Brevet FR2169821A1 — publié le 19730914

La présente invention a pour objet une botte de vitesses offrant plusieurs vitesses différentes sur son arbre de sortie et qui, du fait de sa construction, peut être commandée à distance pour la sélection de l'une quelconque des vitesses disponibles. La botte de vitesses de nombreuses applications, mais a été principalement étudiée pour etre utilisée sur un appareil de forage. Dans ce cas, elle est située au voisinage de 1'extrémité supérieure du mat de l'appareil de forage et entratne la tige de forage. Afin de changer de vitesse dans une botte utilisée jusqu'ici dans ce but, un ouvrier devait grimper au mat pour actionner le mécanisme de changement de vitesses ; mais avec cette invention, tout changement de vitesse exigé peut s'effectuer à partir d'un tableau de commande situé au niveau du sol. En conséquence, l'invention propose une botte de vitesses comportant un carter, un arbre d'entrée et un arbre de sortie, un train d'engrenages raccordant l'arbre d'entrée à l'arbre de sortie par l'intermédiaire de deux embrayages unidirectionnels, de telle sorte que l'arbre de sortie peut etre entraîné à l'une ou l'autre de deux vitesses, mais dans le mme sens, en fonction du sens de rotation de l'arbre d'entrée. L'invention va entre décrite sous deux formes en se reportant au dessin joint, sur lequel - la figure 1 représente schématiquement la disposition des composants de la botte de vitesses de la première forme - la figure 2 représente schématiquement la disposition des composants de la botte de vitesses de la deuxième forme - la figure 3 représente tous les composants de la botte de vitesses de la figure 2, les composants actifs dans l'obten- tion de la première vitesse de l'arbre de sortie de la botte de vitesses étant représentés en traits pleins - la figure 4 est une vue similaire à la figure 3 pour la vitesse supérieure suivante - la figure 5 est une vue similaire à la figure 3 pour la vitesse supérieure suivante - la figure 6 est une vue similaire à la figure 3 pour la vitesse supérieure suivante - la figure 7 est une vue similaire à la figure 3 pour la vitesse supérieure suivante - la figure 8 est une vue similaire à la figure 3 pour la vitesse maximale. - la figure 9 représente les composants de la boîte de vitesses de la figure 2 actifs lors de la rotation inverse de l'arbre de sortie de la boite de vitesses. - la figure 10 est une partie d'un dessin d'ensemble de la boite de vitesses complète de la figure 1. I1 est bien entendu que les composants ci-après décrits sont logés dans un carter agencé pour être lubrifié et monté en position de fonctionnement. Sur la figure 1, on voit un moteur hydraulique 1 ayant un arbre de sortie unique 2 sur lequel est fixé un pignon 3. Le pignon 3 engrène avec un pignon 4 fixé sur un premier arbre intermédiaire 5 supporté par des paliers schématiquement représentés en 6. Le pignon 4 est fixé sur la partie extérieure d'un embrayage unidirectionnel 7 comportant une partie extérieure et une partie intérieure qui peuvent être couplées pour tourner dans le même sens lorsque la partie extérieure tourne dans un sens et désaccouplées lorsque la partie extérieure tourne en sens inverse. De tels embrayages sont connus dans l'industrie sous le nom d'embrayages "SPRAG". La partie intérieure de l'embrayage est fixée sur un arbre de sortie 8 sur lequel est fixé un pignon 9 et qui est supporté par un palier 10. Le pignon 9 engrène avec un pignon 11 fixé sur l'arbre de sortie 12 de la boite de vitesses. I1 s'ensuit que si le moteur 1 tourne par exemple dans le sens des aiguilles d'une montre, le pignon 3 tourne dans le sens des aiguilles d'une montre, le pignon 4 et la partie extérieure de l'embrayage tournent en sens inverse des aiguilles d'une montre et, en fonction de la direction d'entraînement de l'embrayage choisie, l'arbre 8 est entraîné ou ne l'est pas. Supposons que l'embrayage entraîne la partie intérieure et l'arbre de sortie 8 lorsque la partie extérieure de l'embrayage tourne en sens inverse des aiguilles d'une montre ; dans ce cas, le pignon 9 tourne en sens inverse des aiguilles d'une montre et le pignon 11 et l'arbre 12 tournent dans le sens des aiguilles d'une montre. I1 en résulte que, lorsque le pignon 3 tourne dans le sens des aiguilles d'une montre, l'arbre 12 tourne également dans ce sens. Le moteur hydraulique 1 est réversible et il s'ensuit que lorsque le pignon 3 tourne en sens inverse des aiguilles d'une montre, l'arbre 12 ne tourne pas du fait que l'embrayage 7 est en position de non entraînement, la partie extérieure de l'embrayage tournant dans