Brevet FR2233533A1 — publié le 19750110

La presente invention est relative à un variateur de vitesse à fonctionnement mécanique de type nouveau. On connait de nombreux types de variateurs de vitesse dont le mécanisme de transmission utilise le contact, ou friction, entre plusieurs éléments montés sur le bâti dtun appareil. Géné raclement, le mécanisme transmet à un arbre de sortie, le mouvement d'un arbre d'entrée. Afin d'assurer cette transmission et la variation de vitesse, on cale à ltextrémité de chacun des arbres une pièce présentant une surface de révolution centree sur l'axe de l'arbre. Les surfaces de révolution de chacune des deux pièces sont en regard l'une de l'autre. Suivant un système connu, un organe intermédiaire de réglage est disposé entre les deux surfae ces de révolution avec chacune desquelles il est en contact.Cet organe peut par exemple être un galet ou une bille, réglable en position et mobile en rotation autour d'un axe lié au bâti de l'appareil. La pièce calée sur ltarbre d'entrée entrain cet organe intermédiaire par contact et roulement sans glissement. Â son tour, organe intermédiaire entraine la pièce calée sur l'arbre de sortie. On fait varier le rapport des vitesses de rotation entre les deux arbres en modifiant la position de l'axe de l'organe intermédiaire d'entrainement et de réglage. Ces mécanismes de transmission à variation continue présentent divers inconvénients. Les axes des arbres d'entrée et de sortie, coplanaires, doivent titre rigoureusement parallèles. Ceci exige un usinage précis de ces arbres et des paliers dans lesquels ils tournent. L'organe intermédiaire réglable est mobile autour d'un axe solidaire du bati de l'appareil. L'orientation de cet axe et son positionnement définissent le rapport de transmission. La pièce liant l'organe intermédiaire et le pati subit des efforts qui augmentent avec la puissance transmise et la vitesse de rotation. Cette pièce doit parfois être volumineuse par rapport à l'ensem- ble de transmission et sa mise en place est souvent délicate. Le rapport de transmission fourni par les mécanismes connus varie dans une gamme relativement étroite. En particulier, ils ne permettent pas le point mort, c'est-a-dire l'annulation de la vitesse de l'arbre de sortie alors que marbre d'entrée continue de tourner. De plus, il est évident que l'on ne peut réaliser l'inversion du sens de rotation. La présente invention a pour but de réaliser un variateur de vitesse à transmission par contact à bille, dans lequel le rapport de transiissìon peut être infini, tandis que la bille est libre entre les deux surfaces de révolution solidaires l'une de l'arbre d'entrée et l'autre de l'arbre de sortie, ces deux axes restant coplanaires. Un variateur de vitesse selon l'invention comprend une bille sphérique logée entre un premier solide calé sur l'arbre d'entrée et un second solide calé sur l'arbre de sortie, la bille étant en contact avec les surfaces de révolution en regard lune de l2'au- tre, la première sur le premier solide et la seconde sur le second solide, ce double contact permettant à la bille de transmettre, selon un rapport défini par sa position, la vitesse de arbre d'entrée à l'arbre de sortie coplanaire.Le variateur est caractérisé en ce que la première surface de révolutioest de forme concave,l'autre surface étant de forme convexe, c.es surfaces étant réalisées de façon que, dans le plan défini par les axes des arbres d'entrée et de sortie,. les méridiennes, non rectilignes, des deux surfaces de révolution, sont parallèles, si bien que le centre de la bille est maintenu dans le plan des axes. La bille est ainsi amenée dans le canal formé entre les deux surfaces de révolution et présentant, en son centre, une 'surface canal fixe au cours de la rotation des surfaces mobiles qui la définissent. Suivant une autre caractéristique de ltinrention, la canali- sation de la bille sur un trajet contenu dans le plan des axes, permet de supprimer la. liaison existant entre cet organe intermé- diaire et le buts. En effet, la bille étant maintenue dans un plan donné, il suffit d'une pièce légère de réglage pour faire varier de faucon continue le rapport de transmission, ceci quelle que soit la puissance transmise. Ce dispositif de réglage ne subit aucun effort micanique. On peut par exemple utiliser un dispositif réglable venant en contact avec