Brevet FR2128776A1 — publié le 19721020

L'invention est relative aux dispositifs de freinage de véhicules utilisant des freins hydrocinetiques et trouve une application pwrticulière, mais non exclusive, aux dispositifs de freinage pour des vehicules ferroviaires. Un frein hydrocinétique comprend essentiellement un to- re à l'intérieur duquel est amené un fluide de travail, par exemple de l'eau ou de l'huile, et qui est formé par un rotor semitorique et un stator semi-torique possédant chacun des ailettes radiales espacées qui définissent une série d'alvéoles autour du rotor et du stator. Le frein agit comme une pompe pour aspirer le fluide de travail autour de lui depuis une entrée vers une sortie et, par son effet rallentisseur sur le rotor, le fluide de travail absorbe l'énergie cinctique du véhicule sur l'essieu ou l'axe de transmission duquel est monté le frein. On sait déjà que le rendement de freinage d'un frein hydrocinétique peut être améliorée si les plans des ailettes du rotor et du stator, au lieu d'être parallèles à l'axe de rotation du retour, sont inclinées par rapport à cet axe de sorte que pour le sens de rotation donné les embouchures des alvéoles du rotor soient dirigées vers l'avant et celles des alvéoles correspondantes du stator soient dirigées vers l'arrire. Cependant, on constate alors une diminution sensible du rendement de freinage pour le sens de rotation inverse. par exemple un frein dont les ailettes ont des plans inclinés de 400 sur l'axe de rotation aura un rendement de freinage pour l'un des sens de rotation d'environ 4,3 fois celui d'un frein dsnt les ailettes seraient parallèles à l'axe de rotation, mais n'aura pour le sens inverse qu'un rendement d'environ 0,2 fois celui d'un frein dont les ailettes seraient parallèles à l'axe de rotation. En conséquence, un simple frein hydrocinétique possédant des ailettes inclinées ne convient pas à des véhicules qui, comme les véhicules ferroviaires, se déplacent dans les deux sens. I1 est donc nécessaire de prvoir deux freins hydrocinétiques pos sédant des ailettes inclinées le faons opposées de manière à pourvoir aux deux sens de déplacement et le principal objet de la présente invention est de proposer une manière avantageuse de réa liser ceci. Suivant l'invention, un dispositif de freinage possède un ensemble-frein hydrocinktique comprenant un ensemble à doubletore formant deux freins hydrocinctiaues montés dos- > -dos et dont les rotors sont reliés entre eux pour tourner dans le même sens, les plans des ailettes du rotor et du stator de l'un des freins étant inclinés sur l'axe de rotation dans le sens opposé a l'incli- naison des plans des ailettes du rotor et du stator de l'autre frein, une conduite d'alimentation de fluide allant d'un réservoir de fluide de travail jusqu'au centre de chacun des tores et les tores étant reliés entre eux par des conduites d'alimentation disposes à leurs périphéries. Ainsi, pour l'un des sens de rotation de ltensemble- frein hydrocinétique à double-tore l'un des tores sera un frein opérant et pour le sens contraire de rotation l'autre tore sera un frein opérant. Le frein bi-directionnel à double-tore ainsi proposé par l'invention présente, par rapport à deux freins montés indépendamment, l'avanta-e de ce que la poussée d'extrémité sur le palier de frein engendrée par des forces non-équilibrées de liquide agissant sur les ailettes et réduite par l'interconnexion des périphéries des deux tores. Ceci signifie que la pression de sortie du tore opérant agit sur la surface tore inopérant pour s'opposer à la poussée d'extrémité du palier de frein. Il est bien connu qu'un frein hydrocinétique n'est pas efficace à de faibles vitesses et le dispositif de freinage suivant l'invention peut comporter un frein à friction en combinaison avec l'ensemble-frein hydrocinFtique pour compléter le couple de freinage fourni par l'ensemble-frein hydrocinétique aux faibles vitesses. Le