Brevet FR2324938A1 — publié le 19770415

la présente invention a pour objet un dispositif mécanique destiné à transmettre un mouvement de rotation d'amplitude quelconque à travers une paroi étanche. Il s'agit ici d'une étanchéité rigoureuse, au sens où on l'entend, par exemple, dans l'industrie nucléaire. La paroi précitée et les organes d'étanchéité partageant l'espace en deux domaines distincts, un domaine S, que l'on pourra qualifier de "saint', situé du meme c8té de la paroi que l'organe menant et un domaine P que l'on pourra qualifier de ',pollué". - On sait que le presse-étoupe classique à tresse serrée, interposé entre une paroi et un axe translatif ou rotatif qui traverse ladite paroi, procure une étanchéité admissible dans la plupart des applications industrielles. Ce genre de dispositif a fait l'objet de perfectionnements divers, tels que l'injection continue dans la tresse d'un fluide neutre pour empêcher préférentiellement le passage du fluide indésirable du c8té pollué au caté sain. L'imperfection foncière des dispositifs de ce genre est qu'ils laissent toujours subsister une ouverture dans la paroi et une rupture de sa continuité. Cette imperfection, si minime soit-elle, peut être inacceptable dans certaines applications industrielles, telles que celles relevant de la technique nucléaire, où la continuité rigoureuse d'une enceinte est exigée. On a réalisé des dispositifs répondant à cette prescription et permettant de transmettre des déplacements divers, ce sont les boites à gants très répandues dans les laboratoires nucléaires. Mai5 ces dispositifs sont trop fragiles pour être utilisables dans l'industrie et, au surplus, ils ne permettent pas de transmettre un mouvement rotatif d'amplitude indéfinie, la capacité de torsion du gant étant limitée. On connaît des dispositifs industriels capables de transmettre, dans lesdites conditions d'étanchéité, un mouvement translatif limité. Ces dispositifs sont en général constitués d'un arbre moteur supporté par un palier solidaire de la paroi. Une partie de l'arbre, du edte pollué par exemple, est enveloppée par un tube ondulé élastique co-axial raccordé de façon étanche d'une part à la paroi autour du passage a'arbre et d'autre part à un disque traversé par l'arbre de façon étanche. On peut déplacer l'arbre axialement en utilisant ltélasticité du tube ondulé. Or, cette élasticité est relativement limitée, car elle est en moyenne de l'ordre de 10% de la longueur du tubeondulé. Il en résulte qu'un déplacement translatif relativement important exige une longueur prohibitive de tube ondulé. La présente invention a pour but la réalisation d'un dispositif présentant une étanchéité conforme aux normes de l'industrie nucléaire et permettant de transmettre un mouvement de rotation d'un nombre quelconque de tours, sous des couples et à des vitesses appréciables. Selon l'invention, le dispositif de transmission d'un mouvement de rotation d'amplitude quelconque à travers une paroi étanche, comprenant d'une part un arbre moteur porté par au moins un palier solidaire de ladite paroi, l'extrémité menante dudit arbre se trouvant d'un premier côté de la paroi et I1 extrémité menée d'un second c8té, et d'autre part un arbre entraîné, est caractérisé en ce qu'il comprend - un tube ondulé élastique qui, en position de repos, est sensiblement coaxial à l'arbre moteur, dont une extrémité est fixée de façon étanche à la paroi, du second caté précité de ladite paroi, et dont l'autre extrémité est figée de façon également étanche à un disque plein - des moyens de liaison entre l'arbre moteur et le disque, pour transmettre au disque un mouvement ayant une composante de translation circulaire - des moyens de liaison entre le disque et l'arbre entraîné pour transmettre à l'arbre entraîné un mouvement de rotation. Ainsi, l'ouverture ménagée dans la paroi est recouverte par le tube ondulé dont l'extrémité est obturée. On peut donc considérer que le tube et son obturateur