la bille pour définir aon positionnement dans la surface canal. Suivant une autre caractéristique de ltinvention,ila surface de révolution concave possède un axe qui coincide avec axe de arbre auquel est liée cette- surface. Lorsque le contact ponctuel de la billé de transmission est confondu avec 1taxe de révolution de la surface, la vitesse de rotation de marbre de sortie est nulle alors que l'arbre d'entrée continue de tourner. Le rapport de transmission est égal à t , c'est-à-dire qu'il est infini. De plus, lorsque l'on déplace la bille de part et d'autre ae cet axe, le sens de rotation de l'arbre de sortie est identique ou opposé à celui de arbre entrée, De plus, lorsque la vitesse de 1'arbre de sortie est nulle, le rapport de transmission est égal å. à Le passage par ce point mort procure en fait un rapport de transmission capable de varier depuis une valeur négative jusqutå. l'infini. Suivant un premier mode de réalisation, les deux surfaces de révolution sont l'une une surface sphérique et l'autre une surface torique engendrée par un cercle, les méridiennes circulaires de ces surfaces étant concentriques dans le plan de leurs axes. La surface sphérique -(ou généralement concave) est ménagée dans une pièce calée sur l'arbre d'entrée. La surface torique est ménagée dans une piece calée sur l'arbre de sortie. Suivant une autre caractéristique de ltinvention, les axes coplanaires des arbres d'entrée et de sortie forment entre eux un angle quelconque. Ils sont, par exemple - parallèles mais non alignés - perpendiculaires pour réaliser un renvoi à angle droit ; - concourants et faisant entre eux un angle indéterminé pour une application définie. Suivant une autre caractéristique de l'invention, la surface torique est en contact avec une seconde bille elle-meme en contact avec une seconde surface concave. On réalise ainsi une deu xième transmission réglable avec la première, dans des rapports de vitesse qui peuvent être différents selon les angles que forlnent les arbres. Suivant une autre caractéristique de ltinvention, il peut être intéressant de modifier 1'allure u du diagramme représentant la variation du rapport de transmission en fonction de la position de la bille. Cette position est définie, à l'intérieur de sa surface-canal, par ltangle formé, dans le plan méridien, par la droite passant par les deux points de contact de la bille et la perpendiculaire à l'axe du tore. Sn particulier, dans certains dispositifs tels que des servo-mécanismes, il serait intéressant d'obtenir une variation sensiblement linéaire du rapport de transmission en fonction du déplacement de la bille, ce qui test pas le cas avec des surfaces de révolution-à méridiennes circulaires. Suivant un mode de réalisation particulier, la surface concave et la surface convexe, peuvent présenter des méridiennes qui restent parallèles au cours de la rotation des arbres, ces méridiennes étant nar exemple des arcs de paraboles, d'hyperboles ou de courbes quelconques. Suivant une autre caractéristique de l'invention, organe de réglage est par exemple un anneau entourant la bille. Suivant une variante, cet organé est constitué par un galet mobile en rotation autour de son axe situé dans le plan défini par les axes des arbres du variateur. Ce galet ne présente qu'un seul point de contact avec la bille. Le système étant cinématiquement indéterminé, la bille prend automatiquement un mouvement qui donne le rendement maximum Le dessin annexé, donné à titre exemple non limitatif, permett-ra de mieux comprendre les caractéristiques de l'inven- tion. Fig. 1 est un schéma montrant le principe de fonctionnement d'un "variateur de vitesse selon l'invention. Fig. 2 est la courbe représentative de la variation du rapport de transmission Ç en fonction de la position de la bille intermédiaire. Figo 3, 4 et 5 sont des coupes dans le plan défini par les axes des arbres d'entrée et de sortie. Ces figures montrent différentes positions de-la bille de transmission. Fig. -6 est une vue en coupe méridienne d'une variante de l'invention. Fig. 7 est une vue'en coupe.d'une autre variante. Fig. 8 est une vue montrant un mécanisme a. deux sorties. Fig. 9 est une vue dwun variateur selon l'inveùtion, dans lequel dos courbes méridiennes sont parallèles mais non circulaires. On a représenté sur les dessins plusieurs variantes d'un mécanisme de transmission