système de commande de l'ensemble-frein hydrocinétique peut s'effectuer à partir d'un'réservoir pressurisé et peut revêtir une forme semblable à celle décrite dans le Brevet Français N071 OC938. Ainsi, si le système est tel que l'entrée du tore opérant soit maintenue à la pression atmosphérique, le débit d'entrée dans l'ensemble hydrocinétique ne va dépendre que de la pression du réservoir.Le tore opérant va se remplir de fluide jusqu'à ce que des conditions stables soient atteintes, c'est-à-dire que le débit d'entrée soit égal au débit de sortie, et ceci se produira lorsque la chute de pression a travers la conduite de retour, c'est à-dire la pression de sortie du frein moins la pression du reser- voir, sera suffisante pour engendrer le même débit à travers la conduite de retour qu'a travers la conduite d'entrée.Si les conduites d'entrée et de sortie du frein hydrocinétique sont identi ques, le méme débit dans les conduites d'entrée et de sortie se produira lorsque les conditions suivantes seront atteintes : pression du réservoir - o (pression atmosphérique) = pression de sortie du frein - pression du réservoir. Dans ces conditions, l'élévation de pression à travers le tore opérant est égale à deux fois la pression du réservoir; ainsi, le couple de freinage est une fonction de la pression du réservoir. Lorsque le tore opérant se sera complètement rempli, il aura atteint le sommet de son aptitude à fournir un couple de freinage et toute réduction ultérieure de vitesse diminue le couple. Ceci signifie que l'élévation de pression à travers le frein va tomber. Le débit d'entrée doit néanmoins rester égal au débit de sortie (sans tenir compte du faible débit le long de la conduite d'évent) et ceci signifie que la pression d'entrée du tore opérant doit s'élever vers la pression du réservoir, (la conduite d' évent n'est plus opérante), de manière à ce que le débit d'entrée dans le frein soit réduit. La réduction de ce débit sera proportionnelle au manque de couple du frein hydrocinétîque ou au besoin en couple du frein à friction, et pourra être détectez par une comparaison de la pression en un point fixe de la conduite d'entrée avec la pression du réservoir de frein. Tant que ltentrdedu tore est pourvue d'un évent, il y aura un rapport fixe, mais à partir du moment où le frein est plein, le rapport va changer et assurer une sortie proportionnelle aux besoins en freinage mécanique. Un dispositif de freinage et une variante de celui-ci, conformes à l'invention appliqué aux véhicules d'un train et possédant la combinaison d'un ensemble-frein hydrocinétique et d'un frein à friction, vont maintenant être décrits à titre d'exemple en référence aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1 (divisée pour des raisons de dimensions en lestigures la et lb) montre sous forme schématique l'ensemble-frein hydrocinétique et le système de commande qui lui est associé, - la figure 2 montre en vue de face la réalisation du rotor de 1' ensemble-frein hydrocinétique, - la figure 3 montre une vue en coupe du rotor suivant la ligne III-III de la figure 2 en nême temps qu'une coupe partielle du stator qui lui est associé, et - la figure 4 montre une variante de ltensemble-frein hydrocinétique. L'ensemble-frein hydrocinétique comprend un ensemble à double-tore 1 possédant un enseble-rator 2 qui constitue deux rotors 3 et 4. L'ensemble-rotor 2 est supporté par des paliers 5 sur un ensemble-stator 6 qui constitue deux stators 7 et 8. Ainsi l'ensemble à double-tore comprend en fait deux freins hydrocinétiques montés dos à dos. Lorsqu'on ajuste l'ensemble-frein dans l'essieu creux d'un véhicule ferroviaire, l'ensemble-rotor 1 est fixé à l'essieu creux et l'ensemble-statar 6 est fixé à un arbre stationnaire qui passe à travers l'essieu creux. la réalisation du stator et du rotor peut être comprise à partir des figures 2 et 3. Chacun des rotors 3 et 4 comprend un demi-tore 9 muni d'ailettes