assurent avec la paroi une délimitation sans aucune interruption de l'espace en deux domaines. Selon une réalisation préférée de l'invention, le bras de manivelle est cylindrique et il est monté rotativement dans un tube solidaire du disque et coaxial à ce dernier. Ainsi le bras en rotation peut transmettre au tube un mouvement circulaire qui n'est pas une rotation, toute rotation du disque étant interdite par la présence du tube ondulé. Selon une réalisation avantageuse de l'invention, les déplacements circulaires mais non rotatifs d'un point donné de l'axe du disque sont transmis par une articulation à rotule à un plateau solidaire de l'arbre entraîné qui peut ainsi recevoir un mouvement de rotation. De préférence, le bras de manivelle est articulé sur 1' arbre moteur, ce qui permet à l'extrémité du maneton de décrire un cercle non coaxial à l'arbre moteur, de sorte que l'alignement des arbres menant et mené n'est pas indispensable. D'autres particularités de l'invention ressortiront encore de la description détaillée qui va suivre. Aux dessins annexés, donnés à titre d'exemple non limitatif d'une réalisation de l'invention : La figure 1 représente une vue en coupe suivant I-I de la figure 2 d'une première réalisation du dispositif. la figure 2 est la vue de dessus suivant II-II de la figure i. La figure 3 est une coupe partielle du dispositif, en deux positions différentes, destinée à expliquer le fonctionnement. La figure 4 est une coupe en élévation dune seconde réalisation de l'invention. les figures 5, 6, 7 et 8 sont des coupes partielles en élévation d'autres réalisations de l'invention. Dans la réalisation représentée à la figure 1, on a montré l'application de l'invention à la commande, au moyen d'un arbre moteur 31 d'une vanne 1 d'un type quelconque comportant notamment un corps 2 et une tige de commande rotative 3 qui sort du corps 2 par un manchon 4 du corps 2 avec un jeu modéré compatible avec le fonctionnement de la vanne. Le dispositif de transmission prévu par l'invention comprend un bottier 5, de forme sensiblement cylindrique terminé par un manchon 6 raccordé au manchon 4 par un cordon de soudure 7 continu et étanche. A sa partie supérieure, le boftier 5 présente un taraudage 8 dans lequel est vissé un second bottier 9 formant couvercle pour le bottier 5 et qui est traversé axialement par l'arbre moteur 31. Après montage complet de l'appareil, les bottiers 5 et 9 sont en outre fixés l'un à l'autre par un cordon de soudure 11 continu et étanche. le bottier 9 comporte un alésage 12 et un épaulement 13 formant cage respectivement pour un roulement à aiguilles 14 et pour une butée à aiguilles 15. Dans un alésage 16 du bottier 9 est engagée une bague 17 dont une extrémité 18 et un alésage 19 forment cage respectivement pour une butée à aiguilles 21 et un roulement à aiguilles 22. Un rebord circulaire 23 de la bague 17 permet de fixer ladite bague sur le bottier 9 au moyen de quatre boulons tels que 24. La bague 17 comporte encore un alésage 25 formant bottier de presse-étoupe classique, ledit presse-étoupe comportant une tresse 26 serrée par un fouloir 27. le fouloir 27 est engagé sur deux goujons 28 soudés à la bague 17 et maintenu par des écrous 29. Pour plus de clarté sur la figure 1, on a rabattu dans le plan de figure les boulons 24 et les goujons 28. L'arbre moteur 31 qui comporte à ses extrémités respectives un carré de manoeuvre 32 et un méplat 33 traverse librement un alésage 34 du fouloir 27 et un alésage 35 de la bague 17 tout en étant serré par la tresse 26. L'arbre 31 est porté par les roulements 14 et 22. Il comporte par ailleurs une collerette 36 lui permettant de prendre appui sur les butées 15 et 21. L'arbre moteur 31 porte un bras de manivelle 37 comprenant une tige cylindrique 38 et une chape 39 articulée au méplat 33 au moyen d' un axe 41 maintenu en place par des moyens connus. Sur un usinage circulaire 42 du bottier 9 est soudée une extrémité 43 d'un tube ondulé métallique