Brevet FR2546597A1 — publié le 19841130

Dispositif antivibratoire pour transmission mécanique La présente invention a pour objet un dispositif antivibratoire pour transmission mécanique, à engrenage, du type comportant un rattrapage de jeu ou un amortisseur de vibrations en vue d'éviter les bruits et les ruptures de dents. Dans les installations comportant un moteur, un réducteur ou un multiplicateur à engrenages, et un récepteur, on observe des des- tructions rapides d'engrenage dues aux vibrations de torsion de la ligne d'arbre Ces destructions sont liées à la rupture du contact entre les dents de deux roues en engrènement La rupture du contact peut être provoquée par les mouvements oscillatoires des éléments de la ligne d'arbre Ces ruptures de contact sont la cause de bruits et de destruction rapide de la denture par un martèlement (chocs) continu aux régimes dangereux Pour éviter la rupture du contact, il faut que l'amplitude A du couple oscillatoire soit infé- rieure au couple moteur moyen, C O égal au couple récepteur, Pour éviter cette rupture, dans le cas o la valeur absolue A de l'amplitude du couple oscillatoire est supérieure au couple moteur moyen C, on a proposé de précontraindre les dents par un couple interne C 1 qui vient s'ajouter au couple moteur C, uniquement au niveau des engrenages C'est le pignon à rattrapage de jeu Un tel pignon comporte une roue principale et une roue secondaire, toutes deux en engrènement avec un pignon moteur, seule la roue princi- pale étant calée sur l'arbre de sortie et les deux roues étant sol- licitées en rotation l'une par rapport à l'autre par au moins un ressort Cette disposition peut être adoptée aussi bien sur le pignon entraîné que sur le pignon moteur, les deux solutions étant équivalente s. 2 - Cependant, il est apparu qu'une telle mesure est insuffisante dans de nombreux cas C'est un but de la présente invention de proposer un dispositif permettant de supprimer les ruptures de contact entre les dents des pignons en engrènement dans tous les cas rencontrés en pratique. Conformémnent à la présente invention, un dispositif de transmis- sion mécanique incluant un engrenage comportant ai moins un pignon constitué de deux roues, une roue principale montée sur un arbre et en engrènement avec un pignon pour transmettre le couple moteur, et une roue secondaire de rattrapage de jeu non calée sur l'arbre, mais en engrènement avec le pignon, la roue principale et la roue secondaire étant sollicitées en rotation l'une par rapport à l'autre de façon à maintenir les dents de la roue principale en contact avec les dents du pignon, par création d'un couple interne, est remarquable notamment en ce qu'il est prévu entre les deux roues du pignon une liaison à coincement et frottement, autorisant la rotation libre de la roue secondaire par rapport à la roue prin- cipale dans le sens du rapprochement des dents de la roue principale vers les dents du pignon, et imposant un frottement prédéterminé à la rotation dans l'autre sens de la roue secondaire par rapport à la roue principale. Selon une autre caractéristique de l'invention, au moins l'une des liaisons moteur-engrenage, engrenage-récepteur comporte un arbre élastique de transmission ou barre d'accord dont les dimen- sions sont choisies pour que cette barre d'accord soit le siège d'un noeud de vibration, et, avantageusement, les pièces inécani- ques solidaires des extrémités d'une barre d'accord sont en frotte- ment l'une contre l'autre avec interposition d'une garniture dissi- patrice d'énergie. D'autres caractéristiques de l'invention apparaîtront au cours de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limita- tif en regard des dessins ci-joints, et qui fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. Les dessins montrent figure 1, une vue en coupe axiale d'une transmission selon l'in- ventiop, comportant deux pignons en engrènement, la coupe étant faite dans le plan passant par les axes des deux pignons figure 2, une vue d'un détail de la figure 1 figure 3, une vue d'un autre détail de la figure 1; figure 4, une vue d'un autre détail de la figure 1; figure 5, une vue