radiales 10 qui forment une série d'alvéoles 11 autour du demi-tore. Les plans des ailettes 10 sont inclinés d'environ 400 sur l'axe de rotation 12 du rotor. Les rotors 3 et 4 sont disposés dans l'ensemble-rotor 2 de manière à ce que les plans des ailettes 10 du rotor 3 soient inclinés sur l'axe de rotation de faon opposée aux plans des ailettes du rotor 4. les stators 7 et 8 sont également des constructions semi-toriques et ont une disposition à ailettes inclinées semblable à celle des rotors 3 et 4.Chaque stator est disposé dans l'ensemble-stator 6 de manière à faire face au rotor qui lui est associé pour former un to- re complet, les plans des ailettes 14 du stator étant inclinés sur l'axe de rotation dans le même sens que les plans des ailettes du rotor qui lui est associé comme on peut le voir à la figuré 3. Certaines des ailettes 14 du stator peuvent comporter des conduites 15 pour amener le fluide de travail au centre des tores et assurer des liaisons d'évents qui font communiquer les centres des tores avec l'atmosphère. Pour chaque sens de rotation de l'ensemble-rator 2, le frein dont les alvéoles sont diriges vers l'avant par rapport au sens de rotation sera le frein le plus opérant. A l'intérieur de l'ensemble 1 des conduites d'alimentation en fluide de travail 16 et 17 amènent par l'intermédiaire des conduites 15 dans les ailettes des stators jusqu'aux centres des tores. Les périphéries externes des tores sont reliées entre elles par des conduites d'alimentation de fluide 18 et 19. Des conduites 20 et 21 servent d'évents aux centres des tores vers l'atmosphère par l'intermédiaire d'autres conduites 15 dans les ailettes des stators. Les conduites d'alimentation 16 et 17 sont reliées à un réservoir de fluide de travail sous pression 23 à travers des conduites 24 et 25 et les conduites d'évent 20 et 21 se prolongent par des conduites 26 et 27 qui, à travers des élements de commande qui seront décrits, conduisent à un réservoir atmosphérique 28. On va décrire maintenant le syst;r,e de commande du dispositif de freinage hydrocinctique. Le réservoir de fluide de travail 23 est pressurisé à partir d'un réservoir d'air 29 alimenté à partir d'un compresseur à air disposé sur le train par l'intermé- diaire d'une conduite 30 contenant une soupape de retenue qui maintient la pression dans le réservoir 29 pour une opération de freinage dans le cas où l'alimentation en air est défaillante. La pression d'air dans le réservoir de fluide de travail 23 est commande par la valve régulatrice de pression 32 et la valve-relais 32A en réponse à un signal électrique de demande de freinage provenant du conducteur de train. La compensation du signal de demande de freinage en raison des différences de poids du train est effectuée électriquement avant que le signal n'atteigne la valve régulatrice de pression 32. Une valve à solénoïde 33 et une valve réductrice de pression 34 sont destinées à assurer qu'un freinage à un taux détertniné par la position de la valve réductrice 34 soit possible même si l'alimentation électrique est défaillante. Le processus de freinage transmet une quantité de chaleur considérable au fluide de travail qui est refroidi par passage continu dans un échangeur de cnaleur 22 à travers une pompe 35 et un filtre 36. Dans le circuit de refroidissement est inclus un éjec- teur 37 qui est employé pour vidanger le frein par une conduite d'évacuation 38 en marche normale, réduire la trainance, et également pour enlever tout fluide qui aurait fuit dans le réservoir at mosphérique 28. La valve à flotteur 39 ferme cette conduite lorsque le réservoir atmosphérique est vide et empêche ainsi l'entrée de l'air dans le système évacué.Des soupapes de retenue 40 et 41 empêchent au flux du système de refroidissement de péon trier dans les réservoir, 23 et 28. Des valves de coupu e de frein 43 ferment le flux vers le frein hydrocinétique -i mais collportent un dispositif non-retour