souple 44 d'un type disponible sur le marché, la soudure étant continue et étanche. le pourtour usiné 45 d'un disque 46 d'ase Y est soudé de la même manière à l'autre extrémité 47 du tube ondulé 44. le disque 46 comporte sur sa face intérieure au tube ondulé 44 un tube de raccordement axial 48 dans lequel est engagée la tige 58 du bras de manivelle 37, l'alésage 49 du tube 48 étant tel que la tige 38 y coulisse librement et sans jeu appréciable. La qualité d'usinage de la tige 38 et de l'alésage 49 du tube 48, ainsi que les nuances respectives de matière composant ces pièces sont déterminées en fonction de critères connus, sachant que la vitesse de rotation de l'une des pièces par rapport à l'autre peut être, par exemple1 de deux tours par seconde et qu'aucun renouvellement de lubrification n'est possible, tout démontage de l'appareil étant destructif. Le disque 46 comporte par ailleurs sur sa face externe au tube ondulé 44 une tige axiale 51 terminée par une rotule sensiblement sphérique 52. Dans la réalisation décrite, le disque 46, le tube 48, la tige 51 et la rotule 52 font partie d'un même bloc de matière usiné dans la masse et forment une pièce unique 56 d'ase T. La rotule 52 est engagée dans un trou borgne 53 pratiqué dans un plateau sensiblement circulaire 54 prenant appui sur le fond du bottier 5. Un arbre entraîné 55 est solidaire du plateau 54 et tourne librement dans la partie tubulaire 6 du bottier 15. Un raccord classique à tournevis relie l'arbre 55 à la tige de vanne 3. La rotule 52 est maintenue dans le trou 57 par une légère compression donnée au montage au tube ondulé 44 qui joue ainsi le rôle d'un ressort. Cette compression résulte d'une hauteur appropriée du bolier 5 vis-à-vis de la longueur du tube 44. Le fonctionnement du dispositif ainsi constitué est le suivant Quand on sollicite l'arbre 31 en rotation, le bras de manivelle 37 tend à prendre aussi un mouvement de rotation tel que l'axe Y de la tige 38 décrive un c8ne. le disque 46 tend alors à prendre également un mouvement de rotation, mais il en est empoché du fait de sa liaison au boitier 9 fixe par l'intermédiaire du tube ondulé 44. le seul mouvement que puisse prendre le disque 46 est une translation circulaire, combinée d' ailleurs avec un mouvement d'oscillation comme on peut s'en rendre compte en imaginant le disque en diverses positions. La compatibilité entre les mouvements différents du bras de manivelle 37 et du disque 46 est assurée par la rotation de la tige 38 dans le tube de raccordement 48 ; la figure 3 illustre ce point en montrant deux positions Â et B de l'ensemble tige-tube dont l'une est obtenue à partir de l'autre par rotation d'un demi-tour-de l'arbre 31. Dans la position A, on a particularisé en traits tiretés une génératrice 62 de la tige 38 et une génératrice 63 du tube 48 qui sont confondues dans ladite position Â ; le jeu a été exagéré pour plus de clarté.Après un demi-tour, en position 3, la génératrice 62 est venue en 62a du fait de la rotation de la tige 38, et la génératrice 63 est venue en 63a du fait de l'oscillation et de la translation circulaire du tube 48. le déplacement relatif des génératrices précitées est rendu possible par la rotation de la tige 38 dans le tube 48. Le disque 46 effectuant le mouvement précité, la rotule 52 effectue un mouvement de translation circulaire sensiblement dans le plan du plateau 54. La liberté inhérente à l'articulation à rotule permet à la rotule 52 de conférer au plateau 154, donc à 11 arbre 55, un mouvement de rotation. Si les axes respectifs des deux arbres moteur et entravé ne sont pas rigoureusement confondus, le bras de manivelle 37 doit pouvoir prendre une inclinaison variable par rapport à l'arbre 31 au cours d'une rotation ; l'articulation par la chape 39 fournit cette possibilité. En outre, dans cette même hypothèse; la distance entre la rotule 52 et l'axe 41 de la chape 39 varie au cours d'une rotation ; le coulissement de la tige 38 dans