analogue à la figure 1 d'une variante. La transmission représentée à titre d'exemple sur les figures 1 à 4 comprend essentiellement un arbre moteur 1, un pignon moteur 2, solidaire de l'arbre 1, monté sur des roulements ou des paliers appropriés 3, 4 dans un carter 5, un pignon de sortie 7 compre- nant une roue principale 7 a et une roue secondaire 7 b de rattrap- page de jeu et de blocage (dite encore contre-pignon à rattrapage de jeu), la roue principale étant montée sur un roulement ou palier 8 et la roue secondaire étant montée à glissement sur la roue prin- cipale et un arbre de sortie 10 sur lequel peut être monté un man- chon d'entraînement 12 Bien entendu, les rôles des pignons moteurs et entraînés peuvent être inversés Le manchon 12 est monté sur le carter au moyen de roulements ou paliers 13, 14 et est monté à glissement en 15 sur une douille 16 solidaire de la roue principale 7 a En outre, le manchon 12 et la roue 7 a peuvent être sollicités en appui l'un contre l'autre dans un plan radial ou toute autre sur- face de révolution, avec interposition d'une garniture 17 de dissi- pation d'énergie La roue 7 b est maintenue en appui élastique -4 - contre la roue principale 7 a, et celle-ci contre le manchon 12 à travers la garniture 17, par un ressort axial ou longitudinal 18 (rondelle belleville) avec interposition d'une rondelle 19 Le res- sort 18 prend appui sur une bague 20, elle-même en appui contre le roulement ou butée 8 Un montage analogue peut être prévu pour le pignon moteur 2, avec un manchon moteur 21, calé sur l'arbre moteur 1 avec interposition d'une garniture dissipatrice d'énergie 22 Le manchon est engagé à l'intérieur d'une douille 23 solidaire du pignon 2. Les roues 7 a et 7 b peuvent être réunies par des barres élastiques 24 comme représenté à la partie inférieure des roues, sur la figure 1, ou par des ressorts 25, comme représenté à la partie supérieure de la figure 1 et sur la figure 2, à l'aide de cales 7 'a et 7 'b Grâce aux ressorts 25, ou en variante aux barres 24, les roues 7 a et 7 b sont sollicitées en rotation l'une par rapport à l'autre de façon à supprimer le jeu entre les pignons 2 et 7, par création d'un couple C 1 interne à l'engrenage s'ajoutant au couple moteur C 0. En dehors de toute vibration, ce couple de précontrainte C 1 est donc appliqué à l'engrenage Lorsqu'il y a vibration, le couple oscillatoire tend à séparer les dents des engrenages; il y a alors mouvement relatif de la roue 7 b par rapport à la roue 7 a Cette disposition ne suffit pas toujours à supprimer les ruptures de con- tact entre les pignons 2 et 7 et, conformément à l'invention, il est prévu une liaison à coincement et frottement telle que représentée sur les figures 3 et 4, coopérant avec au moins une liaison élas- tique telle que représentée sur la figure 2. La roue 7 a, par exemple, est munie de deux butées 27,28 entre lesquelles est logé sans jeu un coin 29 dans lequel est formée sur une partie de la longueur, une gouttière 30 Un coin similaire 32 - mais de longueur moindre, avec une gouttière 33, est placé en position retournée contre la roue 7 b, avec interposition éventuelle d'une garniture de frottement 35 Un ressort 36 est logé dans les deux gouttières 30, 33, de façon à solliciter les deux coins 29, 32 en coincement Ce dispositif ne s'oppose pas au mouvement relatif de la roue 7 b (en bas) vers la gauche sur la figure 4, mais il y a blocage si la roue 7 b est sollicitée vers la droite lors des vibrations. La roue 7 b peut cependant se déplacer vers la droite, avec frotte- ment,par l'intermédiaire de la garniture 35 Le ressort 25 sollicite en rotation les deux pignons de façon à ce que la roue principale 7 a soit en contact avec le pignon moteur 2 Le dispositif à coincement de la figure 4 ne s'y oppose pas, car la force du ressort 36 est négligeable devant celle du ressort 25, Le ressort 36 sert seule- ment, à maintenir les coins 29, 32 appliqués l'un contre l'autre. Si l'amplitude A du couple oscillatoire dépasse la somme C + C du couple moteur et du couple interne dû aux ressorts 25, les ressorts 25 sont alors sollicités en compression, dans le sens qui