Brevet FR2240379A1 — publié le 19750307

La présente invention a pour objet un coupleur hydrau- lique du type comportant des éléments à aubes å ;jouantle rôle de pompe et de turbine qui définissent un circuit toroïdal de travail pour un liquide, dont on peut faire varier le degré de remplissage pendant le fonctionnement. Un but de l'invention est de fournir un coupleur hydraulique à remplissage variable qui transmette un couple sensiblement uniforme pendant l'accélération d'une charge, sous asservissement tel que le remplissage du circuit de travail augmente lorsque le couple transmis descend en-dessous d'une valeur déterminée et reste constant lorsque le couple transmis n1 est pas inférieur à cette valeur déterminée.Un domaine dans lequel dentelles conditions se font sentir est celui des transmissions pour courroies transporteuses de grande longueur. Ces courroies transporteuses qui peuvent atteindre~plusieurs km de long sont utilisées-par exemple pour le transport de minerai depuis la mine jusqu'à aune station ferroviaire ou un port. On peut réaliser des économies considérables sur l'investissement représenté par la courroie transporteuse en diminuant le nombre d' épaisseurs de courroie de manière que cette dernière soit par exemple capable de résister à des efforts supérieurs de 50% au maximum aux valeurs rencontrées en service normal. Pour que la courroie ne soit pas endommagée, sa transmission doit tre mise dans l'impossibilité d'exercer des efforts supérieurs à 1500/0 de la valeur de l'effort normal à pleine charge.~Une autre application où l'on rencontre les memes desiderata serait le cas d'un grand ventilateur qui pourrait Qtre également endommagé s'il était soumis à des couples d'entraînement -excessifs De plus, dans le cas d'entraînement par moteur électrique, la limitation du couple maximum appliqué à la charge entraînée et donc du couple maximum appliqué au moteur, peut éviter des perturbations exagérées dans le réseau électrique et des pertes de charge excessives lorsque le moteur électrique se trouve situé en un point éloigné et est alimenté par une ligne de grande longueur. Selon la présente invention, un coupleur hydraulique à remplissage variable réglable du genre à tube plongeur est muni d'une ailette dont le diamètre est au minimum de 1,25 fois le diamètre du profil intérieur du circuit de travail, la turbine du coupleur possédant n nombre d'aubes supérieur de 10 à 35o à celui de la pompe, deux séries de trous étant pratiquées à travers celle-cih les centres des trous de l'une de ces séries se trouvant à une distance de l'axe comprise entre 53 et 63% du rayon du profil extérieur du circuit de travail, tandis que les centres des trous de la seconde série se trouvent à une distance de l'axe du coupleur comprise entre 65 et ?5% du rayon du profil extérieur de. ce dernier.De préférence, l'écartement entre les deux séries de trous sera d'environ 10% du rayon du profil extérieur du circuit de travail, mesuré dans le sens radial du coupleur. De préférence, la turbine possède un nombre d'aubes supérieur de 15 à 25% à celui de la pompe. Dans un mode de réalisation avantageux, l'ailette a un diamètre égal à 1,3 fois le diamètre du profil intérieur du circuit de travail, les deux séries de trous sont répartis sur des cercles dont les diamètres représentent respectivement 58 et ?0% du diamètre du profil extérieur et la turbine possède un nombre d'aubes supérieur d'environ 20 à celui de la pompe. La description qui va suivre en regard du dessin annexé, donné à titre d'exemple non limitatif, fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée, les particularités qui ressortent tant du dessin que du texte faisant, bien entendu, partie de ladite invention. La figure 1 est une vue en coupe axiale d'un coupleur hydraulique réglable par tube plongeur selon l'invention. La figure 2 est une vue partielle en élévation de la pompe. La figure 3 est un graphique du coefficient de couple en fonction du pourcentage de glissement pendant l'accélération d'une charge par le coupleur, depuis l'arrêt jusqu'à