Brevet FR2260445A1 — publié le 19750905

La-presente invention concerne llequiliorage dynamique des resses mécaniques à grande vitesse et elle conserve plus particulierement un dispositif d'équilibrage dynamique d'une presse mécanique a' grande vitesse comportant deux vilebrequins tournant en sens inverses dans le bati de la presse et imprimant -uzi mouvement de va-et-vient à un coulisseau unique. Les presses mécaniques classiques à deux vilebrequins tournant en sens inverse sont en général utilisées à des vitesses réduites pour éviter que le bati soit soumis à des forces de déséquilibre importantes. En effet, si une telle presse tourne à des cadences atteignant ou dépassant 1 600 cycles par mi nutee eues forcis de déséquilibre atteignent des valeurs très élevées. En particulier, le coulisseau de la presse ainsi que les bielles qui lui sont associées se déplacent alternativement à grande vitesse entre un point mort haut et un point mort bas et les forces d'inertie exercées par ce mouvement de va-et-vient engendrent des forces de déséquilibre d'autant plus importantes que la vitesse de rotation des vilebrequins est élevée. Par ailleurs, dans une presse à deux vilebrequins rotatifs ayant chacun des manetons, des forces importantes de déséquilibre sont engendrées par les masses excentrées des manetons et par les parties des masses accouplées aux manetons et tournant avec ces derniers. La présente invention a donc pour objet un dispositif d'équilibrage des forces d'inertie et des forces centrifuges de déséquilibre engendrées dans une presse mécanique capable de tourner à grande vitesse. L'invention a également pour objet un procédé de calcul des dimensions et de la répartition des masses d'équilibrage qui permettent à une presse de ce type de tourner à grande vitesse dans des conditions dynamiques optimales. L'invention sera décrite en détail ci-après en regard des dessins annexés à titre d'exemple nullement limitatif et sur lesquels: la figure 1 est une vue schématique en perspective d'une presse a' deux vilebrequins équilibrés dynamiquement par le dispositif de l'invention i et les figures 2, 3 et 4 représentent les éléments rotatifs ainsi que les éléments effectuant des mouvements de va-etvient dans trois positions différentes au cours d'un meme cycle. Conformément à l'invention, cette presse comprend deux vilebrequins parallèles accouplés l'un à l'autre et tournant en sens opposés. Chaque vilebrequin comporte un excentrique ou maneton relié par une bielle à la partie supérieure d'un piston coulissant correspondant, dont l'extrémité inférieure est fixée sur le coulisseau unique de la presse. L'équilibrage des forces d'inertie créé par les éléments animés d'un mouvement alternatif ainsi que des forces centrifuges créées par les masses excentrées qui tournent avec les vilebrequins est assuré par des masses d'équilibrage fixées sur les vilebrequins et tournant avec ceux-ci. Ces masses sont calculées et disposées de manière à créer sur les vilebrequins des forces qui équilibrent pratiquement les forces d'inertie et les forces centrifuges qui s'exercent sur ces derniers. Comme on le voit sur la figure 1, la presse comprend un premier vilebrequin A et un seconX ilebrequin B. Les deux vilebrequins A et B sont parallèles et sont accouplés par deux pignons engrénés Ga et Gb. Le vilebrequin A comporte un maneton ou excentrique Ta et de meme Silebreqvin B comporte un maneton ou excentrique Tb. Les deux vilebrequins sont pratiquement identiques, ils tournent en sens inverse à la meme vitesse et leurs manetons respectifs sont calés angulairement d'une manière telle qu'ils arrivent ensemble au point mort haut ou point mort bas. Un contrepoids d'équilibrage est monté sur le vilebrequin A, d'un coté du maneton. Son centre de masse Mwa est oriel té radialement à l'opposé du centre de masse Mr du maneton Ta. Le rayon- d'excentration du centre de masse Mwa correspond au rayon