le sens des aiguilles d'une montre et étant désaccouplée de la partie intérieure de l'embrayage. L'arbre 12 peut également être entraîné par un autre ensemble de pignons et embrayage, comportant un pignon 13 également fixé sur l'arbre 5 et engrenant avec un pignon 14 fixé sur un deuxième arbre intermédiaire 15 supporté par des paliers 16. Le pignon 14 est fixé sur la partie extérieure d'un autre embrayage unidirectionnel 17 dont la partie intérieure est fixée sur l'arbre 18 porté par un palier 19. Un pignon 20 est fixé sur l'arbre 18 et engrène avec un pignon 21 fixé sur l'arbre 12. En supposant que les embrayages 7 et 17 soient du méme type, une rotation en sens inverse des aiguilles d'une montre de la partie extérieure provoque l'entraînement de la partie intérieure de l'embrayage. Dans ce cas, lorsque le pignon 3 tourne dans le sens des aiguilles d'une montre, la partie extérieure de l'embrayage 7 est entraînée dans le sens inverse des aiguilles d'une montre et l'arbre 12 est entraîné en rotation par l'intermédiaire des pignons 9 et 11. Lorsque le pignon 3 tourne dans le sens des aiguilles d'une montre, le pignon 13 tourne en sens inverse des aiguilles d'une montre, le pignon 14 tourne dans le sens des aiguilles d'une montre ainsi que la partie extérieure de l'embrayage 17. I1 résulte de la construction de l'embrayage décrit ci-dessus que la partie intérieure de l'embrayage 17 et l'arbre 18 ne sont pas entraînés. La rotation du pignon 3 en sens inverse retourne la situation, c'est-à-dire que l'arbre 8 n'est pas entraîné et que l'arbre 18 est entraîné pour transmettre l'entraînement à l'arbre 12 par l'intermédiaire des pignons 20-21. On doit toutefois noter que le sens de rotation de l'arbre 12 est toujours celui des aiguilles d'une montre. En choisissant les dimensions des pignons 13, 14 et 20-21 par rapport à 9-11, on obtient deux vitesses de l'arbre 12 fixes, mais différentes. Ainsi, il suffit d'inverser le sens de rotation du moteur 1 pour que l'arbre 12 puisse etre entraîné à l'une ou l'autre de deux vitesses différentes, mais dans la meme direction. Afin d'inverser le sens de rotation de l'arbre 12, on prévoit deux pignons de changement de sens. Ces pignons sont repérés 22 et 23 et sont respectivement fixés sur les arbres 15 et 12. Pour permettre d'engager en toute sécurité le train de pignons d'inversion de sens, le pignon 23 est fixé sur le pignon 11 et les deux sont couplés sur l'arbre 12 de façon à pouvoir coulisser tout en entraînant cet arbre, par exemple par des clavettes et des chemins de clavettes, ou par des cannelures associées. Pour inverser le sens de rotation de l'arbre 12, les pignons 23 et 22 sont engagés en faisant coulisser l'ensemble 23-11 le long de l'arbre 12. Ceci dégage automatiquement les pignons 11 et 9. Si le pignon 3 tourne dans le sens des aiguilles d'une montre, l'arbre 8 est entraîné, mais les pignons 9 et 11 n'engrènant plus ensemble, l'arbre 12 ne peut plus être entraîné directement par ce trajet. Cependant, un entraînement direct est transmis à l'arbre 15 qui tourne dans le sens des aiguilles d'une montre, et par l'intermédiaire des pignons 22-23, l'arbre 12 tourne dans le sens inverse des aiguilles d'une montre. On doit noter que, lorsque l'arbre 15 tourne dans le sens des aiguilles d'une montre aucun entraînement n'est transmis à l'arbre 18 par l'intermédiaire de l'embrayage 17. Si le pignon 3 tourne en sens inverse des aiguilles d'une montre, il en résulte une rotation de l'arbre 15 dans le sens inverse des aiguilles d'une montre, et l'arbre 12 se trouve entraîné par l'intermédiaire de l'arbre 18 et des pignons 20 et 21 de façon à tourner dans le sens des aiguilles -d'une montre, et non pas en sens inverse comme il est exigé. Ceci a lieu, meme si les pignons d'inversion de sens 22-23 sont engagés, du fait que l'arbre 15 entraîne également l'arbre 12 par l'intermédiaire des pignons 22 et 23 pour faire tourner l'arbre 12 dans le sens des aiguilles d'une montre. Les rapports d'engrenage 22-23 et 20-21 sont les mêmes de façon à être sur que, lorsqu'une boite de vitesses est équipée d'une commande d'inversion de sens, elle ne peut subir aucun dommage si l'on choisit par inadvertance le mauvais sens de rotation pour le moteur 1.Si les rapports d'engrenages différaient, la boite de vitesses pourrait être endommagée du fait qu'une paire de pignons essaierait d'entraîner l'arbre 12 à une vitesse différente de l'autre paire. La boite de vitesses décrite ci-dessus procure un entraînement direct "en avant" à l'une ou l'autre de deux vitesses différentes possibles et un entraînement "en arrière à une vitesse