Brevet FR2545901A1 — publié le 19841116

BREVET D' INVENTION - BOITE DE VITESSE A PIGNONS LE DEKULTIPLICATION CONTINUEMENT REGLABLE ET DIFFEREN TIEL ACTIF. SECTEVR DE LA TECHNIQUE Cette "botte de vitesser" est applicable sur tout moyRn de transport ainsi que dans un grand nombre de mécanisme industriels0 Elle est, notamment, applicable sur des véhicules à roues dont elle permet de remplacer la boîte et le diffé rentiel. Elle est, particulièrement, adaptée pour les véhicules à chenille dont elle assure le braquage grace à sa fonction "différentiel actif". ( en faisant varier la vitesse d'une chenille par rapport à l'autre). DE LA Actuellement, les boites mécaniques sont à rapport discret. Les rares bottes à variation continue utilisent des dispositifs à, friotions . Le premier type est à courroie trapézoïdale reposant sur des poulies à gorge de géométrie variable par déplacement de l'un des flancs. Le rapport de démutiplication évolu donc avec ce paramètre. D'autres boîtes à friction utilisent le roulement de billes, de bicônes ou de molettes sur des pistes appropriées ; de façon à minimiser les pertes et l'usure par glissement, on est conduit à des dispositifs lourds et peu perfor mants. OBJET DE LÀ BOITE PROPOSES Nous souhaitons développer une boîte offrant une plage de rapport de démultipli cation dans laquelle on puisse évoluer de façon continue. Cette boîte doit être dotée d'une oùverture importante très supérieure à 30 Cette bote doit pouvoir dans une disposition particulière faire office de différentiel ; de plus, il doit être possible de piloter la fonction différentiel de façon à imposer une vitesse relative entre les 2 côtés du véhicule chenillé et lui permettre ainsi de tourner0 PRINCIPE DE LA "BOITE." Pour obtenir de bons rendements et passer de fortes puissances, il est exclu, à notre avis, de ne pas faire appel à un système d'engrénement positif type pignon courroie crantée, chaîbe silencieuse ou autre chose. (nous y reviendrons dans la suite du texte). D'autre part, il n'y a pas de miracle pour obtenir une démultiplication entre deux poulies reliées, disons, par une "courroie crantés", il faut que le dia mètre apparent des pignons soit différent. Si, de plus, nous voulons une varia tion de régime, les diamètres apparents des pignons doivent évoluer continuement, Le problème technologique est donc ici: comment avoir un engrenage simple, à "géométrie variable" ? Nous allons exposer son principe et, ensuite, nous étudierons la façon dont on doit l'utiliser. MOYENS TECPNOLOGIQUES MIS EN OEUVRE. L'@NGRENAGE A GEOEETRIE VARI@EIE. La figure 1 donne le principe de l'engrenage à géomfitrie variable B C E F est l'engrenage A D et X D' I > ' sont des galets de mise en forme par déformation élastique de l'engrenage. B est l'arbre de puissance. C est le disque d'entraînement - ce dis ue a une bonne flexibilité au gauchissement. E est le tambour d'entrainement, il peut-être constitué d'un cible en zig zag, de lamelles découpées ou d'un cylindre à,mince paroi; il doit avoir une bonne capacité de déformation. F est l'engrenage. C'est, en fait, soit une chaîne silencieuse ou une cour roie crantée ayant leurs dents vers l'extérieur; soit, ce qui est mieux, un anneau métallique fin présentant, ou non, des pignons ou des dente lures sur sa fece dorsale Y est le porte galet orientable X est son axe de rotation. Grace à ce dispositif on a donc réalisé un pignon qui a 2 diamètres apparents, par exemple, dans un rapport i à 3. REMARQUE, Dans un but pédagogique nous avons dessiné la figure 1 en séparant bien les fonctions entre C et E. L'inovation porte, bien évidemment, sur toute les géométries équivalantes capables d'assurer l'entreînement de F. par exemple : B et F peuvent Outre reliés par un cône, une calote, un paraboloide, une 1/2 élipside, une 1/2 toroïde ou un hybride de ces surfaces. REULRQUE. A la place des deux galets À A' on peut envisager de mettre une came de forme choisie à l'intérieur du ruban F sur laquelle glisserait celui-ci à la manière d'une tête de bielle par rapport à un vilbrequin. Il serait, dans ce cas, nécessaire de prévoir