Rwate la figure 1 tandis que le rayon d'excentration du centre de masse Mr du maneton Ta est indiqué par le rayon Rs. Le centre de masse Mwa est séparé axialement du centre de masse Mr d'-une distance Lwa. Le centre de masse Mga du pignon Ga monté sur le vilebrequin A, de l'autre côté du maneton Ta, est excentré et il est sur un rayon Rga parallèle au rayon d'excentration Rwa mentionné ci-dessus. TIc centre de masse Mga du pignon Ga est séparé axialement du centre de masse Mr du maneton Ta du vilebrequin A d'une distance Lga. Sur les figures 1 et 2, les manetons des deux vilebrequins sont représentés au point mort bas et dans cette position, la masse excentrée du vilebrequin A exerce une force Fca orientée verticalement vers le bas, tandis que le centre de masse décalé Mga du pignon Ga exerce une force Fga orientée verticalement vers le haut et que la masse Mwa du contrepoids exerce une force Pwa également orientée verticalement vers le haut. Les forces qui exercent sur le vilebrequin B sont identiques et sont indiquées par les mêmes repères, sauf en ce que la lettre finale a est remplacée par b en ce qui concerne les éléments associés au vilebrequin B. Le coulisseau S de la presse est fixé sur l'extrémité inférieure des deux pistons Pa et Pb. Les deux têtes des bielles Ca et Cb sont respectivement articulées sur les manetons correspondants des vilebrequins et leurs extrémités inférieures sont respectivement articulées sur l'extrémité supérieure des pistons Pa et Fb. Les deux vilebrequins tournent dans des paliers du sommier 10 de la presse (figure 1), et les pistons Pa et Pb coulissent axialement dans les alésages correspondants du sommier. L'équipage animé d'un mouvement de va-et-vient, qui comprend le coulisseau S, les'pistons Pa et Fb et une partie des bielles Ca et Cb, a un centre de masse Ms qui crée une force d'inertie Fs orientée soit vers le haut, soit vers le bas, en fonction de la position instantanée du coulisseau pendant sa course daller et retour. Le décalage du centre de masse des pignons Ga et Gb est créé par la présence de trous 12 percés dans la toile des pignons ou par des contrepoids rapportés fixés sur les pignons. Sur les figures 2, 3 et 4, le coulisseau S est respec tivement représenté à son point mort bas à mi-course et à son point mort haut. Ces figures montrent l'orientation des forces d'inertie et des forces centrifuges qui exercent sur les vilebrequins respectifs. Pour que la presse fonctionne- sans à-coups et sans vibrations à grande vitesse, les forces de déséquilibre, c'est-à- dire les forces principales d'inertie créées par les éléments coulissant ains A ue les forces centrifuges créées par la-rota- tion des masses excentrées solidaires des manetons, doivent etre pratiquement annulées par le dispositif d'équilibrage décrit ci-dessus. Pour réaliser un équilibrage optimal de la presse, il est nécessaire de déterminer la masse totale des éléments coulissants. Cette masse totale Ms comprend la masse du coulisseau, celle des pistons, celle des axes de pistons, celle de la partie des bielles qui est animée d'un mouvement de va-et-vient, le poids de l'outillage fixé sur le coulisseau. Il est évident que le poids de l'outillage mobile peut varier, mais en fait, dans une presse d'un modèle donné, le poids de l'outillage mobile s'écarte peu d'une valeur moyenne et un dispositif d'qui librage étudié en fonction de cette valeur moyenne donne un résultat d'ensemble très satisfaisant. Par ailleurs, les variations de poids de l'outillage mobile peuvent être compensées par des masses rapportées sur le coulisseau lorsqu'on désire que le système soit parfaitement équilibré. Pour déterminer par le calcul les valeurs des masses d'équilibrage rapportées, leur excentration et leurs positions axiales sur les vilebrequins, on doit tenir compte des paramètres suivants Ms - Masse totale des éléments animés d'un mouvement alternatif. Rs - Excentration