsi de lubrifier les pièces en mouvement. L’huile hydraulique n’est pas sous pression de sorte que l’étanchéité du volume interne 20 est facilement assurée par des joints.
Dans l'exemple représenté, le plateau biais 30 est un plateau à inclinaison variable, mais il pourrait être à inclinaison fixe.
A l'arrière de chaque alésage du barillet 4 est disposé un perçage 8 qui débouche contre la face avant 11 de la culasse de distribution 10.
La est une vue agrandie de la zone II illustrée sur la , elle illustre la zone de contact entre le barillet 4 et la culasse de distribution 10.
La culasse de distribution 10 est formée par une pièce de fonte revêtue d’une surface de métal tendre, par exemple du bronze ou du laiton. L’épaisseur de cette surface est d’environ 1 à 2 mm.
Le barillet 4 prend appui directement contre le revêtement de métal tendre 11 de la culasse de distribution 10. Cet appui est maintenu au moyen d’un ressort 40. La surface de métal tendre est une surface glacée autorisant la rotation du barillet 4 tout en préservant l’étanchéité de la jonction barillet/culasse et en limitant les forces de frottement.
Le revêtement de métal tendre a été déposé directement sur la pièce de fonte par une technique choisie parmi : le brasage, la pulvérisation à froid, dépôt sous vide. De manière préféré, le revêtement de métal tendre a été déposé directement sur la pièce de fonte par projection de poudre avec fusion par faisceau laser.
Une telle projection de poudre avec fusion par faisceau laser est effectuée au moyen d’une machine de dépôt de métal au laser.
La machine de dépôt de métal tendre au laser peut comporter les caractéristiques suivantes :
- une tête laser pour réaliser du dépôt métallique de poudre (LMD), la tête laser étant mobile dans un volume de travail déterminé afin de permettre de réaliser le dépôt sur la surface souhaitée. Par exemple, la tête laser peut effectuer une course suivant X (abscisse) jusqu’à 800 mm, une course suivant Y (ordonnée) jusqu’à 550 mm et une course suivant Z (cote) jusqu’à 400 mm,
- un système d’axe dynamique, comprenant un axe de rotation et de pivotement permettant de réaliser des dépôts en 3 dimensions,
- un système d’axe dynamique avec un entraînement linéaire,
- un système de traitement d’image intelligent afin de réaliser le dépôt avec une grande précision, le traitement d’image permet la détection automatique de la position de la pièce de fonte et assure ainsi que le dépôt soit toujours positionné au bon endroit,
- un système de capteur de puissance laser, et
- une capacité de délivrer une puissance supérieure à entre 2000W.
Un exemple de machine de dépôt de métal tendre au laser par projection de poudre convenant pour réaliser le procédé de dépôt de métal tendre comporte les données techniques suivantes :
Plage de déplacement axe
Plage de déplacement axe X 800 mm
Plage de déplacement axe Y 600 mm
Plage de déplacement axe Z 400 mm
Plage de déplacement axe B ± 135 °
Vitesses maximum d'axe
Vitesse axiale maximum parallèle aux axes en X 50 m/min
Vitesse axiale maximum parallèle aux axes en Y 50 m/min
Vitesse axiale maximum parallèle aux axes en Z 50 m/min
Vitesse axiale maximum simultanée 85 m/min
Vitesse axiale maximum axe B 120 tr/min
Accélérations maximum des axes
Accélération d'axe maximum parallèle aux axes en X 10 m/s2
Accélération d'axe maximum parallèle aux axes en Y 10 m/s2
Accélération d'axe maximum parallèle aux axes en Z 10 m/s2
Accélération d'axe maximum simultanée 17 m/s2
Accélération d'axe maximum axe B 130 rad/s2
Précision de positionnement
Précision de positionnement axes linéaires (X, Y, Z) 0,015 mm
Précision de positionnement axes de rotation (B) 0,02 °
Lasers
Puissance laser maximum 8000 W
Paramètres laser Laser à solide, à diode ou à fibre
Le procédé de dépôt du revêtement de métal tendre est par exemple un dépôt de bronze. Le procédé comprend une étape de fusion de poudre de bronze au moyen d’un laser, avec une puissance moyenne de 2500W. Cette étape permet de déposer une couche de bronze sur une surface de la pièce de fonte avec une épaisseur comprise entre 0,5 et 3,5mm.
Ce procédé de dépôt de métal tendre est particulièrement avantageux car il permet de maitriser le temps de production et la quantité de métal tendre à utiliser en fonction du dépôt souhaité sur la pièce de fonte. Il permet en outre de maitriser la qualité intrinsèque du composant en garantissant une répétabilité du processus assurée par la machine indiquée ci-dessus.
En moyenne, le temps pour effectuer un dépôt d’un métal tendre selon ce procédé sur une pièce de fonte est de 8 minutes pour déposer 107 grammes de métal tendre sur une épaisseur de 3,5 mm.
Le procédé de dépôt peut également comprendre une étape d’usinage de la couche de revêtement de métal tendre afin de diminuer l’épaisseur du revêtement afin par exemple de passer d’une épaisseur initiale après dépôt de 3,5 mm à une épaisseur de 2 mm.
Comme indiqué précédemment, la présente invention est conçue pour fonctionner sur une pluralité de machines tournantes hydrauliques.
Il est illustré sur la une vue en coupe d’une machine tournante. La machine tournante hydraulique diffère de celle de la en ce qu’elle présente notamment un axe brisé.