correspondant à l'une des vitesses vers l'avant. Une boite de vitesses comportant deux sections, dont chacune est équipée comme celle qui vient d'être décrite et qui entraînent toutes deux l'arbre 12, est représentée sur la figure 2 ; avec la boîte de vitesses de la figure 2, il est possible d'avoir six vitesses "avant" et une vitesse "arrière". Les divers composants de la deuxième section de la boite de vitesses ont été repérés et leur description est inutile les repères commençant à 31 et se terminant à 49. On doit noter que les pignons 20, 22, 48 et 49 ont tous le même nombre de dents pour la raison de sécurité expliquée ci-dessus lorsque l'on passe en marche "arrière". Les figures 3 à 9 représentent les diverses possibilités de vitesses vers l'avant et l'entraînement arrière. Dans chacune de ces figures, les parties entraînantes sont représentées en traits pleins et les parties inactives sont représentées en tirets. On peut obtenir les plages de vitesses et de couples suivantes pour une boite de vitesses équipant la tige de forage d'un d'un appareil de forage ayant par exemple une / P de profondeur d'au moins 1200 m et utilisant pour alimenter les moteurs hydrauliques une pompe à déplacement variable. On peut obtenir des vitesses intermédiaires en faisant varier le débit de la pompe jusqu'à celui qui donne le nombre de tours par minute maximal indiqué ci-après. Tête de forage vitesse de la broche couple de la broche 1 ère plage 0 à 73 tours/minute 1 410 kgm 2 éme plage O à 120 tours/minute 865 kgm 3 éme plage O à 190 tours/minute 550 kgm 4 éme plage O à 525 tours/minute 198 kgm 5 éme plage O à 900 tours/minute 115 kgm 6 ème plage 0 à 1250 tours/minute 83 kgm marche arrière O à 73 tours/minute 1 410 kgm - la figure 3 représente la première vitesse, les moteurs 1 et 31 étant tous deux entraînés en sens inverse des aiguilles d'une montre - la figure 4 représente la deuxième vitesse avec le moteur 1 entraîné en sens inverse des aiguilles d'une montre - la figure 5 représente la troisième vitesse avec le moteur 31 entraîné en sens inverse des aiguilles d'une montre - la figure 6 représente la quatrième vitesse avec les deux moteurs 1 et 31 tournant dans le sens des aiguilles d'une montre - la figure 7 représente la cinquième vitesse avec le moteur 1 tournant dans le sens des aiguilles d'une montre - la figure 8 montre la sixième vitesse avec le moteur 31 tournant dans le sens des aiguilles d'une montre - la figure 9 montre la marche arrière avec les deux moteurs tournant dans le sens des aiguilles d'une montre et le pignon 23 engrenant avec les pignons 22 et 49 et de ce fait dégagé des pignons 9 et 39. Ce qui précède décrit théoriquement l'invention sous deux formes ; en pratique, les pignons 11-23 sont déplacés sur l'arbre 12 par commande à distance au moyen d'une pression d'huile et la figure 10 représente un procédé permettant d'atteindre ce résultat. - la figure 10 est une partie d'un dessin d'ensemble de toute la boite de vitesses de la figure 1 et, comme on le notera sur la coupe représentée, le dessin d'ensemble complet est extrêmement détaillé et comporte de nombreux composants. Comme les principes de la boite de vitesses peuvent être aisément compris d'après les dessins schématiques utilisés plus haut et comme les détails des types de paliers, la forme des pignons et les types des joints d'huile, etc ne font en aucun cas partie de l'invention, on n'a pas essayé de procurer une vue complète des composants internes de la boite de vitesses. Sur la figure 10, on peut voir que la position des engrenages 22-23 et 9-11 a été inversée en ce sens que les engrenages 9-11 se trouvent au-dessus des engrenages 22-23 sur l'arbre 12. Le diamètre de l'arbre 12 est réduit entre deux parties cannelées 50, 51. Sur la portion 50 se trouve une joue 52 ne pouvant se déplacer dans un sens du fait d'un anneau de serrage 53. Sur la partie 51 se trouve un moyeu 54 auquel le pignon 11 est raccordé par des cannelures 55 et sur lequel le pignon 23 est fixé par des vis 56. Comme on le voit, le pignon 11 engrène avec le pignon 9 et le pignon 23 est dégagé du pignon 22, les pignons étant maintenus dans cette position contre l'action d'un ressort 57 par un ensemble piston-cylindre hydraulique. Le piston comporte un manchon 58 fixé sur le moyeu 54 par des vis 59 et présentant à son extrémité supérieure un élargissement annulaire 60 portant un joint périphérique 61. Le cylindre comporte un fourreau 62 encerclant le piston, avec l'alésage 63 du fourreau 62 portant contre le joint 61. L'extrémité inférieure du fourreau 62 porte un joint 64 qui s'applique contre