du maneton. Fs - Valeur de pointe de la composante principale de la force totale d'inertie du coulisseau. Fc - Force centrifuge de déséquilibre engendrée par la masse rotative au maneton et de la masse de la partie de la bielle qui tourne avec le vilebrequin. S - Course du coulisseau. Mr - lIasse totale d'un maneton et de la partie de la bielle associée avec le vilebrequin. Mga - Masse du pignon du vilebrequin A. Mgb - Masse du pignon du vilebrequin B. Rga - Excentration du centre de gravité de la masse du pignon du vilebrequin A. Rgb - Excentration du centre de gravité du pignon du vilebrequin B. Fga - Force centrifuge créé par la rotation du pignon du vilebrequin A. Fgb - Force centrifuge créé par la rotation du pignon du vilebrequin B. Lga - Distance sur l'axe du vilebrequin A entre l'axe longitudinal de la bielle et le centre de gravité du pignon correspondant. Lgb - Distance sur l'axe du vilebrequin entre l'axe longitudinal de la bielle et le centre de gravité du pignon correspondant. Mwa - Masse du contrepoids d'équilibrage du vilebrequin A. Mwb - Masse du contrepoids d'équilibrage du vilebrequin B. Rwa - Rayon du centre de gravité du contrepoids par rapport à l'axe du vilebrequin correspondant A. Rwb - Rayon du centre de gravité du contrepoids par rapport X l'axe du vilebrequin correspondant B. Fwa - Force centrifuge créée par la rotation du contrepoids du vilebrequin A. Fwb - Force centrifuge créée par la rotation du contrepoids du vilebrequin B. Lwa - Distance sur l'axe du vilebrequin A entre l'axe longitudinal de la bielle et le centre davité du contrepoids correspondant. Lwb - Distance sur l'axe du vilebrequin B entre l'axe longitudinal de la bielle et le centre de gravité du contrepoids correspondant. N - vitesse angulaire commune des deux vilebrequins A et B tournant en sens inverse. La valeur de pointe de la force principale d'inertie créée par l'équipage coulissant est donnée par la formule 1) Fs = Ms Rs Cette force varie sinusoidalement pendant le cycle de rotation des vilebrequins. Elle atteint sa valeur maximale dans un sens lorsque le coulisseau est à la fin de sa course de descente et elle atteint sa valeur maximale dans l'autre sens lorsque le coulisseau est à la fin de sa course de remontée. Er plus de cette force de déséquilibre créé par l'équipage coulissant, les vilebrequins sont soumis à une force rotative de déséquilibre qui s'exprime par la formule 2) Fc = Mr Rs N2 Les forces de correction sont données par les formules suivantes 3) Fga = Mga Rga N2 4) Fwa =-Mwa Rwa N2 5) Fgb = Mgb Rgb N2 6) Fwb = Mwb Rwb N2 Pour obtenir un équilibrage optimal, on utilise les relations suivantes 7) Fga + Fwa = 0,5 Fs + Fc 8) Fga Lga = Fwa Lwa 9) Fgb + Fwb = 0,5 Fs + Fc 10) Fgb Lgb = Fwb Lwb En substituant les équations (i) à (6) dans les relations (7) à (10), et en éliminant N, on obtient les formules d'équilibrage suivantes 11) Mga Rga + Mwa Rwa = Rs (0,5 Ms + Mr) 12) Mga Rga Lga = Mwa Rwa Lwa 13) Mgb Rgb + Mwb Rwb = Es (0,5 Ms + Mr) 14) Mgb Rgb Lgb = Mwb Rwb Lwb Grâce à ces dernières formules, peut choisir à volonté dans des limites très étendues, d'une part lee positions respectives des masses d'équilibrage sur les vilebrequins, et d'autre part la valseur de ces masses. Dans l'exemple représenté sur les figures 1 à 4, les masses d'équilibrage voisines d'une extrémité des vilebrequins font partie intégrante des pignons correspondants qui accouplent les vilebrequins. Dans ce cas, des trous percés dans une face des pignons allègent un coté de ceux-ci et déplacent leur centre de gravité en l'écartant de l'axe de l'arbre du vilebrequin.On peut obtenir le même effet en rapportant des contrepoids excentrés fixés par des boulons contre les faces de pignons ou calés sur les arbres des vilebrequins au voisinage immédiat des pignons correspondants. Pour autant que les équations (12) et (14) soient satisfaites, les masses excentrées n'exercent aucun moment