de manière - ce que le fluide de travail qui se trouve dans le frein puisse revenir au réservoir 23. Les valves de coupure 43 sont actionnées par l'air fourni par le réservoir 29 et sont connandées par la valve de commutation 44 qui ferme le frein 1 lorsque la pression du réservoir est au-dessous d'une valeur fixée. Une valve à solénolde 45 est utilisée pour couper le frein hydrocinétique aux faibles vitesses lorsqu'il contribue de façon insignifiante à l'effort de freinage. Une valve sélectfioe d'évent 46 assure qu'une seule des conduites d'évent 26 et 27, celle du tore opérant, soit reliée à l'atmosphère et empêche ainsi une perte continue de liquide vers le réservoir atmosphérique en provenance du tore inopérant. La valve sélectUleed'évent 46 est actionnée par des signaux de pression pris sur les conduites d'alimentation principales 24 et 25 du frein. Dans l'éventualité d'un signal de patinage de roue, la valve à solénolde 47 est alimentée, admettant de l'air à haute pression depuis le réservoir 29 vers la conduite d'évent opérante. Ceci va rapidement augmenter la pression à l'entrée du tore, arrêtant la pénétration de fluide de travail et augmentant l'évacuation, réduisant donc rapidement le taux de freinage. A la disparition du signal de patinage, la situation va revenir à des conditions norrnales de freinage. Le frein àfriction est appliqué par des vérins 48. La pression appliquée aux vérins est commandée par la valve de commande 49 qui compare la pression du réservoir 23 à la pression en l'un ou l'autre des points 50 et 51 des conduites 24 et 25 et fournit la pression hydraulique de sortie à travers la conduite 52 nécessaire pour appliquer le frein à friction au niveau requis. Une valve commutatrice 53 compare les ressions aux points 50 et 51 des conduites 24 et 25 et assure que la conduite de pression la plus basse soit connectée à la valve de commande 49 du frein à friction. l'alimentation de la valve à solénoïde 54 supprime la demande de frein à friction soit au-dessus de sa vitesse maxima de fonctionnement, soit à la réception d'!m signal de patinage de roue. Des étranglements réglables 55 sont disposés dans les conduites 24 et 25 pour obtenir la relation correcte entre les pressions des freins hydrocinétiques et l'application du frein à friction. Des pompes 56 assurent l'alimentation hydraulique du système de commande de frein à friction et un accumulateur 57 agit comme alimentation d'appui dans l'éventualité d'une défaillance de puissance. On va maintenant décrire le fonctionnement du freinage. La demande de freinage du conducteur se matérialise par un signal électrique proportionnel au besoin de couple et transmis au régulateur de pression 32. le régulateur produit une pression d'air proportionnelle au signal électrique et transmet cette pression de signal à la valve-relais 32A. La valve-relais, agissant comme un amplificateur de débit, procède à l'élévation de la pression d'air du réservoir 23 au même niveau que la pression de signal. Comme la valve à solénoïde 45 est non-alimentée au-dessus de 40 km/heure par exemple, la pression d'air dans le réservoir de frein passe à travers ce solénolde jusqu'à la valve commutatrice 44 qui s'ouvre. L'ouverture de la valve commutatrice 44 permet à la pression d'air d'ouvrir la valve de coupure 43. Le fluide de travail va ensuite s'écouler du réservoir 23 à travers les deux conduites principales d'alimentation 24 et 25 vers le frein 1, et les deux tores ainsi que leurs surfaces d'entrées correspondantes vont se remplir sensiblement à la même vitesse. Les tores sont équivalents à deux pompes centrifuges opposées, l'une étant opérante et l'autre non-opérante . Lorsque les tores commencent à se remplir, l'élévation de pression de part et d'autre d'un tore opérant même partiellement rempli va être considérablement supérieure à la pression opposée à la précédente de part et d'autre d'un tore non-opérant complètement