l'extérieur du manchon 58 il est ainsi formé entre les joints 61 et 64 un volume d'huile A. Le fourreau 62 est fixé en 65 à un élément interne de bati 66 du carter de la bofte de vitesses. De ce qui précède, il apparaît que si l'huile dans le volume A n'est pas soumise à une pression, le ressort 57 fait s'engrener les pignons 22 et 23 et que, aussi longtemps que l'huile dans le volume A est soumise à une pression, les pignons 9 et 11 sont maintenus engrenés. Le système de commande des moteurs et de l'alimentation du volume A en huile sous pression est classique et ne fait pas partie de cette invention. Des robinets connus peuvent être aisément montés sur un tableau de commande éloigné de la boite de vitesses et peuvent être agencés pour envoyer de l'huile sous pression à la boite de vitesses par l'intermédiaire de canali sationshydrauliques. REVENDICATIONS 1. Boite de vitesses, comprenant un carter, un arbre d'entrée et un arbre de sortie, un train de pignons raccordant l'arbre d'entrée à l'arbre de sortie par l'intermédiaire de deux embrayages unidirectionnels, caractérisée en ce que l'arbre de sortie peut être entraîné à l'une ou l'autre de deux vitesses, mais dans le même sens, selon le sens de rotation de l'arbre d'entrée. 2. Boite de vitesses, caractérisée en ce qu'elle comporte un carter, un moteur réversible monté sur le carter et ayant un arbre d'entraînement pouvant tourner alternativement dans des sens opposés, un premier train de pignons raccordant l'arbre moteur à deux embrayages unidirectionnels ayant chacun un arbre de sortie, ces arbres pouvant alternativement tourner en fonction du sens de rotation de L'arbre moteur, et un deuxième et un troisième train de pignons raccordant respectivement chaque arbre de sortie d'embrayage à l'arbre de sortie de la boite de vitesses pour entraîner ce dernier dans le même sens à l'une ou à l'autre de deux vitesses déterminées par le rapport des pignons dans le train de pignons et par le sens de rotation de l'arbre moteur. 3. Boite de vitesses selon la revendication 2, caractérisée en ce que chaque embrayage comporte une pièce d'entraîne- ment et une pièce entraînée qui sont accouplées pour un premier sens de rotation de la pièce d'entraînement et sont désaccouplées pour le sens opposé de rotation de la pièce d'entraînement, et en ce que le premier train de pignons comporte un premier pignon sur l'arbre moteur une première roue dentée sur un premier arbre intermédiaire engrenant avec le premier pignon, la pièce d'entraînement de l'un des embrayages étant fixée sur la première roue dentée, un deuxième pignon fixé sur cette première roue dentée, une deuxième roue dentée fixée sur un deuxième arbre intermédiaire et entraînée par le deuxième pignon, la pièce d'entraînement de l'autre embrayage étant fixée sur la deuxième roue dentée, le deuxième et le troisième train de pignons comportant un troisième et un quatrième pignon fixés respectivement sur les pièces entraînées des embrayages et une troisième et une quatrième roues dentées fixées sur l'arbre de sortie de la boite de vitesses et engrenant respectivement avec le troisième et le quatrième pignons. 4. Boite de vitesses selon la revendication 3, caractérisée en ce qu'elle comporte un dispositif d'inversion du sens de rotation de l'arbre de sortie de la boite de vitesses comportant une cinquième roue dentée montée sur l'arbre de sortie de la boite de vitesses pouvant se déplacer pour engrener avec un cinquième pignon fixé sur le deuxième arbre intermédiaire lors du dégagement du troisième pignon associé par embrayage avec le premier arbre intermédiaire d'avec la quatrième roue dentée qui lui est associée. 5. Boite de vitesses selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comporte deux arbres d'entrée et deux trains de pignons ayant chacun deux embrayages unidirectionnels raccordant les arbres d'entrée à l'arbre de sortie, en ce que l'arbre de sortie peut être entraîné à l'une quelconque de six vitesses selon qu'un ou les deux arbres d'entrée sont entraînés en rotation et selon leurs sens de rotation. 6. Appareil de forage comprenant un mat et une tige de forage tournante, caractérisé en ce qu'il est équipé d'une boite de vitesses selon l'une des revendications 1 à 5, montée à l'extrémité supérieure du- mat et accouplée fonctionnellement à la tige de forage. 7. Appareil de forage selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de commande pour actionner la bofte de vitesses à partir d'un endroit éloigné de celle-ci, une source d'huile sous pression et des raccordements entre les moyens de commande et la bofte de vitesses.