de basculement sur les vilebrequins. En outre, si les relations (11) et (13) sont satisfaites, le réseau de forces d'équilibrage est correct pour chaque vilebrequin. Les figures 2, 3 et 4 illustrent a manière dont les forces rotatives d'équilibrage agissent lorsque le coulisseau est respectivement au point mort bas, à mi-course et au point mort haut.0n voit sur ces figures qu'aux points morts haut et bas, les forces créées par les forces rotatives d'équilibrage sont égales et opposées à la somme de la force d'inertie principale du coulisseau et des forces rotatives de déséquilibre. A mi-course, la force principale d'iner- tie est nulle et les masses rotatives créent deux composantes horizontales de forces qui sont égales et opposées et qui, par conséquent, s'annulent sans créer de réaction tendant à déplacer le bâti de la presse. Dans ce système d'équilibrage, les seules erreurs éventuelles sont dues d'une part aux forces secondaires d'inertie qui sont relativement faibles car dans une presse, le rapport de la longueur de la bielle au rayon d'excentration du maneton et treks élevé et d'autre part, au fait que le poids de l'ou- tillage peut être différent du poids qui a été prévu lors de ltétude du dispositif d'équilibrage. Cette erreur peut être annulée si, lors de la/conception du dispositif, on se base sur le poids de l'outillage le plus lourd. Ainsi, lorsque l'outillage est plus léger que prévu, on ajoute des poids au coulisseau pour que le poids total corresponde à la valeur choisie.Dans la pratique, pour une presse donnée, l'erreur due aux différences de poids des outillages est suffisamment réduite pour qu'en général, il ne soit pas nécessaire de-procéder à cette correction. Il faut noter que lorsque la presse comporte des bielles à mouvement rectiligne au lieu des bielles oscillantes décrites ci-dessus, ces bieller ne créent aucune force secondaire d'inertie, et de ce fait, l'ensemble est plus facile à équilibrer. Dans une variante du procédé d'équilibrage décrit-cidessus, certaines ou la totalité des masses d'équilibrage peuvent être divisées en deux ou plusieurs masses unitaires réparties dans un meAme plan ou dans des plans différents sur la longueur des vilebrequins. L'effet total de ces masses unitaires est identique à celui d'une masse unique d'un poids équivalent et dont le centre de gravité correspond à celui de ensemble des masses unitaires. Conformément à l'invention, chaque vilebrequin peut hêtre équilibré par une masse excentrée voisine de son extrémité comportant le pignon et par une sèctnde masse excentrée voisine de son autre extrémité, ou il peut être également équilibré par plusieurs masses excentrées réparties sur sa longueur et placées dans des positions axiales déterminées par le procédé de calcul décrit ci-dessus Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées aux éléments décrits ci-dessus, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Dispositif a'équilibrage d'une presse mécanique comprenant un coulisseau effectuant des courses rectilignes de vaet-vient par rapport au sommier de la presse, deux vilebrequins comportant chacun un maneton et tournant en sens inverses et 'a la même vitesse dans le sommier, un mécanisme reliant le coulisseau aux manetons des vilebrequins de manière que le coulisseau effectue une course complète de va-et-vient chaque foistu les vilebrequins effectuent ensemble un tour complet, et un dispositif équilibrant pratiquement les forces d'inertie créées par le mouvement alternatif du coulisseau et du mécanisme de liaison ainsi que les forces centrifuges exercées sur les vilebrequins par les masses excentrées des manetons et celles des parties correspondantes du mécanisme de liaison tournant avec les vilebrequins, ce dispositif d'équilibrage étant caractérisé en ce qutil comprend des éléments excentrés montés sur les vilebrequins et n'ayant pas tous des masses égales ou étant placés à des distances différentes de l'axe du coulisseau, ces éléments étant calés sur les vilebrequins de manière qu'ils soient opposés lorsque le coulisseau est au voisine du milieu de sa course d'aller ou de retour et qu'ils soient orientés dans le même sens lorsque le coulisseau est à ltune ou à l'autre extrémité de sa course complète. