Brevet FR2451492A1 — publié le 19801010

La présente invention a notamment pour objet un mécanisme planétaire en particulier de machine hydraulique ou pneumatique. I1 est plus avantageux d'utiliser la présente invention dans les moteurs d'attaque de roches, les pompes, les compresseurs, dont les organes de travail sont exécutés sous forme de mécanismes planétaires hélicoSdaux. L'invention peut aussi être employée dans les réducteurs pour la transmission du mouvement d'un pignon effectuant un mouvement planétaire à un arbre de sortie. Les mécanismes planétaires connus à l'heure actuelle, par exemple les moteurs hydrauliques, comportent un carter abritant un ou plusieurs couples cinématiques à engrènement intérieur. Un couple cinématique comprend un stator et un rotor. Sur la surface extérieure du rotor et sur la surface intérieure du stator sont exécutés des filets. Les filets des surfaces correspondantes forment des dents se trouvant en prise constante entre elles. Le stator abrite un rotor placé d'une façon excatrique, le nombre de dents du stator étant habituellement supérieur dtune dent à celui-ci du rotor. Le moteur a un arbre de sortie monté dans le carter sur des paliers et relié au rotor par une articulationss Pendant le fonctionnement du moteur, son rotor actionné par le fluide moteur sous pression effectue un mouvement complexe : il tourne autour de son propre axe qui, à son tour, effectue un mouvement d'entratnement suivant une orbite circulaire dont le rayon est égal à la valeur de l'excentricité. Dans la plupart des moteurs connus dans 1' état actuel de la technique, le couple moteur est transmis du rotor à l'arbre de sortie à l'aide d'une articulation exécutée sous forme d'un joint de Cardan double qui-doit assurer la transmission tant du moment de rotation que de la force axiale. Le joint de Cardan double est caractérisé par un grand nombre de pièces, une fabrication et un assemblage difficiles. Les organes de frottement du joint de Cardan sont, en règle générale, des manchons dentés fonctionnant dans un lubrifiant, ce qui nécessite l'étanchéité de l'enceinte intérieure. Ceci est la cause principale de la fiabilité et de la longévité insuffisantes des articulations décrites ci-dessus.Ce problème se pose d'une manière particulièrement aiguë dans les moteurs d'attaque qui fonctionnent dans les conditions des boues de forage et d'autres liquides contenant des impuretés mécaniques. Les considérations ci-dessus s'appliquent dans la même mesure aux pompes hydrauliques; dont les organes de travail sont réalisés sous forme d'un mécanisme planétaire. On s'est donc proposé de mettre au point un mécanisme planétaire dans lequel les paramètres géométriques de l'articulation assureraient une liaison fiable et simple entre)d'une part, les pièces du mécanisme effectuant le mouvement d'entratnement, et d'autre part, l'arbre de sortie ou le carter du mécanisme planétaire. Ce problème est résolu à l'aide d'un mécanisme planétaire comportant un carter à l'intérieur duquel est placé au moins un couple cinématique à engrènement intérieur, comprenant un élément effectuant un mouvement d'entratnement par rapport à l'autre élément, l'un desdits éléments, à savoir, celui effectuant le mouvement rotatif, étant relié cinématiquement à l'arbre de sortie, tandis que l'élément effectuant le mouvement d'entratnement est accouplé à l'aide d'une articulation à l'arbre de sortie ou au carter, caractérisé, selon l'invention, en ce que l'articulation est exécutée sous forme dlun arbre flexible dont le rapport de la longueur au diamètre de la circonférence décrite par sa section transversale se trouve sensiblement dans les limites de 10 à 60. Une telle réalisation de l'articulation du mécanisme planétaire simplifie la conception de l'ensemble du mécanisme, élève sa fiabilité et augmente sa longévité. Son entretien et son remplacement en cas de réparation sont moins. difficiles et notablement moins comateux. En cas d'utilisation dans le mécanisme planétaire, de plusieurs couples cinématiques, il est avantageux que leurs éléments effectuant le mouvement d'entratnement soient reliés entre eux par un arbre flexible dont le rapport entre la longueur et le diamètre de la circonférence décrite par sa section transversale se trouve sensiblement