une lubrification force ou na système de palier hydraulique gazeux ou téflondé. EXEMPLE D'AGENCEMENTS DE BOITES DE VITESSES UTILISANT lES PIGNONS Â GEOMETRIE VARIABLE. Cas de la figure 2. On utilise, ici, deux pignons à G.V. (géométrie variable) B et B'reliés entre eux par un ruban d'entraînement D maintenu par le galet tendeur C. Par ruban D on entend ici : tout système d'entraînement classique t courroie lisse ou crantée, chaîne, câble ou ruban métallique fin portant des petits pignons ou des dentelures sur sa face interne. Pour obtenir une variation de vitesses d'un pignon G.V.par rapport à l'autre on joue sur l'orientation relative des 2 pignons ainsi, par exemple, sur la figure 2'une autre position des G.V. est dessinée en pointillé. REMAQUE. : On peut roter simultanément ou séparément les 2 pignons G.V. En première approximation. Si on admet qu'il n'y a pratiquement aucune tension dans le brin mou, on a donc dans l'exemple dessiné la possibilité de passer continuement d'un rapport de l'ordre 1/3 à un rapport de l'ordre de 3. Soit une ouverture de 9 REMARQUE - (1) Pour réduire le colt, on peut utiliser 1 pignon G.V. en tendem avec un pignon classique. (2) Il est possible, également, de faire engrener directement 2 pignons G.V. entre eux ou un rignon G.V. avec un pignon olassique. (3) Il est rossible de mettre, dans une boîte de vitesses, un étage à pignon GV en amont ùou aval) d'une Fignonerie classique. Par ailleurs, il est possible de mettre en cascl-e 2 étages H.V. dans l'exemple' choisi cela donnerait une ouver ture record de 81 ! avec seulement 2 étages. (4) Les pignons G.V. et la courroie qui les relie peuvent être lisses et entrat- ner uniquement par friction toutes les slutions intermédiaires entre : entraine- ment par friction et un entraînement positif font évidemment partis de la même ligne technologique décrite ici0 FONCTION DLFFERENTIEL FIGURE 30 Rappelons qu'un différentiel permet d'avoir pour les roues d'un même essi des vitesses de rotations différentes. La transmission à G*Vo permet de remplacer le différentiel d'un véhicule. Pour cela il faut disposer de deux transmissions à G.V. en parallèle, les pignon G.V. menant étant reliés entre eux et au moteur - les pignons G.V. menés étant chacun relié à un demi essieu, et étant tndépendantsentre eux. Si, par exemple, l'orientation des 2 pignons menant est commune entre eux, E si les 2 pignons menés ont leur dispositif d'orientation Y et Y' attelé à une "balance" U. Lorsoue les 2 G.V. exercent en couple identique sur le porte galet orientable Y et U'ceux-ci partent dans la même direction que W car la balance qui leur est attelée est équilibrée. Si, par contre, l'un des pignons G.V. rencontre un couple résistant très faible il va exercer un effort moindre sur la balance et celle-ct pas tourner autour de son couteau W cela va augmenter la démulliplication du c8té du fort couple et réduire celle du c8té opposé; ce qui aura tendance à réequilibrer les efforts sentis par la balance, et, donc, ton aura bien obtenu un effet différen tiel classique.La balance jouant, ici, le mêm r81e que les planétaires d'un différentiel ordinaire. Le couteau W est piloté, soit directement, soit en opposition avec les pla teaux porte galets des 2 pignons menants - ZX X' étant l'axe d'orientation du couteau et des plateaux menés. REMARQUE (1) : On peut permuter plateaux mené et menant (2) : On peut assister la balance par un ressort de rappel ou des butées, afi@ dà limiter la divergence de vitesse entre 2 roues0 FONOTION DEFEERENTIEL ACTIF. Dans le cas d'un véhicule à roues on peut se contenter de différentiel à balance précédemment déorit. Par dontre dans le cas de véhioules à chenilles il est vital de varier volontairement la vitesse relative de 2 chenilles pour bra quer. Avec le dispositif à,GOVO rien n'est plus simple et efficace. Il suffit de disposer d'un servo vérin capable d'agir sur l'inclinaison de la balance, en la faisant roter autour de l'axe, et cela quelque soient les conditions d'efforts auxquelles elle est sousise. Examinons comment cela se passe : Nous sommes en ligne droite puis nous