rempli. Au fur et à mesure que les tores se remplissent, le débit le long de la conduite d'alimentation qui mène au tore non-opérant va se réduire et éventuellement s'écouler dans le sens inverse, transformant cette conduite d'alimentation en conduite de retour. La valve commutatrice d'évent 46, dont l'état antérieur est indifférent, va maintenant prendre une position où seul l'évent du tore opérant est ouvert à l'atmosphère.La valve-relais 32A va continuer à augmenter la pression d'air dans le réservoir de frein jusqu'au niveau requis et la valve va maintenir la pression d'air requise, en dépit des changements de volume dus à la chute de niveau du liquide. les opérations précédentes ont pour conséquence l'obtention de conditions stables avec une élévation de pression de part et d'autre du frein d'environ le double de la pression du réservoir. La valve comnutatrice 53 va se fixer dans une position qui relie la pression de la conduite d'alimentation à la valve de commande 49 du frein à friction, mais, à une vitesse du train de 100 km/heure et au-dessus, la valve à solénoïde 54 sera alimentée et le frein à friction sera non-opérant. Au contraire, quand la vitesse du train tombe en-dessous de 100 km/heure, le salénoide sera non-alimenté et le frein à friction sera opérant. Au fur et à mesu re que la vitesse du train se réduit, le tore opérant va exiger de plus en plus de fluide de travail pour maintenir l'élévation de pression demandée et donc le couple requis.Lorsque le tore opérant est complètement rempli de liquide il ne sera pas capable de maintenir le couple relis ou la pression requise et le rapport des deux pressions de signal fournies à la valve de commande 49 du frein à friction va commencer à se modifier. La valve 49 va alors transmettre la pression hydraulique aux vérins 48 du frein à friction pour compenser la défaillance du frein hydrocinétique 1 et maintenir ainsi le taux de décélération au niveau requis. Au cours d'une application de frein, il se produira un écoulement de liquide du frein vers le réservoir 23 à travers la conduite d'évacuation 38, mais cet écoulement n'aura que peu d'effet sur le système puisque l'alésage de la conduite 38 est très inférieur à ceux des conduites principales d'alimentation 29 et 25. En plus de cet écoulement d'évacuation mais après remplissage complet du tore opérant, il y aura un écoulement continu par la conduite d'évent vers le réservoir atmosphérique 28. Lorsque la vitesse du train est tombée à 40 i heure, la valve à solénoïde 45 va être alimentée, coupant l'alimentation d'air qui actionne les valves de coupure 43.Ces valves vont se fermer, empêchant un écoulement dans le frein hydrocinétique, mais continuant à autoriser le fluide de travail à quitter le frein, ce qui a pour conséquence de confier au frein à frictionla totalité de l'effort de freinage. L'arrêt de demande de frein va entraîner le régulateur de pression à relier la valve 32A à l'atmosphère, ce qui à son tour établit l'évent du réservoir de frein 23 à l'atmosphère. Cette opération assure que la valve de coupure 43-du frein hydro- cinétique est complètement fermée, et elle assure également l'absence d'application ultérieure du frein mécanique. L'éJecteur 37, qui fonctionne de façon continue dans le flux du circuit de refroidissement, va extraire tout liquide du réservoir atmosphérique 28 et le ramener au réservoir 23, ainsi que vider le frein 1 de tout liquide et continuer d'extraire l'air du frein pour réduire jeu et trainance. La "fermeture" du système de frein est équivalente à une défaillance électrique, c'est à dire que le réservoir de frein 23 va être mis sous pression pour appliquer un taux donné de frei- nage et ceci engendrerait une perte de liquide à travers la conduite d'évent. Pour empêcher ceci, un robinet d'isolement 58 est disposé dans caque système de frein et le processus de "fermeture" est le suivant a - La demande de freinage doit être