décolle les dents de la roue 7 a des dents du pignon moteur 2. Mais, à un tel mouvement, s'oppose le coincement du dispositif de la figure 4, ce qui assure le maintien du contact des dentures. Ce n'est que si le couple oscillatoire est beaucoup plus fort qu'il y a glissement du coin 32 contre la roue 7 b, avec dissipation d'énergie dans la garniture de frottement 35 Ce frottement permet de dissiper l'énergie vibratoire en chaleur et donc de diminuer les amplitudes des vibrations L'amplitude du couple oscillant est diminuée et peut être maintenue inférieure à la valeur du cou- ple moteur moyen, le cas échéant ajouté au couple interne C Selon une caractéristique importante de l'invention, les arbres d'entrée et de sortie (ou au moins l'un d'eux) comportent chacun une barre élastique de torsion ou barre d'accord Les deux 6- barres 1 et 10 sont montées de la même façon, entre un pignon 2, 7 a et un manchon 12, 21 La barre élastique est solidaire en rotation, à une de ses extrémités du pignon, et à l'autre extré- mité du manchon Le manchon d'entrée 21 transmet le couple moteur et le manchon de sortie 12 transmet le couple au récep- teur Chaque manchon est monté concentriquement à l'extérieur (manchon 12) ou à l'intérieur (manchon 21) d'une douille 16, 23. Entre le manchon et le pignon correspondant est montée une garniture ou couronne 17, 22, dissipatrice d'énergie, dans un plan perpendiculaire à l'axe de rotation, ou dans une surface de révolution quelconque. La figure 5 représente une variante dans laquelle il n'y a qu'une barre élastique Le pignon de sortie 41 est formé directement, ou fixé, sur le manchon de sortie 42 L'intérât de ces barres d'accord est le suivant. Comme il est connu de l'homme de Plart, l'ensemble des arbres et des pignons forme une ligne de transmission exposée à des vibrations d'oscillation, avec des noeuds et des ventres De part et d'autre d'un noeud de vibration, les oscillations sont en sens inverses et, par suite, les éléments mécaniques qui sont le siège d'un noeud de vibration sont généralement ceux qui sont le plus fortement sollicités Conformément à la présente invention, la maîtrise de l'emplacement des noeuds est possible grâce aux barres d'accord et les dimensions de chacune des barres sont choisies pour qu'elle soit le siège d'un noeud de vibration Les dimensions transversales minimales sont déter- minées bien entendu pour que la barre d'accord transmette le couple maximal du moteur La géométrie adoptée (fig 1) avec des douilles et des manchons permet de choisir la longueur de 2.546597 la barre d'accord dans de larges limites Les dimensions des barres peuvent être déterminées par le calcul Selon une méthode de calcul, on représente la ligne d'arbre par un modèle, c'est- à-dire une série de disques massiques séparés par des ressorts de torsion sans masse Cette méthode est décrite complètement dans la thèse d'état de Monsieur Guy Louradour soutenue le 9 juillet 1981 à l'Université Pierre et Marie Curie à Paris "Con- tribution à l'étude des arbres, application au vilebrequin " Cette thèse est donc incorporée, à titre de référence, dans la présente invention Entre autres, y sont développées les métho- des de modélisation des lignes d'arbre et de calcul des modes propres On y trouvera tous les éléments permettant de détermi- ner les emplacements des noeuds de vibration. A partir de la modélisation de la ligne d'arbre, on calcule la valeur de la première pulsation propre ( 1 er mode), puis on calcule la déformée modale du premier mode Ensuite, on re- cherche les régimes critiques Il y a lieu de faire un bilan des excitations Pour une machine alternative, il est nécessaire de cal- culer l'importance des couples harmoniques, en tenant compte du maillage du vilebrequin et de l'ordre d'allumage Un régime est dit critique si l'un des couples harmoniques majeurs a la même pulsation que la pulsation propre de la ligne d'arbre. Si l'une des conditions énoncées (noeud de vibration dans la barre d'accord, pas de régime critique dans la plage de fonction- nement essentielle) n'est pas vérifiée, on recommence les cal- culs en modifiant une ou plusieurs dimensions de