A l’intérieur du carter 102 sont disposés : d'une part un arbre moteur 100, portant un plateau d'entraînement 130, perpendiculaire à l'arbre moteur 100 ; d'autre part, un barillet 104 monté à pivotement sur un arbre fixe 5 dont l'axe fait un angle, d'environ 30 à 40 degrés, avec celui de l'arbre moteur 1. La tête sphérique 5a de l'arbre 5 est engagée dans un logement sphérique correspondant ménagé au centre du plateau d'entraînement 130 ; tandis que son autre extrémité est engagée et fixée dans un logement cylindrique 5b ménagé au centre d'une culasse de distribution 110, constituant le fond de la partie oblique du carter 102.
Un ressort de compression 140 maintient le barillet 104 en contact avec le revêtement de métal tendre 111 de la culasse de distribution 110. Le barillet 104 comporte de manière analogue à la des pistons 106 logés de manière coulissante dans des alésages.
La illustre la culasse de distribution 110 comprenant une pièce de fonte 150 sur laquelle un revêtement de métal tendre 111 a été déposé, par exemple par projection de poudre avec fusion par faisceau laser. Le revêtement de métal tendre 111 présente une forme de bande circulaire d’une largeur d’environ 20 mm. Le revêtement de métal tendre 111 forme une surface de glissement pour le barillet 104. Dans ce mode de réalisation, le revêtement est situé sur le contour de la première lunule 112 servant au refoulement et entre la première lunule 112 et la deuxième lunule 113 servant à l’aspiration.
Bien que l'invention ait été décrite en liaison avec plusieurs modes de réalisation particuliers, il est bien évident qu'elle n'y est nullement limitée et qu'elle comprend tous les équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons si celles-ci entrent dans le cadre de l'invention. En effet, la présente invention est conçue pour fonctionner sur une pluralité de machines tournantes hydrauliques.
L’usage du verbe « comporter » ou « comprendre » et de ses formes conjuguées n’exclut pas la présence d’autres éléments ou d’autres étapes que ceux énoncés dans une revendication.
Dans les revendications, tout signe de référence entre parenthèses ne saurait être interprété comme une limitation de la revendication.

Claims (10)

  1. Machine tournante hydraulique (I) à pistons comprenant :
    un carter (2, 102),
    un plateau biais (30,130) monté dans le carter (2, 102),
    un arbre d’entrainement (1, 100) et un barillet (4, 104) montés en rotation dans le carter (2, 102),
    une pluralité de pistons axiaux (6, 106) coulissants situés dans des alésage ménagés dans le barillet (4, 104), la pluralité de pistons axiaux (6, 106) prenant appuis au niveau d’une première extrémité contre le plateau biais (30, 130),
    une culasse de distribution (10, 110) agencée pour fermer le carter (2, 102), contre laquelle le barillet (4, 104) prend appui à l'opposé du plateau biais (30, 130), la culasse de distribution (10, 110) étant située à l’opposé de l’arbre d’entrainement (1, 100),
    dans laquelle la distribution de la machine tournante hydraulique (I) est assurée par la culasse de distribution (10, 110), la culasse de distribution (10, 110) comportant deux lunules (12, 112, 13, 113) permettant l'aspiration et le refoulement d'un liquide dans la machine tournante hydraulique (I),
    et dans laquelle la culasse de distribution (10, 110) est une pièce de fonte comprenant une surface sur laquelle un revêtement de métal tendre (11, 111) a été déposé, le revêtement de métal tendre (11, 111) étant en contact avec le barillet (4, 104).
  2. Machine tournante hydraulique selon la revendication 1, dans laquelle le métal tendre (11, 111) est choisi parmi : le bronze ou le laiton.
  3. Machine tournante hydraulique selon l’une des revendications précédentes, dans laquelle l’épaisseur du revêtement de métal tendre (11, 111) est comprise entre 0,5 et 3,5 mm.
  4. Machine tournante hydraulique selon l’une des revendications précédentes, dans laquelle le revêtement de métal tendre (11, 111) a été déposé directement sur la pièce de fonte par une technique choisie parmi : le brasage, la pulvérisation à froid, dépôt sous vide et la production additive.
  5. Machine tournante hydraulique selon l’une des revendications précédentes, dans laquelle le revêtement de métal tendre (11, 111) a été déposé directement sur la pièce de fonte par projection de poudre avec fusion par faisceau laser.
  6. Machine tournante hydraulique selon l’une des revendications précédentes, dans laquelle la machine tournante hydraulique (I) est une pompe hydraulique.
  7. Machine tournante hydraulique selon l’une des revendications précédentes, dans laquelle la machine tournante hydraulique (I) est un moteur hydraulique.
  8. Machine tournante hydraulique selon l’une des revendications précédentes, dans laquelle la machine tournante hydraulique (I) est réversible et fonctionne soit en pompe hydraulique, soit en moteur hydraulique.
  9. Procédé de préparation d’une culasse de distribution bi-matière, la culasse de distribution étant destinée à être intégrée dans une machine hydraulique à pistons (I), le procédé comprenant une étape de dépôt d’une couche d’un métal tendre (11) directement sur une surface d’une pièce de fonte afin de former une pièce bi-matière, dans lequel le dépôt est effectué par projection de poudre avec fusion par faisceau laser.
  10. Procédé de préparation d’une culasse de distribution bi-matière selon la revendication précédente, dans lequel la couche de revêtement de métal tendre est déposée uniquement sur une surface de la pièce de fonte destinée à être en contact avec un barillet rotatif.
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