le tube 48 permet cette variation. L'étanchéité absolue du dispositif résulte du fait que la paroi de réparation entre les domaines P et S n'est pas interrompue. le fluide passant dans la vanne 1 peut envahir le boftier 5, mais il est arrêté par la soudure 11 et par le tube ondulé 44 raccordé de façon étanche au disque 46 et au boîtier 9. On a représenté sur la figure 4 une autre réalisation de l'invention, appliquée ici à un problème général de transmission d'un mouvement de rotation (éventuellement assez rapide) à travers une paroi métallique 101 qui sépare ltespace en deux domaines S et P. Un boitier 109, analogue au boiter 9 de la figure t, comporte une collerette circulaire 105 reliée à la paroi 101 par une soudure étanche 111. Tous les éléments situés à l'intérieur du boîtier 109 sont identiques aux éléments correspondants représentés sur la figure 1. Un arbre moteur 131, dont l'extrémité menante est en 132 traverse l'ensemble des éléments précités et porte à son extrémité un bras de manivelle 137 par l'intermédiaire d'une articulation à chape 139. Le bras 137 comporte une tige cylindrique 138 qui coulisse sans jeu appréciable dans un tube 148 dont l'alésage 149 est recouvert d'un coussinet 203 de matière antifriction, qui peut être par exemple du polytétrafluoréthylène. Le tube 148 est solidaire d'un disque coaxial 146. Un tube ondulé métallique souple 144 a ses extrémités soudées d'une part au boiter 109 et d'autre part au disque 146. le disque 146 porte une tige axiale 151 à l'extrémité de laquelle se trouve une rotule 152 engagée dans un trou borgne excentré 153 d'un plateau 154 solidaire d'un arbre entraîné 155. Une rondelle 201, fixée au plateau 154 par des vis telles que 202 empoche la rotule 52 d'échapper du trou 153. Les arbres 131 et 155 sont encore supportés par d'autres paliers non représentés. Comme précédemment, l1étanchéité du dispositif résulte de la séparation sans interruption constituée par la paroi 111, le bottier 109, le tube ondulé 144 et le disque 146, toutes ces pièces étant réunies entre elles par des soudures étanches. le fonctionnement de la channe cinématique est similaire à celui décrit à propos de la réalisation de la figure 1. le mode de liaison des pièces articulées entre elles permet toutefois d'obtenir de plus grrndes vitesses de rotation, par exemple de l'ordre de mille tours/minute. La figure 5 représente une troisième réalisation de l'invention. Cette réalisation diffère assez peu de la précédente pour qu'un dessin très simplifié suffise à l'illustrer. On a conservé les repères utilisés sur la figure 6 pour désigner les pièces identiques ou jouant un rôle analogue. Sur le disque 146 est fixée coaxialement une tige 148, présentant sensiblement le même diamètre que arbre moteur 131. Un ressort hélicoSdal 251 enserre simultanément l'arbre 131 et la tige 148. le ressort 251 est fixe à ces deux pièces par des goupilles 252, de manière qu'aucune desdites pièces ne puisse pivoter dans le ressort. On comprend que, par son élasticité, le ressort 251 permet les déplacements angulaires que permettait la chape 139, et aussi les déplacements longitudinaux que permettait le coulissement de la tige 38 dans le tube de raccordement 148 (figure 4). Dans la réalisation schématisée à la figure 6, l'arbre moteur 131 porte à son extrémité un plateau 301 comportant un ergot 302 engagé dans un trou borgne 303 sensiblement axial d'un disque 146. L'arbre entraané 155 comprend un plateau 304 et un ergot 305 sensiblement identiques au plateau 301 et à l'ergot 302. 