la barre d'accord. Lorsque les conditions sont réalisées, il faut examiner les vites- ses critiques données par le deuxième mode Trois cas peuvent _-8 - se présenter 1) les régimes critiques sont tous supérieurs au régime maximal. Il n'est pas nécessaire alors d'installer une deuxième barre d'accord; 2) certains régimes critiques sont inférieurs au régime maximal, mais ils sont extérieurs à la zone de fonctionnement Il faudra alors étudier le problème de la rupture de contact entre les dents et calculer l'amplitude du couple oscillatoire A L'ins- tallation d'une deuxième barre d'accord s'avérera nécessaire si le deuxième noeud de vibration est situé dans un élément fragile de la ligne d'arbres; 3) un-ou plusieurs régimes critiques sont situés dans la plage de fonctionnement essentielle. Dans ce cas, la deuxième barre d'accord s'avère nécessaire. Les dimensions transversales minimales sont calculées pour qu'elle puisse transmettre le couple maximal Avec cette condi- tion, les dimensions sont calculées de telle sorte que: a les vitesses critiques relatives au deuxième mode n'appartiennent pas à la plage essentielle de fonc- tionnement; et, b le deuxième noeud de vibration soit situé dans cette barre. La barre d'accord étant le siège du noeud de vibration, lorsque les oscillations de torsion se développent, le manchon 12 et la roue 7 a ont des mouvements d'oscillation de sens contraires Le frottement au niveau des surfaces de contact, dans la couronne 17, dissipe de l'énergie Les amplitudes des vibrations seront donc diminuées. La ou les barres d'accord étant dimensionnées, on connait alors les vitesses critiques, les déformées modales relatives à ces vitesses critiques Pour tous les régimes critiques, on calcule l'amplitude du couple oscillatoire A et le couple C 0 (moteur ou récepteur) correspon- dant On recherche le cas le plus défavorable pour la rupture du contact entre dents Deux cas se présentent 1) la différence l AI C O > O est faible (de l'ordre de % de C) alors le pignon élastique seul peut être suffisant On calcule les ressorts de telle sorte que le couple de précontrainte au montage soit légèrement supérieur à la différence | A | C 0. Il faut vérifier que la pulsation propre du contre-pignon avec les ressorts de rattrapage de jeu ne correspond pas à l'une des pulsations des couples excitateurs; 2) la différence A C O > O est importante (supérieure à 10 % de C 0) Dans ce cas, il ne faut pas chercher à compenser cette différence avec le couple de précontrainte pour deux raisons a le couple de précontrainte élevé diminuerait le rendement de l'engrenage; b le couple de précontrainte élevé augmenterait les dimensions de la denture. Dans ce cas, il faut donc envisager les solutions technologiques suivantes: rendre le contre-pignon à rattrapage de jeu autobloquant; monter une masse sismique à côté du pignon; s'il s'agit du deuxième mode de vibration, utiliser la technologie de la barre d'accord pour amortir les vibrations. Ces solutions peuvent être envisagées séparément ou ensemble. Bien entendu, tous ces calculs peuvent être effectués sur un ordi- nateur. Les ressorts internes du pignon élastique ont pour rôle de rat- _ 10 - traper constamment les jeux En dehors de toute vibration, un couple C 1 (faible) de précontrainte est appliqué à l'engrenage. Lorsqu'il y a vibration, le couple oscillatoire A tend à séparer les dents des engrenages Il y a alors mouvement relatif de la roue secondaire élastique par rapport à la roue principale Le système autobloquant s'oppose à tout mouvement relatif tendant à séparer les dents d'engrenage Par contre, il autorise tout mouvement relatif tendant A rattraper le jeu inter-dents. Le système autobloquant basé sur le principe du frottement entre deux surfaces peut opposer un coupl e C maximal limité par les surfaces en frottement et les coefficients de frottement de ces surfaces. ler cas l AI Le système autobloquant est suffisant. 2 è cas l AI l C O + C 1 + C 2 ou l AI légèrement supérieur à Co + C 1 +C 2 Dans ce cas, le couple C 2 que peut opposer le système auto- bloquant est juste suffisant Cependant, l'énergie nécessaire à provoquer le glissement du système autobloquant est dissipée par frottement Les amplitudes des oscillations vibratoires sont donc diminuées Le système autobloquant se comporte comme un amortisseur de vibration. 