la vitesse de marche, le remplissage du coupleur augmentant lorsque le couple transmis descend en-dessous d'une valeur déterminée. La figure 4 est un graphique analogue pour un coupleur classique semblable à celui représenté sur les figures 1 et 2 mais ne-comportant aucune des caractéristiques de l'invention. La figure 5 représente un graphique similaire à celui de la figure 4 pour un coupleur de construction classique à ceci près qu' il possède une ailette de plus grande dimension. La figure 6 représente un graphique correspondant pour un coupleur ayant une ailette et une série de trous percés dans la paroi de la pompe conformément à l'invention, mais dont la pompe et a turbine ont pratiquement le meme nombre d'aubes. La figure 7 représente sous forme de schéma une installation incorporant le coupleur et son dispositif de commande. Les figures 8 et 9 sont des vues correspondant aux figures 1 et 2 d'une variante de coupleur selon l'invention. Le coup leur hydraulique à plongeur de réglage illustré sur les figures 1 et 2 est de conception classique dans la mesure où il comporte un arbre moteur 1 et un arbre mené 2 coaxiaux et reliés par un roulement à billes 3, un carter tournant 4 fixé sur l'arbre moteur 1, une pompe à aubes 5 fixée sur le carter 4, une turbine à aubes 6 fixée sur 1' arbre mené 2 et définissant avec la pompe 5 un circuit de travail toroïdal W et un tube plongeur du réglage 7 monté coulissant dans un élément fixe 8 et faisant saillie dans une cuvette 4 limitée par la partie arrière de la pompe 5 est un carter 10 fixé sur la circonférence extérieure du carter tournant 4 ainsi que sur la pompe 5. Le coupleur représenté sur les figures 1 et 2 s'écarte toutefois de la pratique classique par le fait que son ailette 11 a un rayon égal à 1,3 fois le rayon du profil intérieur2 et non pas une valeur plus courante de 1,1-fois ce rayon, que la pompe 5 est percée de deux séries de trous 13 et 14 et que la turbine 6 possède un nombre d'aubes -supé- rieur d'environ 20% à celui de la pompe. Dans le cas parti culier du coupleur' représenté aux figures 1 et 2, le circuit de travail W a un rayon de profil extérieur 15 de 146 mm. Un coupleur classique de cette dimension aurait '-par exemple 42 aubes sur la pompe et 40 aubes sur la turbine. Dans le coupleur représenté aux figures 1 et 2, la pompe possède 45 aubes mais la turbine en possède 54 et peut entre d'une conLstruction similaire à la pompe représentée à la figure 2 (la disposition étant identique dans chacun des trois secteurs du coupleur) sauf que les trois poches les plus larges 21, 2? et 23 formées entre les aubes sont chacune divisées en deux par l'addition d'une aube dans chacune d'entre elles. En variante, les qubes de la pompe et de la turbine peuvent être équidistantes. Les deux séries de trous 13 et 14 sont percées dans la paroi de la pompe. Les trous 13 et 14 ont, dans un exemple type, un diamètre de 6 mm. À l'exception d'une poche, les poches alternées sont chacune percées d'un trou, soit de la série 13, soit de la série 14. Les centres des trous de la série 13 sont sur un cercle centré sur l'axe du coupleur et ayant un rayon de 168 mm. Les centres des trous 14 se trouvent également sur un cercle centré sur l'axe du coupleur mais dont le rayon est de 206 mm.Ainsi, les trous 13 se trouvent sur un cercle dont le rayon est égal à environ 58% du rayon du profil extérieur 15 alors que les trous 14 se trouvent sur un cercle dont le rayon est égal à environ 70% du rayon du profil extérieur 15. -- La figure 3 montre la valeur "K" (proportionnelle au couple transmis pour une vitesse constante du moteur) en fonction du pourcentage du glissement pour différentes charges, lors d'une accélération de la charge allant de l'arrêt (glissement de 100po) à la pleine vitesse.Ces graphiques ont été obtenus avec un système de commande (similaire à celui représenté à la figure 7) qui n' avait pour rôle que de déplacer le tube plongeur dans le sens correspondant à l'augmentation du remplissage du circuit de travail en réponse à une diminution du couple transmis