dé sirons tourner à droite - le couteau W a une orientation correspondant à une certaine vitesse du véhioule, et la balance est à "zéro" - c'est-à-dire que les 2 porte galets ont la même orientation - le servo vérin imprime alors une rota tion de la balance qui induit une rotation oprosée des 2 porte galets; de telle sorte que la demultiplication augmente à droite et diminue à gauche; la vitesse relative des deux chenilles change et l'on tourne ; sangs différentiel et eans avoir recours à des freins ou a dess systèmes hydrauliques ou hyèrquméc@piq compliqués. ANNEXE R.O.M. Il est utile à ce point d'examiner la faisabilité du pignon G.V.. Le couple d'un moteur s'écrit =####### n. N C en MKY W en chevaux N en tcurs minute Si le brin tendu d'un ruban d'acier a une longueur h et une hautenr b La fatigue t' du brin tendu sera s Avec R rayon du galet La fatique dûe à l'enroulement du brin autour du galet est déduite de la cas d'une poutre en flexion. Il vient : 5 = ### avec E module d'young enfin la tension dûe à l'effet centrifuge s'exprime par : # étant le poids spécifique V la vitesse tagentielle et g l'accélération de la pesanteur Prenons le cas d'une transmission de 500 oh à 5000 T/mn C8té moteur. Le couple maxi est C=######### = 71,6 mkg à 5000 T/mm Si les galets font un rayon de 200 mm calcul de la contrainte dûe à la cour- bure du ruban. T #######= 50b si b = 0,3 mm t = 15 b bar. Calcul de la tension maximale cu brin dûe au couple Si h = 150 mm t' = 16 h bar Si h = 200 mm t' = 12 Calcul de la fatigue centrifuge : Si on admet des dentelures d'entraînement de 0,3 mm la contrainte de la dent est de td 30 hb flexion et la contrainte totale est d'environ 48 hecto bars. Cela est très raisonnable si on utilise en acier 25CD4 traité à 110 h bar COTE RECEPTEUR. Le couple dépend de la démultiplication - Supposons : Un rapport varient de 1/3 à 3 par rapport au pignon menant Dans le cas de la décultiplication maximale Le couple à passer est de 71,6 x 3 = 214,8 kg. m La tension maximale du brin est donc Si h = 150 t' = 48 hb Si h = 200 t' = 35,8 hb La contrainte maximale à démultiplication maximale est donc pour h = 200 tJ + t' + t" = T = 0,24 + 35,8 + 30 = = 6 6 au sommet des dents Tt = 50 entre 2 dents DANS LE CAS DE LA SURMULTIPLIATION. Le régime est de 15 000 T/mn t' = 3,98 et t = 30 donc Ttd = 53,35 hb au sommet des dents T t = 37 entre 2 dents REMARQUE : Ces calculs n'ont pour but que d montrer une première ap proche de dimentionnement possible ; einsi à la place des dents de 0,3 mm, il est notamment possible de n'utiliser que des dents de 0,1 mm de haut ayant un profil sinusoîdal, de façon à réduire au minimum les concentrations de contraintes à leur niveau; en effet, l'objectif de ces dents est d'augmenter la "rugosité" et donc la capacité d'entraînement du pignon. A la limite, il serait, en effet, possible d'envisager des pignons et des cour- roies lisses pour obtenir les mimes propiétéese REVENDICATIONS 1 - Pignon déformable objet de l'invention présentant une géométrie apparente va riable, caractérisé par le fait que le pignon est constitué d'une zone péri phérique d'entraînement supportée par des galets et reliée å l'arbre d'entrai nement par une structure déformable. 2 - Pignon déformable objet de l'invention présentant une géométrie apparente va riable, caractérisé par le fait que le pignon est constitué d'une zone péri phérique d'entraînement supportée par uns ou des cammes et reliée à l'arbre d'entraînement par une structure déformable. 3 - Transmission à pignons ddformables selon les revendications 1 et 2 offrant une grande plage de variation de démultiplication, caractérisée par le fait que l'on fait tourner la position relative de la déformation des pignons. 4 - Différentiel utilisant plusieurs transmissions à pignons déformables selon les revendications 12 2 et 3, caractérisé par une balance qui contrôle la position relative du grand diamètre de par exemple de 2 pignons menés. 5 - Différentiel actif. Selon les revendications 1, 2, 3 et 4 caractérisées par le fait que la balance est commandée par un dispositif contrôlé par le pilote.