3 è cas |AI > C O + C 1 + C 2 Dans ce cas, il y a glissement du système autobloquant et donc un amortissement important des vibrations de torsion qui tend à diminuer la valeur de A On peut alors, dans ce cas, adopter une masse sismique. Selon une autre caractéristique de l'invention, on dispose contre un pignon 41 (figure 5) une masse sismique 45 Cette masse, en forme de roue, ne possède aucune dent en liaison d'engrènement. Elle est placée contre le pignon 41 (équivalent à la roue princi- pale 7 ') auquel elle est réunie par des liaisons élastiques 47, qui peuvent être des tiges ou des ressorts, permettant un certain débattement angulaire entre la masse et le pignon Cette disposi- tion permet de réduire encore l'amplitude des vibrations et d'éviter les ruptures de contact entre dentures quand les autres moyens ne sont pas suffisants La masse sismique peut être calculée avec la même modélisation, en ajoutant un disque. Enfin, une disposition complémentaire consiste à précontraindre le carter au moyen de boulons 51 (figure 1). En résumé, les éléments technologiques permettant d'éviter la destruction des dentures par les vibrations de torsion sont: une ou deux barres d'accord situées de part et d'autre du méca- nisme; une précontrainte de la denture un système autobloquant évitant la perte de contact entre les dents un amortissement interne diminuant sensiblement les couples oscillatoires, au moyen d'une masse sismique. Il va de soi que les modes de réalisation décrits ne sont que des exemples et qu'il serait possible de les modifier, notamment par substitution d'équivalents techniques, sans sortir pour cela du cadre de l'invention. 12 - Revendications 1 Dispositif de transmission mécanique incluant un engrenage comportant au moins un pignon ( 7) constitué de deux roues, une roue principale ( 7 a) montée sur un arbre ( 10) et en engrènement avec un pignon ( 2) pour transmettre le couple moteur, et une roue secondaire ( 7 b) de rattrapage de jeu non calée sur l'arbre, mais en engrènement avec le pignon, la roue principale et la roue secondaire étant sollicitées en rotation l'une par rapport à l'autre de façon à maintenir les dents de la roue principale ( 7 a) en contact avec les dents du pignon ( 2), par création d'un couple interne, caractérisé en ce qu'il est prévu entre les deux roues du pignon ( 7) une liaison à coincement et frottement, autorisant la rotation libre de la roue secondaire ( 7 b) par rapport à la roue principale ( 7 a) dans le sens du rapprochement des dents de la roue princi- pale vers les dents du pignon ( 2), et imposant un frottement prédéterminé à la rotation dans l'autre sens de la roue secon- daire par rapport à la roue principale. 2 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la liaison à coincement et frottement comporte deux coins ( 29, 32) dont l'un est solidaire d'une roue-et l'autre coin séparé de l'autre roue, par une garniture de frottement, les deux coins étant sollicités élastiquement vers la position de coincement. 3 Dispositif selon une des revendications 1 ou 2, incluant un organe moteur, un engrenage comportant au moins deux pignons en engrènement et un organe récepteur, caractérisé en ce qu'au moins l'une des liaisons moteur-engrenage, engrenage-récepteur, comporte un arbre élastique de transmission ou barre d'accord ( 1, 10) dont les dimensions sont choisies pour que cette barre 254659 t 13 - d'accord soit le siège d'un noeud de vibration. 4 Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que les pièces mécaniques ( 2, 21 7 a, 12) solidaires des extrémités d'une barre d'accord ( 1, 10) sont en frottement l'une contre l'autre, avec interposition d'une garniture dissipatrice d'énergie ( 22, 17). Dispositif selon une des revendications précédentes, caracté- risé en ce qu'il comporte une masse sismique constituée par une roue juxtaposée à un pignon, et connecté à celui-ci par des moyens élastiques tels que ressorts ou tiges souples.