dans les limites de 10 à 60. Au cas où les particularités technologiques de l'utilisation du mécanisme planétaire l'exigeraient son arbre pourra être réalisé creux. L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, détails et avantages de celle-ci apparattront mieux à la lumière de la description explicative qui va suivre de différents modes de réalisation donnés uniquement à titre d'exemples non limitatifs, avec référence aux dessins non limitatifs annexés dans lesquels - la figure 1 représente une vue d'ensemble avec arrachement et en coupe longitudinale partielle, d'un moteur hélicoRdal d'attaque de roches exécuté selon l'invention, dans lequelltoutil de destruction des roches est relié à l'élément intérieur du couple cinématique - la figure 2 est une vue en coupe transversale du couple cinématique "rotor-stator" suivant II-II de la figure 1 ;; - la figure 3 est une vue en coupe transversale d'un arbre flexible conforme à l'invention, ayant une forme circulaire; - la figure 4 est une vue en coupe transversale d'un arbre flexible creux conforme à 1' invention - la figure 5 est une vue en coupe transversale d'un arbre flexible de forme carrée, conforme à l'invention; - la figure 6 est une vue en coupe transversale d'un arbre flexible de forme hexagonale, conforme à l'invention ;; - la figure 7 est une vue d'ensemble, avec arrachement et en coupe longitudinale, d'un moteur d'attaque hélicordal exécuté selon l'invention, dans lequel plusieurs couples cinématiques font office d'organes de travail et l'outil de destruction des roches est relié à l'élément intérieur du couple cinématique - la figure 8 est une vue d'ensemble, en coupe longitudinale, d'une pompe hélicoidale exécutée conformément à l'invention - la figure 9 est une vue d'ensemble, en coupe longitudinale, du moteur d'attaque exécuté selon l'invention, dans lequel l'outil de destruction des roches est accouplé à l'élément extérieur du couple cinématique - la figure 10 montre les courbes de variation des caractéristiques de charge sur l'arbre flexible du moteur en fonction d'un paramètre sans mesure qui est le rapport entre la longueur de l'arbre flexible et le diamètre de la circonférence décrite par sa section transversale. La figure 1 représente l'un des exemples concrets de réalisation du mécanisme planétaire hélicogdal conforme à l'invention. Dans cet exemple, on utilise un seul couple cinématique, exécuté sous forme d'un mécanisme planétaire hélicordal dans lequel l'élément de destruction des roches est relié à l'élément intérieur duaouple. Le moteur est mis en action par un fluide sous pression, en qualité duquel on peut utiliser de l'eau, une boue de forage ou d'autres liquides. Le type de fluide sous pression est choisi en fonction des conditions géologiques et techniques concrètes du forage. Le moteur hélicodal comporte un carter 1 dans lequel est fixé à demeure un revbtement élastique 2, appelé aussi stator. Le revêtement 2 est fabriqué habituellement en caoutchouc, mais il peut aussi être fabriqué en n'importe quel autre matériau élastique. Un filetage est exécuté sur la surface intérieure du revêtement 2. Le nombre de filets correspond au nombre de dents Z1 de la surface hélicoldale du stator. Dans le cas concret considéré, Z1 = 4, mais il peut varier dans de larges limites en fonction des exigences techniques auxquelles doit satisfaire le moteur. Le rotor 3, exécuté généralement en métal, est logé à l'intérieur du revêtement 2. Sur la surface extérieure du rotor est exécuté un filetage dont le nombre de dents est inférieur d'une unité au nombre de dents du stator 2. Dans le cas considéré, Z2 = 3. Le rotor 3 est monté dans le revêtement du stator 2 avec une excentricité "e" (figure 2). Pour assurer le fonctionnement du mécanisme planétaire en tant que machine hydraulique volumique, le rapport entre les pas des surfaces hélicordales des pièces 2 et 3 est directement proportionnel au rapport de leurs nombres de dents. Pendant son mouvement planétaire, le rotor 3, effectuant, dans ce cas, la rotation et le mouvement d'entratnement, est relié à l'arbre de sortie tournant 4 de la section à cartouche 5 par l'intermédisre de l'arbre flexible 6. La section transversale de l'arbre flexible 6 peut être ronde (figure 3), carrée figure 5), hexagonale (figure 6) ou de toute autre forme appropriée dans les limites de la surface délimitée par la circonférence décrite, de diamètre d. L'arbre flexible 6 peut être exécuté creux (figure 4). Dans le cas considéré, on entend par "arbre flexible 61' une articulation exécutée sous forme d'une tige dont l'axe, pendant la transmission continue du couple moteur et de la force axiale, n'est pas linéaire et peut fléchir dans 11 espace. L'arbre flexible 6 peut être fabriqué à partir de matériaux de construction tels que : métaux, matières plastiques, etc, dont les propriétés physiques et mécaniques assurent une solidité suffisante et une bonne longévité de l'arbre. Suivant l'invention, le rapport entre la longueur de l'arbre flexible 6 et le diamètre de la circonférence décrite par sa section transversale se trouve sensiblement dans les limites de 10 à 60. Ces paramètres de construction permettent de réaliser une transmission fiable et simple du couple moteur à l'arbre de sortie. Le moteur d'attaque qui vient d'être décrit fonctionne de la manière suivante. Une pompe hydraulique (non représentée sur la figure)refoule un liquide sous pression, par l'intermédiaire de tubes, dans l'enceinte de haute pression M du moteur. Les dents hélicoldales du rotor 3 et du stator 2 en contact entre elles forment des chambres qui se ferment suivant la longueur du pas de la surface hélicoldale du stator 2. Une série de chambres se trouve reliée à l'enceinte haute pression M, et une autre série à l'enceinte basse pression N. C'est pourquoi une force non équilibrée et, par conséquent un couple moteur sont engendrés dans la section transversale du mécanisme planétaire hélicordal. De l'enceinte basse pression, le liquide arrive par l'arbre creux 4 de la broche 5 au fond du trou. Le couple moteur créé par le moteur est transmis du rotor 3 à l'arbre 4 de la cartouche ou broche 5 à l'aide de l'arbre flexible 6, qui assure une coincidence complète des vitesses de rotation de ces organes. La charge hydraulique créée sur le rotor 3 est elle aussi transmise à l'arbre 4 par l'arbre flexible 6. Dans le but d'élever la puissance et le couple du moteur, il est possible de disposer les couples cinématiques "rotor-stator" successivement (figure 7). Dans ce cas, les rotors 7 et 8 de ces couples cinématiques sont reliés l'un à l'autre et à l'arbre de sortie 9 et par les arbres flexibles 10 et 11. En cas d'utilisation du mécanisme planétaire en tant qu'organe de travail d'une pompe ou d'un compresseur pour le pompage d'un fluide ou le refoulement d'un gaz (figure 8), il est possible si on désire simplifier la conception et augmenter la longévité, de réaliser la liaison entre le rotor 12 de la pompe et l'arbre dtentralne- ment 13 à l'aide d'un arbre flexible 14. Dans certains cas, dans un moteur d'attaque hélicoSdal, l'outil de destruction des roches est relié à l'élément extérieur du couple cinématique (figure 9). Un tel moteur est constitué par un carter 15 renfermant un couple cinématique relié rigidement à un arbre de sortie 18 reposant sur des paliers d'appui 16 et sur un palier de butée 17. L'élément extérieur 19 du couple effectue la rotation et est relié directement à l'arbre de sortie, tandis que l'élément intérieur, effectuant le mouvement d'entrainement, est relié au corps 15. Cette liaison est assuréepar l'arbre flexible 20 exécuté selon l'invention, disposé partiellement dans l'élément intérieur du couple cinématique.L'arbre flexible 20, faisant office d'organe de liaison entre, d'une part l'élément du couple cinématique du mécanisme planétaire effectuant le mouvement d'entrainement, et d'autre part, l'arbre tournant ou le carter, est soumis à un ensemble de charges qui dépendent des paramètres d'utilisation et de construction du moteur. La disposition excentrique du rotor 3 (figure 1) crée une tension de flexion ff dans le corps de l'arbre flexible 6. La valeur de cette tension, quand toutes les autres conditions sont égales, est inversement proportionnelle au carré de la longueur de la partie active de l'arbre flexible 6. Une force transversale radiale R est alors engendrée sur l'arbre flexible. Cette force agit sur le revêtement élastique du stator 2 > augmente la déformation des dents et affecte les caractéristiques énergétiques du moteur. En général, la