'ergot 305 est engagé dans un trou borgne 306 sensiblement symétrique du trou 303 par rapport au disque 146. Un tube ondulé 144 a ses extrémités soudées de façnn étanche retpectivement sur une paroi étanche 101 et sur le disque 146. En fonctionnement, l'arbre 131 en rotation entrain le disque 146 dans un mouvement de translation circulaire, du fait que sa rotation est interdite par le tube ondulé 144. À son tour, le disque 146 confère à l'arbre 155 un mouvement de rotation. L'étanchéité est assurée par le tube 144 et ses fixations étanches. La réalisation de la figure 7, voisine de celle de la figure 6, comporte deux bras de manivelle 351 et 352 en fer plat fixés respectivement aux extrémités des arbres 131 et 155. les bras 351 et 352 sont percés respectivement de trous 353 et 354 dans lesquels sont engagés des ergots 355 et 556 coaxiaux à un disque de liaison 146. le tube ondulé 144 est monté comme indiqué sur la figure 6. Le fonctionnement est analogue à celui de la réalisation de la figure 6. Dans la réalisation de la figure 8, les arbres 131 et 155 comportent respectivement des plateaux excentrés 401 et 402 engagés dans des cuvettes axiales et symétriques 403 et 404 d'un disque de liaison 146. Un tube ondulé 144 est fixé au disque 146 et à la paroi 101 comme dans les réalisations précédentes. le fonctionnement est analogue à celui des réalisations des figures 6 et 7. Dans les réalisations des figures 6, 7 et 8, il est prévu de réaliser le disque en une matière antifriction qui évite le risque de grippage. Les performances que l'on peut attendre d1un système conforme à l'invention sont variables suivant les diverses réalisations décrites. La réalisation suivant la figure 5 ne permet de transmettre que des couples relativement peu élevés, en raison de la liaison par ressort.les autres réalisations, où la résistance mécanique peut Qtre rendue considérable par un dimensionnement convenable des pièces de la channe cinématique, peuvent supporter des couples relativement élevés, de l'ordre de 10 mkg par exemple dans le cas de la figure 1. Dans les réalisations des figures 6, 7 et 8 , un défaut éventuel d'alignement des arbres doit entre compense par des jeux plus ou moins importants dans les accouplements du disque avec les autres pièces en mouvements ; pour que ces jeux demeurent dans des limites acceptables, l'alignement des arbres devra etre-relativement soigné. Àu contraste, dans les autres réalisations (figures 1, 4 et 5), le désaxement a pour seul effet que la position moyenne théorique du tube ondulé n'est plus la position de repos cylindrique, et qutainsi on constate en fonctionnement une position de flexion maximale et une position de flexion minimale.Cette propriété permet mtme de prévoir un désaxement systématique qui peut titre de l'ordre d'une dizaine de degrés, compte tenu des propriétés mécaniques des tubes ondulés disponibles. Bien entendu, tout défaut dlalignement rend indispensable, dans les trois réalisations précitées, l'emploi d'une articulation telle que la chape 39 ou le ressort 251. La vitesse de rotation admissible dépend également des proprietés mécaniques du tube ondulé. Elle est de l'ordre de grandeur de celle d'un moteur électrique. Dans le cas des réalisations des figures 6, 7 et 8, les déformations du tube ondule dépendent du degré d'excentricité des dispositifs d1accouplement et de la résistance à l'écrouissage du tube ondulé la vitesse admissible est aussi liée au couple admissible. les réalisations des figures 1 et 4 présentent donc dans l'ensemble certains avantages techniques sur les réalisations décrites ensuite. Mais ces dernières présentent l'avantage d'une construction plus économique qui pourraient les faire préférer dans certaines applications. Il est évident que l'invention ne se limite pas aux réalisations décrites, et que de nombreuses variantes constructives peuvent eAtre apportées, notamment dans la forme donnée aux pièces composant la channe cinématique. Ainsi, par exemple, dans le cas de la figure 6, les plateaux 301 et 304 pourraient être remplacés par des manivelles, l'inverse valant pour les manivelles 351 et 352 de la figure 7. } VENDlCIONs 1. Dispositif deiransmission d'un mouvement de rotation d'amplitude quelconque à travers une paroi étanche, comprenant d'une part un arbre moteur porté par au moins un palier solidaire de ladite paroi l'extrémité menante dudit arbre se