dont la valeur est donnée par exemple par mesure du courant absorbé par un moteur électrique à cage d'écureuil entraînant le coupleur. Un tel dispositif de commande ne permet pas de réduire le couple transmis par le coupleur au cas où-il viendrait à dépasser la valeur déterminée. Néanmoins, on remarquera que le couple transmis ne dépasse pas de plus de 100/o la valeur déterminée. De plus, le couple transmis est particulièrement constant entre les lignes 31 et 32.Les parties du graphique se trouvant à droite de la ligne 31 correspond à la position fixée initiale du tube plongeur qui est celle de ce dernier lors du démarrage du système, cette position correspondant au degré de remplissage du circuit de travail nécessaire pour la transmission du couple déterminé à 100% de glissement. Par contre, la figure 4 représente les courbes correspondantes obtenues avec un coupleur non-modifié. Dans la partie située à droite de la ligne 41, le couple transmis augmente jusqu'à une valeur maximum supérieure de 50c/o environ à la valeur déterminée. Bien que ceci puisse ne pas être préjudiciable dans certains cas, il existe des applications telles que l'entraînement de courroies transporteuses de grande longueur dont le nombre d'épaisseurs est réduit au minimum et qui pourraient être endommagées par l'augmentation du couple pendant l'accélération. Même dans la plage comprise entre les lignes 41 et 42, il existe des variations appréciables du couple transmis atteignant parfois plus de 10% de la valeur déterminée. Les courbes de la figure 5 montrent l'effet de l'accroissement du diamètre de I1 ailette dans un coupleur par ailleurs classique. Bien que la valeur du couple maximum transmis se trouve quelque peu réduite, elle représente encore 30% environ de plus que la valeur déterminée. En outre, bien que le couple soit en général plues constant entre les lignes 51 et 52, on constatera qu'il existe plusieurs singularités telles que représentées en 53, 54 et -55 qui sont susceptibles de ne pouvoir être admises dans certains cas. La figure 6 représente l'effet de la combinaison de l'ailette de plus grande dimension et de deux séries de trous percés dans la paroi de la pompe d'un coupleur par ailleurs de modèle standard, dans lequel la pompe possède 42 aubes et la turbine 40.- Par comparaison avec la figure 5, on verra que les deux séries de trous rendent le couple transmis beaucoup plus uniforme sur presque toute la plage de glissement allant jusqu'à la valeur de marche mais il existe encore plusieurs irrégularités indiquées en 63, 64 et 65. Néanmoins, on remarquera que les trous ainsi disposés évitent toute augmentation notable du couple dans la plage de glissement élevé située à la droite de la ligne 61. La comparaison de la figure 6 avec la figure 3 montre que l'augmentation du nombre des aubes de la turbine élimine les -irrégularités représentées en 63, 64 et 65. La figure 7 illustre schématiquement-une application du coupleur des figures 1 et 2, ce dernier se trouvant en 103. Dans la disposition représentée à la figure 7, un moteur triphasé à cage d'écureuil 101 à haute tension et grande puissance est raccordé par son arbre -102 à l'arbre moteur du coupleur hydraulique à réglage par tube plongeur 103, tel que montré aux figures 1 et 2, l'arbre mené du coupleur étant raccordé à la charge 104 à entraîner. D'une manière générale, la charge 104 : une courroie transporteuse de grande longueur par exemple, peut être représentée par un volant 105 matérialisant l'inertie de la charge et par un frein à friction 106 matérialisant la puissance dissipée par la charge du fait du frottement,-de la résistance de l'air et autres pertes analogues. La position du tube plongeur 7 détermine de manière connue le degré de remplissage du circuit de travail W du coupleur 103. Le tube plongeur 7 peut se déplacer sur toute la longueur de sa course grâce à un petit moteur électrique réversible 111 travaillant par l'intermédiaire d'un engrenage réducteur 112. Le couple de l'arbre 102 du moteur 101 est approximativement proportionnel au courant