valeur de cette force est inversement proportionnelle à la longueur de la partie active de l'arbre flexible 6. Comme il ressort de l'examen de la figure 10, les courbes obtenues pour les mécanismes planétaires réels sont caractérisées par des valeurs relatives très élevées dans le domaine K Cependant, les possibilités d'augmentation de la longueur de travail de l'arbre flexible 6 et, par conséquent, le domaine d'existence du paramètre K, sont limités par le coefficient de sécurité de l'élément flexible au flambage. On a trouvé que la valeur du paramètre K = 57 à 60 correspond au coefficient de sécurité établi par les recherches et égal à 1,8 à 2,0. La courbe de variation du coefficient de sécurité n au flambage est donnée aussi sur la figure 10. Suivant l'invention, le rapport entre la longueur de travail de l'arbre flexible 6 et le diamètre de la circonférence décrite par sa section transversale ne doit pas être inférieur à 10 et supérieur à 60. Cette condition résulte des causes suivantes. On a constaté que quand le rapport desdits dimensions était inférieur à 10, la liaison entre, d'une part, le rotor 3 effectuant le mouvement d'entratnement, et d'autre part, l'arbre 4, par l'intermédiaire de l'arbre flexible 6, devenait rigide, que l'étanchéité des organes de travail était affectée, que les pertes mécaniques dans le couple cinématique augmentaient. Ces inconvénients sont dus au fait que, dans ce cas, l'axe du rotor 3, sur lequel agissent des moments de gauchissement, ne se déplace pas parallèlement à l'axe du stator 2 pendant sa rotation autour de celui-ci, mais décrit un c8ne dont le sommet se trouve à l'endroit de l'accouplement de l'arbre flexible 6 à l'arbre de sortie 4 du moteur.Tout cela conduit à une baisse des caractéristiques énergétiques du mécanisme, à un fonctionnement peu fiable du stator 2, à une usure rapide de son revêtement, etc. Quand, au contraire, le rapport entre la longueur de travail et le diamètre de la section de l'arbre 6 est supérieur à 60,- il y a une perte de stabilité de l'arbre flexible 6 pendant la transmission de la charge axiale de compression (dans-ce cas, de la charge hydraulique). La présente invention permet d'améliorer sensiblement les qualités d'utilisation et de simplifier la conception du mécanisme planétaire grâce à l'augmentation multiple de la longévité de l'articulation et à la diminution de la main d'oeuvre nécessaire à la fabrication de cet ensemble. L'effet économique qu'on obtient de l'application de l'invention résulte de l'augmentation de la longévité des mécanismes et de la baisse des frais de fabrication, et est surtout important en cas d'utilisation de l'invention dans les moteurs d'attaque pour le forage de puits. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemple. En particulier, elle comprend tous les moyens constituant des équivalents techniques des moyens décrits, ainsi que leurs combinaisons, si celles-ci sont exécutées suivant son esprit et mises en oeuvre dans le cadre de la protection comme revendiquée. REVENDICATIONS 1. Mécanisme planétaire comportant un carter à l'intérieur duquel est placé au moins un couple cinématique à engrènement intérieur comprenant un élément effectuant un mouvement d'entraSnement par rapport à l'autre élément, l'un desdits éléments, celui effectuant le mouvement de rotation, étant relié cinématiquement à l'arbre de sortie, tandis que l'élément effectuant le mouvement d'entratnement est relié à l'aide d'une articulation à l'arbre de sortie ou au carter, caractérisé en ce que l'articulation est exécutée soub forme d'un arbre flexible dont le rapport de la longueur au diamètre de la circonférence décrite par sa section transversale se trouve sensiblement dans les limites de 10 à 60. 2. Mécanisme planétaire conforme à la revendication 1, caractérisé en ce qu'en cas d'utilisation de plusieurs couples cinématiques, leurs éléments effectuant le mouvement d'entrainement, sont reliés les uns aux autres par des arbres flexibles dont le rapport des longueurs respectives aux diamètres des circonférences décrites par leurs sections transversales respectives se trouve sensiblement dans les limites de 10 à 60. 3. Mécanisme planétaire conforme à l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'arbre flexible est exécuté creux.