trouvant d'un premier coté de la paroi et l'extrémité menée dlun second c8té,- et d'sutre part un arbre entrainé, caractérisé en ce qu'il comprend - un tube ondulé élastique qui, en position de repos, est sensiblement coaxial à l'arbre moteur, dont une extrémité est fixée de façon étanche à la paroi, du second c8té précité de ladite paroi, et dont l'autre extrémité est fixée de façon également étanche à un disque plein - des moyens de liaison entre l'arbre moteur et le disque, pour transmettre au disque un mouvement ayant une composante de translation circulaire - des moyens de liaison entre le disque et l'arbre entraîné pour transmettre à l'arbre entraîné un mouvement de rotation. 2. Dispositif conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de liaison entre le disque et l'arbre entraîné comprennent une tige solidaire du disque, sensiblement coaxiale au disque et située du côté du disque extérieur au tube ondulé, ladite tige comportant à son extrémité la plus éloignée du disque une rotule engagée dans un orifice excentrique d'un plateau solidaire de l'arbre entrainé. 3. Dispositif conforme à la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens de liaison entre l'arbre moteur et le disque comprennent une tige de raccordement solidaire du disque, sensiblement coaxiale au disque, située du côté du disque intérieur au tube ondulé et un ressort hélicoVdal enserrant simultanément la tige de raccordement et l'arbre moteur. 4. Dispositif conforme à la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens de liaison entre l'arbre moteur et le disque comprennent d'une part un tube de raccordement solidaire du disque, sensiblement coaxial au disque et situe du côté du disque intérieur au tube ondulé, et d'autre part un bras de manivelle fixé à l'extrémité de 1 arbre moteur, oblique par rapport à cet arbre en direction de 11arbre entrainé, et monté rotativement dans le tube de raccordement précité 5. Dispositif conforme à la revendication 4, caractérisé en ce que le bras de manivelle est monté à coulissement dans le tube de raccordement. 6. Dispositif conforme à la revendication 5, caractérisé en ce que le bras de manivelle est fixé à l'arbre moteur par l'intermddiaire d'une articulation à chape. 7. Dispositif conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que les arbres comportent chacun un bras de manivelle sensiblement perpendiculaire à la ligne d'arbre, lesdits bras comportant chacun un maneton engagé dans un trou borgne du disque, les deux trous borgnes précitées étant sensiblement coaxiaux au disque et situés de part et d'autre de ce dernier. 8. Dispositif conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que les arbres comportent chacun un bras de manivelle sensiblement perpendiculaire au disque, lesdits bras comportant chacun un trou da;ns lequel est engagé un ergot fixé sur le disque, les ergots précités étant sensiblement coaxiaux au disque et situés de part et d'autre de ce dernier. 9, Dispositif conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que les arbres comportent chacun un plateau excentré, chacun de ces plateaux étant engagé dans une cuvette pratiquée dans le disque, les cuvettes précitées étant sensible ment coaxiales au disque et situées de part et d'autre de ce dernier. 10. Dispositif conforme à l'une des revendications 4 à 9, caractérisé en ce que les moyens de liaison entre deux pièces en contact et mobiles llune par rapport à l'autre comprennent des moyens pour empêcher le grippage. 11, Dispositif conforme à la revendication 10, caractérisé en ce que les moyens pour éviter le grippage comprennent une couche de matière anti-friction appliquée sur au moins l'une des deux pièces en contact. 12o Dispositif- conforme à l'une des revendications 4 ou 5, comprenant des moyens pour éviter le grippage entre le bras de manivelle et le tube de raccordement, caractérisé en ce que les deux pièces précitées sont reliées l'une à l'-autre par un roulement à aiguilles.