absorbé par ce moteur 101. Ce courant est mesuré par une bobine 113 qui entoure l'un des fils d'alimentation triphasée 114 du moteur 101 et forme avec ce fil un transformateur. Les extrémités de la bobine 113 qui constitue ainsi l'enroulement secondaire de ce transformateur, sont raccordées à un détecteur de courant 115 qui, lorsque le courant parcourant les fils dépasse une valeur déterminée, excite un relais 116 qui, à son tour, désexcite une commande de moteur 117 du moteur 111. Le détecteur de courant 115 est disposé de manière à désexciter le relais 116 lorsque le courant passant dans les fils 114 descend en-dessous d'une valeur déterminée, réexcitant ainsi la commande 117 pour remettre en marche le moteur 111. En service, lorsque le système est à l'arrêt, le tube plongeur 7 du coupleur 103 est en position de "circuit vide". Le moteur 101 est mis en marche et atteint rapidement sa vitesse normale' du fait que le circuit de travail W du coupleur 103 est vide. L'alimentation à relativement basse tension 121 du moteur 111 est alors fermée et le moteur 111 est alimenté par la commande 117 et commence à entraîner le tube plongeur 7 vers l'extérieur en direction de la position de "circuit plein". De ce fait, le circuit de travail W commence à se remplir et le couple imposé au moteur 101 augmente. Le courant d'alimentation haute tension absorbé par l'intermédiaire des fils 114 augmente de manière correspondante jusqu'à ce que sa valeur, mesurée par ltenroulement 113 et le détecteur 115, atteigne une valeur détermnnée, par exemple 140 ou 1 5o de la valeur en charge en service à pleine vitesse; le détecteur 115 déclenche alors le relais 116 et la commande 117 arrente le moteur 111, ce qui arrete également le tube plongeur 7. Le moteur 101 continue alors à entraîner la charge 104 par l'intermédiaire du circuit de travail W qui est partiellement rempli. Le couple transmis par le circuit de travail W est suffisant pour dépasser les efforts dus au frottement représentés par le frein 106 et pour poursuivre 1' accélé- ration de la charge 104 malgré son inertie (représentée par le volant 105). Si les caractéristiques du coupleur 103 sont telles qui au fur et à mesure de l'augmentation de la vitesse, le couple transmis par le coupleur au degré de remplissage existant alors augmente également, le moteur 111 restera non alimenté et malgré le fait que le couple exercé par le moteur augmente dans une certaine mesure, le degré de remplissage du circuit de travail W restera constant. Lorsque du fait de l'augmentation de la vitesse, les caractéristiques du coupleur font que le couple transmis descend en-dessous de la valeur déterminée, la chute de courant dans les fils 114 sera perçue par le détecteur qui déclenchera le relais 116 et la commande du moteur 117, le tube plongeur 7 étant à nouveau entraîné vers la position de "circuit plein" Jusqu'au moment où la valeur déterminée du couple se trouve rétablie.Cette commande Bmarche-arrEt" du moteur 111 se poursuit Jusqu a Çe que le tube plongeur 7 ait atteint sa position "circuit plein" qui est la position normale de marche Le moteur 101 continue alors à entraîner la charge à vitesse normale. Lorsque l'alimentation du moteur 101 est. coupée pour arreAterle système, un inverseur (non représenté) du moteur 111 fait que celui-ci entraîne le tube plongeur 7 en position Mcircuit vide" ou il restera prêt à assurer son service lors de la prochaine remise. en marche du moteur 101. Le coupleur hydraulique représenté~aux figures 8 et 9 diffère-principalement de celui des figures 1 et 2 par le fait qu'il est conçu pour transmettre une puissance plus élevée à des vitesses plus grandes que celui des figures 1 et 2. Dans ce mode de réalisation de l'invention, le rayon du profil extérieur 212 est de 222 mm. La largeur axiale du circuit de travail W est légèrement supérieure à sa dimension radiale maximum. Comme dans le cas du coupleur représenté aux figures 1 et 2, le coupleur des figures 8 et 9 est modifié sous plusieurs aspects par rapport aux solutions classiques. Ainsi le diamètre