par contact à bille. Chacune de ces variantes est basée sur le principe illustré en fig. 1. Au moins deux arbres 2 et 3, coplanaires, tournent dans des paliers 4 et 5. L'arbre 3 est par exemple l'arbre d'entrée, alors que l'arbre 2 est l'arbre de sortie. A l'extrémité de l'arbre 3 est calée une pièce 7 li dotée par une surface de révulution de forme torique 9. A l'extrémité de l'arbre de sortie 2 est calée une pièce 8 limitée par une surface de révolution concave 10 centrée sur ltarbre 2. Les deux surfaces de révolution 9 et 10 se trouvent en regardi"une de l'autre. La fig. 1 représente la section méridienne de ces surfaces par le plan défini par les deux arbres 2 et 3, les surfaces 9 et 10 étant représentées par leursméridien- nes 9 et 10 dans ce plan. On suppose, sur la fig. 1, que les axes des arbres 2 et 3 sont parallèles et décalés d'une longueur 11. L'axe de symétrie, orthogonal au plan de rotation, de la coupe 9 génératrice du tore de révolution,est confondu avec lsaxe de arbre 2o Les méridiennes- sont éloignées l'une de 1autre d'une lon gageur dans le volume compris entre les surfaces de révolution est logée une bille 13 sphérique en contact dsune part avec la surface torique 9 solidaire de l'arbre d'entrée et d'autre part Mela surface concave 10 solidaire de marbre de sortie. Pour qu'au cours de la rotation des arbres, les méridiennes 9 et 10 restent constamment parallèles, elles sont prévues de telle façon qu'auxpointsde contact 14 et 15 de la bille avec chacune des surfaces, le centre de courbure des deux méridiennes soit constamment confondu. Ainsi, entre les solides 7 et 8 est ménagé un canal dont la section méridienne dans le plan des arbres d'entrée et de sortie est de largeur constante au cours de la rotation, alors que cette largeur diminue lorsque l'on s'éloigne du plan des axes. La bille de transmission t3 a un diamètre égal à la largeur 12. Le centre 16 de la bille se déplace dans le plan des axes, On a représenté sur la fig. 1 une pièce 8 limitée par une surface concave sphérique 10 et une pièce 7 limitée par un tore cylindrique 9, afin de simplifier le dessin. Les méridiennes sont deux arcs de cercle centrés en un même point 17. Au cours de la rotation des pièces 7 et 8, le canal "méridien" 18 reste de lon- gueur constante et égale à 12.La bille 13 est, de ce fait, emprisonnée entre les surfaces 9 et 10 dans une surface-canal hors de laquelle elle ne peut s'échapper. Le centre 16 de cette bille reste dans le plan des axes. qui La position de la bille,/définit le rapport de transmission, est déterminée par la valeur de Itangle formé par la droite sur laquelle sont situés les points 14, 15, 16 et 17, et par la droite 19, intersection du plan des axes 2 et 3 et du plan de rotation. Le rapport de transmission est fonction de l'angle ç suivant la ldi : 9 étant l'angle que peuvent former les arbres 2 et 3. k1, 4 et k sont des coefficients liés respectivement au rayon de courbure de la surface, au décalage 12 des deux axes etau rayon de la bille sphérique. On remarque que l'angle t peut être inférieur, égal ou superieur à un angle droit. Sa valeur est déterminée par le réglage d'un organe tel qu'un anneau 1 (fig. 3) ou un galet 30-(fig, 6). L'arbre d'entrée 3 est entratné en rotation suivant la flè-che 28. Un dispositif à ressorts 22, logé entre le bati 23 et la pièce 7, maintient la bille 13 ex contact ponctuel avec les méridiennes parallèles 9 et 10 des surfaces de révolution, La rotation de la pièce 7 est ainsi transmise par roulement sans glissement, à la pièce 8 et à arbre de sortie 2. La bille 13 peut se déplacer entre les solides 7 et 8. Au cours de la rotation, le centre de la bille est maintenu dans le plan des axes. La variante représentée par les fig. 3 à 5 possède un arbre d'entrée et un arbre de sortie parallèles et décalés. La position de la bille 13, c'est-à-dire la valeur de l'angle ? , est alors déterminée par le réglage d'un anneau 20 qui ne subit aucun effort mécanique de la part du système de transmission. Lorsque l'angle 9 est inférieur à 900, le rapport de transmission est négatif L'arbre de sortie 2 tourne en sens inverse de l'arbre d'entrée 3 (fig. -3, flèche 24)o Le variateur de vitesse est également un inverseur.Le rapport de transmission dans cette zone, (par exemple entre 60 et 900) est représenté. sur le diagramme de la fig. 2 par la partie A-B de