supprimée. b - On actionne le robinet d'isolement 58 de chaque système de frein pour isoler les réservoirs d'air. c - On coupe l'alimentation électrique. Un commutateur de pression 59 donne une alarme si le robinet d'isolement actionné à la main a été laissé en position de "fermeture" quand le train repart, ou si, pour toute autre raison, la pression d'air n'est tas disponible pour le frein d'un essieu quelconque. Dans le dispositif de freinage décrit ci-dessus, l'écoulement du fluide de travail se fait à partir du réservoir 23 à travers le tore opérant pris à travers le tore non-opérant avec retour au réservoir 23. Ainsi, le fluide de travail s'écoule en série à travers les deux tores. Dans l'ensemble modifié représenté à la figure 4 le fluide de travail s'écoule en parallèle à travers les deux tores. En se référant à la figure 4, on a employé les mêmes nombres de référence qu'à la figure 1 pour désigner des parues correspondantes. Ainsi l'ensemble double-tore 1 possède un ensemble tore 2 constituant deux rotors 3 et 4 et supporté par des paliers 5 sur un ensemble stator 6 constituant deux stators 7 et 8. Les deux conduites 21 et 22 assurent l'évent des centres des tores à l'atmosphère et les deux conduites 24 et 25 relient les deux tores au réservoir sous pression 23. A la différence de la disposition de la figure 1 cependant, la conduite 24 se subdivise vers les centres des deux tores par l'intermédiaire des valves à sens unique 60 et 61 et les périphéries des deux tores, qui sont reliées par les conduites 18 et 19, sont connectées à la conduite 2 qui sert de conduite de sortie. Les valves à sens unique empêchent la circulation du fluide de travail entre les deux tores. Avec la dispiisit;ion de la figure 4, la conduite d'alitentation en fluide 24 sert toujours de conduite d'entrée et la conduite 25 sert toujours de conduite de sortie, à la différence de la disposition de la figure 1 où elles assurent les deux fonctions suivant le sens de rotation du frein. En conséquence, bien que le même système de commande de base que celui représenté à la figure 1 puisse être employé avec la disposition de la figure 4, il peut être simplifié. REVENDICATIONS 1 - Dispositif de freinage de véhicule caractérisé en ce qu'il possède un ensemble-frein hydrocinétique comprenant un ensemble à double-tore formant deux freins hydrocinétiques montés dos-à-dos et dont les rotors sont reliés entre eux pour tourner dans le même sens, les plans des ailettes dz rotor et du stator de l'un des freins entant inclinés sur l'axe de rotation dans le sens opposé à l'inclinaison des plans des ailettes du rotor et du stator de l'autre frein, une conduite d'alimentation de fluide allant d'un réservoir de fluide de travail jusqu'au centre de chacun des tores et les tores étant reliés entre eux par des conduites d'alimentation disposées à leurs périphéries. 2 - Dispositif de freinage de véhicule suivant la revendication 1 caractérisé en ce que le centre de chaque tore communi- que avec le réservoir de fluide de travail par l'intermédiaire d'une conduite d'alimentation correspondante, les périphéries des deux tores étant reliées entre elles pour permettre une alimentation de fluide d'un tore à l'autre de sorte que l'alimentatiun de fluide ait lieu en série à travers les deux tores. 3 - Dispositif de freinage de véhicule suivant la revendication 1 caractérisé en ce que les centres des tores sont reliés par une conduite commune au réservoir de fluide de travail, les pdriph-ries des deux tores étant reliées par une conduite commune au réservoir de fluide de travail. 4 - Dispositif de freinage de véhicule suivant l'une des revendications i à 3 caractérisé en ce que le centre de chaque tore a un évent à l'atmosphère, le réservoir de fluide de travail étant un réservoir sous pression et des moyens de réglage étant susceptibles d'établir la pression dans le réservoir à une valeur liée à un couple de freinage requis.