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le mécanisme de liaison comprend deux pistons parallèles fixés par une de leurs extrémités sur le coulisseau et orientés chacun vers le vilebrequin, chaque piston étant dans le plan de l'axe du vilebrequin correspondant, ce mécanisme de liaison comportant également des bielles ayant chacune une extrémité articulée sur le maneton du vilebrequin correspondant et son autre extrémité articulée sur autre extrémité du piston correspondant, les deux pistons étant guidés axialement et coulissant dans le sommier de la presse. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la masse des éléments d'équilibrage et leur rayon d'excentration par rapport au vilebrequin correspondant sont déterminés par la relation suivante Mm Rm = Rs (0,5 Ms + Mr) dans laquelle, Mm est la masse de l'élément d'équilibrage, Rm est le rayon d'excentration de la masse de l'élément d'équilibrage, Rs est le rayon d'excentration du maneton du vilebrequin, Ms est la masse totale des éléments animés d'un mouvement de va-et-vient, Mr est la masse totale du maneton du vilebrequin et de la partie de la bielle correspondante qui tourne avec le maneton. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que les éléments d'équilibrage de chaque vilebrequin comprennent au moins deux contrepoids excentrés espacés axialement sur le vilebrequin. 5. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que chaque vilebrequin est muni d'un premier et d'un second contrepoids d'équilibrage, la masse de chaque contrepoids et son rayon d'excentration par rapport à l'axe du vilebrequin étant déterminéwpar l'équation suivante Mga Rga + Mwa Rwa = Rs (0,5 Ms + Mr) dans laquelle Mga est la masse du premier contrepoids, Rga est le rayon d'excentration du premier contrepoids, Mwa est la masse du second contrepoids, Rwa est le rayon d'excentration du second contrepoids, Rs est le rayon d'excentration du maneton du vilebrequin, Ms est la masse totale des éléments animés d'un mouvement de va-et-vient, Mr est la masse totale du maneton du vilebrequin et de la par tie de la bielle correspondante qui tourne avec le maneton. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que les premier et second contrepoids de chaque vilebrequin sont montés de part et d'autre du maneton, la distance axiale Lga séparant le premier contrepoids du maneton étant déterminée par la relation Mga Rga Lga = Mwa Rwa Lwa 7.Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément d'équilibrage propre 'a chaque vilebrequin comprend plusieurs contrepoids espacés axialement et disposés de part et d'autre du maneton, la masse totale des contrepoids et son rayon d'excentration par rapport à l'axe du vilebrequin correspondant ainsi que la position axiale de chaque contrepoids -par rapport au vilebrequin étant déterminée par les relations suivantes Mr Rr Lr = M1 RI LI Mr Rr + M1 Rî = Rs (0,5 Ms + Mr) dans lesquelles Mr est la masse de chaque contrepoids disposé d'un coté du ma neton du vilebrequin, Rr est le rayon d'excentration du contrepoids correspondant, Lr est la distance axiale séparant le contrepoids du,maneton du vilebrequin, Ml est la masse de chaque contrepoids disposé de l'autre côté du maneton du vilebrequin, RI est le rayon d'excentration du contrepoids correspondant L1 est la distance axiale du contrepoids par rapport au mane ton, Rs est le rayon d'excentration du maneton du vilebrequin, Ms est la masse totale des éléments animés d'un mouvement al ternatif, et Mr estiva a masse totale du maneton et de la partie de la bielle correspondante qui tourne avec le maneton.