la courbe représenta tive. Sur la fig. 4, l'angle T est égal à 900. Le point de contact 15 est exactement sur l'axe de arbre 2. D'après la loi donnant le rapport de transmission en fonction de # , ce rapport est égal à zéro divisé par une valeur finie. Il est donc égal à zéro, c'est-à-dire que la vitesse de l'arbre de sortie est nulle quelle que soit la vitesse de l'arbre d'entrée. Cette position représente le "point mort"du variateur. Elle est représentée sur le diagramme de la -fig.2 par le point C où la courbe représentative du rapport P coupe l'axe des abscisses, Lorsque, comme on l'a représenté sur la fig. 5, l'angle # est supérieur à 90 , ctest-a-dire lorsque le centre de la bille a franchi l'axe de l'arbre de sortie 2, le rapport de transmis sion e devient positif.Le sens de rotation de l'arbre de sortie est identique au sens de rotation de l'arbre entrée. De plus, le passage par le point 0 permet dtenvisager un rapport de transmission capable de varier de façon continue sur une gamme infinie (fig. 2, courbe D-E)o On a représenté, sur la fig. 6, une variante dans laquelle les arbres d'entrée et de sortie coplanaires, sont concourants. La position de la bille 13, logée entre les surfaces 9 et 10 à méridiennes circulaires et concentriques, est définie par un galet 30 dont l'axe 31, situé dans le plan des axes des surfaces de révolution 9 et 10, passe. en permanence par le centre des deux cercles concentriques méridiens. La bille est ainsi soumise à trois contacts ponctuels. Le rapport des vitesses, pour un angle # donné, est différent du rapport obtenu avec la première réalisation. En effet, les angles e (angles formés par arbre entrée et l'arbre de sortie) sont différents dans les deux cas. Sur la variante de la fig. 7, l'arbre d'entrée et l'arbre de sortie, coplanaires, sont perpendiculaires l'un à l'autre. L'angle # # est est donc égal à 900. La variation de l'angle iP est obtenue par un organe de réglage non représenté. On a représenté sur la fig. 8, un variateur de vitesse à sortie double. La pièce torique 7 est fixée à un arbre pPrpendi- culaire à deux arbres à l'extrémité desquels sont calées des pièces .limitées par des surfaces sphériques. Les trois arbres sont coplanaires. La transmission s'effectue, pour chacun des mécanismes, par l'intermédiaire d'une bille 32 ou 33 qui peut titre réglée. indépendamment pour former des angles # 1 et ? 2 lesquels fournissent des rapports de transmission différents d'un mécanisme par rapport à autre. Dans toutes les variantes citées précédemment, la surface concave est sphérique, le tore étant engendré par la rotation d'un arc de cercle autour de raxe de marbre d'entrée ou de sorts On a représenté, sur la fig. 9, une autre variante dans laquelle une bille 40 de transmission coopère avec deux surfaces de révolution dont les méridiennes, dans le plan des arbres, sont La surface concave est centrée courbes, parallèles mais non circulairesysur l'axe 41 de l'arbre dont elle est solidaire. L'autre surface présente une forme génie orale torique engendrée par une courbe possédant un axe de symétrie confondu avec l'axe 4t et orthogonal au-plan de rotation de la surface de révolution. Les pièces 42 et 43 sont ainsi limitées par des surfaces 44 et 45 dont la forme modifie l'allure de la courbe représentative A-B-C-D-E de la fig. 2. Il est bien entendu que la surface de révolution torique peut titre indifféremmant solidaire de l'arbre d'entrée ou de l'arbre de sortie. De même, les angles formés par r l'arbre et le ou les arbres de sortie sont quelconques à condition que les surfaces de révolution présentent des méridiennes parallèles. Les principaux avantages du variateur selon l'invention sont les suivants a) le mécanisme peut servir simultanément de variateur, dinverseur et de renvoi d'angle pour la transmission d'une vitesse. b) un même variateur peut btre adapté aisément à des appareils destinés à des applications diverses. Il suffit que les méridiennes des surfaces de révolution restent parallèles. c) l'organe pour le réglage du positionnement de la bille est simple, léger et'peu encombrant. ;tEvENDICATIONS 1. Variateur de vitesse comprenant une bille sphérique logée entre un premier solide calé sur l'arbre d'entrée et un second solide calé sur l'arbre de sortie, alors que la bille est en contact avec les surfaces de révolution limitant respectivement