extérieur de l'ailette 211 a été augmenté passant de sa valeur normale qui est de 1,1 fois le diamètre du profil intérieur du circuit de travail à 1,25 ou 1,3 fois ce diamètre. Pour certaines applications, la valeur de 1,25 est préférable car elle permet d'obtenir un couple maximum de démarrage légèrement plus élevé. De plus, la pompe 205 possède 45 aubes et la turbine 206 54 au lieu de 51 et 48 respectivement dans la solution classique. Deux séries de trous 213 et 214 sont percés dans la pompe 205, leurs centres se trouvant respectivement à des distances radiales égales à 58 et 709/c du rayon de 212 du profil extérieur mesuré à partir de l'axe du coupleur. En outre, le moyeu de la pompe possède des orifices d'admission 220 inclinés à 450 par rapport à l'axe du coupleur, au lieu de la-disposition radiale plus courante. Dans certaines conditions, on a constaté que la position inclinée de ces orifices diminue le délai nécessaire lors du démarrage à l'établissement d'un tourbillon stable dans le-circuit de travail. II y a lieu de prendre soin qu'il n'y ait pas de perte excessive de liquide par le palier 203 reliant l'arbre moteur 201 et l'arbre mené 202 et ceci dans les différentes conditions de service auxquelles le coupleur pourra votre soumis. C'est pour cette raison que dans la disposition représentée sur la figure 8, un seul passage incliné 221-permet une certaine circulation de liquide dans le palier 203-mais son extrémité intérieure 222 est placée radialement vers l'intérieur par rapport aux billes du palier 203. De plus, le jeu de fonctionnement X entre le moyeu du-carter 204 et l'arbre 202 est relativement faible, étant dans ce cas d'environ 0,0635 mm. La pompe possède 22 trous 213 et 23 trous 214, les deux séries de trous étant d'un diamètre de 9,5 mm. -REVEZIDICi2IONS 1. Goupleur hydraulique à remplissage variable comportant une pompe et une turbine à aubes définissant ensemble un circuit toroldal de travail pour liquide, caractérisé par le fait qutil possède une ailette dont le diamètre est au minimum de 1,25 fois le diamètre du profil intérieur du circuit de travail, la turbine ayant un nombre d'aubes supérieur de 10 à 35% à celui de pompe du coupleur et la pompe ayant deux séries -de trous la traversant, les centres des trous de l'une des séries étant à une distance de ltaxe du coupleur allant de 53 à 63% du rayon du profil extérieur du circnitde travail les centres des trous de la seconde série étant à une distance de cet axe allant de 65 à 75% du rayon du profil extérieur du coupleur. 2. Coupleur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'écartement des deux séries de trous, mesuré dans le sens radial du-coupleur, est d'environ 10% du rayon du profil extérieur du circuit de travail. 3. Coupleur-selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que la turbine possède un nombre d'aubes supérieur de 15 à 25% à celui de la pompe. 4. Coupleur selon la revendication 1, 2 ou 3, dans lequel deux séries de trous sont percés sur des cercles dont les diamètres sont respectivement 58 et 70% du diamètre du profil extérieur et la turbine possède un-nombre d'aubes supérieur d'environ 20% à celui de la pompe. 5. Coupleur selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'ailette a un diamètre égal à 1,3 fois le diamètre du profil intérieur du circuit de travail. 6. Installation entraînée par un moteur, dans laquelle un coupleur selon l'une quelconque des revendications précédentes est intercalé entre le moteur et une charge et où le coupleur possède un- dispositif de commande de son remplissage grâce auquel le circuit de travail du coupleur peut être progressivement rempli, caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens détecteurs de couple pour la mesure du couple d'entraînement du moteur et des moyens pour empecher sans inversion le dispositif de commande du remplissage de poursuivre le remplissage du coupleur lorsque le couple mesuré dépasse une valeur déterminée et pour reprendre ce remplissage lorsque les couples mesurés redescendent en-dessous de la valeur déterminée.