le premier et le second solides, de telle façon que ce contact permet à la bille de transmettre dans un rapport défini par sa position, la vitesse de l'arbre d'entrée a marbre de sortie coplanaire, caractérisé en ce que la première surface de révolution est de forme concave, l'autre surface étant de forme convexe, ces surfaces étant réalisées de façon que, dans le plan defini par les axes non alignés des arbres d'entrée et de sortie, les méridiennes, non rectilignes, des deux surfaces de révolution, sont parallèles, si bien que le centre de la bille est maintenu dans le plan des axes, alors que la bille est emprisonnée dans un canal formé entre les deux surfaces de révolution et présentant, en section méridienne, une surface-canal fixe au cours de la rotation des surfaces mobiles qui la définissent. 2. Variateur de vitesse suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le centre de la bille est canalisé sur un trajet contenu dans le plan des axes, cotte disposition permettant de supprimer la liaison entre la bille et le tati de l'appareil. 30 Variateur de vitesse suivant les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que, la bille étant maintenue dans un canal donné, on prévoit une pièce légère i réglage pour faire varier de façon continue le rapport de transmission, ceci 'quelle que soit la puissance transmise, ce dispositif de réglage ne subissant aucun effort mécanique. 4. Variateur de vitesse suivant les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que lorsque le contact ponctuel de la bille de transmission est confondu avec ltaxe de révolution de la surface concave, la vitesse de rotation de l'arbre de sortie est nulle alors que l'arbre d'entrée continue de tourner, si bien que le variateur possede un point mort. 5. Variateur de vitesse suivant ltune quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que lorsqu'on déplace la bille de part et d'autre de l'axe donnant le point mort, le sens de rotation de l'arbre de sortie estidentique ou opposé a celui de l'arbre d'entrée. 6. Variateur de vitesse suivant les revendications 1, 4 et 5, caractérisé en ce que le mécanisme de transmission est réalise de façon que l'on coupe le point mort, si bien que le rapport des vitesses entre l'arbre entrée et l'arbre de sortie est capable de varier depuis une valeur négative jusqu'à l'infini. 7. Variateur de vitesse suivant lune quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les deux surfaces de révolution sont l'une une surface sphérique et autre une surface torique engendrée par un cercle, les méridiennes circulaires de ces surfaces étànt concentriques dans le plan de leurs axes. 8. Variateur de vitesse suivant lune quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les axes coplanaires des arbres d'entrée et de sortie sont concourants suivant des directions quelconques. 9. Variateur de vitesse suivant l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les arbres d'entrée et de sortie sont perpendiculaires ltun à l'autre. 10. Variateur de vitesse suivant la revendication 1, carac térisé en ce que la surface torique est en contact avec une seconde bille elle-même en contact avec une seconde surface concave de façon à réaliser ainsi une deuxième transmission réglable avec la première, dans des rapports de vitesse qui peuvent être différents selon les angles que forment les arbres. 11. Variateur de vitesse suivant l'une quelconque de-s revendications 1 à 6, caractérise en ce que les méridiennes,- dans le plan des axes, des surfaces de révolution concaves et -convexes sont des arcs de courbesge'ométriquesà rayon de courbure variable alors que ces méridiennes restent parallèles entre elles au cours de la rotation des arbres, si bien que l'allure du diagramme représentant la variation du rapport de transmission en fonction de la portion de la bille est modifiée. 12. Variateur de vitesse suivant la revendication 3, caractérisé en ce que l'organe de réglage de la bille est cons-titué par un galet mobile en rotation autour de son axé situé dans le plan défini par les axes des arbres du variateur, ce galet ne présen- tant qu'un seul point de contact avec la bille, alors que l'axe de ce galet passe par le centre des deux méridiennes parallèles, si bien que le rapport de transmission peut autre réglé par un simple contact, la bille ne subissant que trois contacts ponctues,