Brevet FR2568850A1 — publié le 19860214

La présente invention concerne des moyens permettant de réaliser des hélices à pas variable adaptables à tous les arbres de fixation eixstants et portant a l'origine une hélice à pas fixe. Les hélices à pas variables sont bien connues et appréciées pour les améliorations de performances qu'elles apportent. On peut dire pour simplfier qu'elles dotent la propulsion marine ou aérienne d'une boite de vitesse. Le pilotage en incidence des pales de ces hélices se fait traditionnellement par l'arbre support d'hélice, soit mécaniquement par glissement de deux arbres concentriques pilotant les pales par crémaillères, soit par vérin hydraulique agissant sur ces mêmes crémaillères. Ces dispositifs fonctionnent très bien et, malgré leur coût élevé, sont utilisés surtout en pêche (vitesse maximale de croisière puis poussée maximale à faible vitesse pour le chalut). Leur coût élevé limité notablement leur utilisation surtout dans les faibles puissances (moins de 400 CV). Les dispositifs conformes à l'invention permettent de~remédier à cet inconvénient. Ils permettent de réaliser des hélices qui remplacent directement les hélices classiques sans transformation du moyeu de fixation sur l'arbre, éventuellement aussi sans travaux de puissance annexe de manoeuvre de pale, et, éventuellement aussi sans travaux d'aménagement de la coque ou de l'ensemble propulseur pour installer la commande. L'invention vise donc à l'amélioration des performances des bateaux ou des aéronefs existants d'un' façon simple, immédiate et peu couteûse. Les dispositifs conformes à l'invention et ses objectifs appartiennent à deux catégories : les hélices à pas variables pilotable ou les hélices à pas variable automqtique. La figure 1 représente, à titre d'exemple, une hélice à pas variable pour bateaux, pilotée par cable à l'arriere de son moyeu. Le dispositif se compse de l'arbre d'éhlice existant (1), d'un carter de fixation sur l'arbre d'hélice (2) d'un carter d'étanchéité et d'alignement de la fixation de commande (3), de la commande ou de l'actionneur (7) des arbres de pales (8).Ce carter porte les paliers et joints d'étanchéité isolants en rotation du tube principale (5) capoté par la gamelle de profilage (4). Un tube de jonction (5) permet la passage de la commande ou de l'actuateur (6) le remplissage sous pression de colonne de l'ensemble étanche (2/3) éventuellement l'anticouple de commande des pales (voir exemple mécanique décrit). Le dispositif comporte également un ensemble de cremaillères de rotation des pales (7) et un aileron girouette dire profilage du tube souple ou rigide (6).Le cable pous:ié-t,irli (65 agit sur 1' actionneur (7) qui fait pivoter les axes de pales (8). le tout peut être totalement étanche, le tube (5) de passage de la commande (6) servant au remplissage en liquide (huile ou produit neutre) et le maintenant en charge par sa position surélevée par rapport à l'ensemble. L'extrémité supérieure du tube (6) et de la commande souple aboutissement en un point quelconque de l'arrière du bateau. Les figures 2 et 3 représentent une hélice à pas variable pour bateau, caractérisée en ce qu'elle peut être étanche et qu'elle est actionnée par un amplificateur mécanique autonome. Ses caractéristiques sont décrites non-limitativement ci dessous Le carter (2) étant fixé sur l'arbre (1), on introduit le porteroulement (C1) (C1,C2 adaptés aux glissières (11) qui les centrent), l'ensemble chariot d'entraînement (12) et vis (13), toujours guidés par les glissières (11) en prenant soin d'engrener le secteur denté (C.D.) du pivot de pale (P) (cran de butée prévu sur le secteur pour éviter tout tatillonement). On glisse sur (11) le porte-roulement (C2). En tournant l'axe de la vis, on positionne la pale au pas 0, repérable par une marque extérieure. On répète l'opération pour la ou les pales suivantes.On introduit les poulies (14) du différentiel sur l'axe carré d'entrée de la vis (13), puis on visse la flasque arrière (15). Cette opération permet de bloquer l'ensemble (C1,13,12,C2) et de positionner les blocs porte-poussoirs de blocage (16). On fixe alos souplement le ou les tube(s) (5) mni de son profilage de moyeu d'hélice (4) et d'un aileron profilé qui l'enve- loppe dans sa partie verticale. Si nécessaire, on empli l'intérieur su système par le ou les tuyaux (5) avec de l'huile ou de l'eau propre (eau de Volvic par exemple0. On veillera alors à ce qu'il subsiste une colonne du liquide dans la partie verticale du tube (5) afin de maintenir le tout en légère pression interne. Fonctionnement : le système de commande des pales ne peut fonctionner que si l'hélice tourne, puisque c'est à elle que le mécanisme précité prend la puissance nécéssaire. Donc, l'hélice étant en rotation, on agit par la commande souple adéquate sur la came de poussoirs (16) concernés qui agissent sur la flasque de la couronne inférieure du différentiel (important, cette torsion se fait pat l'intermédiaire d'un ressort de torsion sis sur la manette de commande). Cette flasque, comme celle de la couronne extérieure, est munie d'au moins deux rampes. Il y a donc freinage souple (ressort de commande) puis blocage éventuellement, selon la tension du ressort de commande. La couronne inférieure se bloque peu à peu, permettant à la couronne supérieure d'entraîner les poulies (14) donc la vis (13) qui actionne le chariot (12) sur ses glissières (11). La crémaillère du chariot (12) entraîne le secteur denté (C.D.), donc la rotation de la pale. Si on arrive en butée (fin de course) le ressort de la commande fait limiteur de couple et les vibrations transmises à la main de l'opérateur lui'indiquent cet état. Une action sur les poussoirs pilotes de la couronne extérieure aura le même effet, mais en sens inverse. On notera que par construction, les vitesses et les couples SH, SIH ne sont pas identiques. Ainsi, la vitesse de rotation de l'axe de pale est fonction de la vitesse de rotation de l'hélice. On ajoutera à titre de variante que : a) les flasques (14) et (14') figure 4 des couronnes intérieures et extérieures décrites page 2 ligne 9 peuvent ne pas comporter de rampes et être seulement pincées par des électro-freins par exemple ; b) au lieu de pivoter par l'arrière, l'amplificateur mécanique on peut, en ramenant à l'horizontale ces flasques (14) et 14') figure 2 et les dispositifs de freinage ou blocage (16), mettre un manchon non tournant de passage de commande à l'avant du moyeu de l'hélice selon la figure 4 qui comporte la coque (O), l'arbre d'hélice (1) l'hélice a pas variable (HP), un manchon, étanche ou non immobilisé en rotation (14) et la tuyau porte commande (5) servant éventuellement au remplissage. La figure 5 représente une autre réalisation conforme à l'invention et à ses buts : moyeu d'hélice (1), axe de la pale denté à sa partie inférieure (8) crémaillère ronde (7), ressort de contrainte (17), souffler en couronne rempli de liquide (18), tuyau d'arrivée du liquide, fermé à l'autre extrémité par exemple par un autre souffler métallique ou plastique, actionné par la commande ou tout autre dispositif faisant varier le volume de liquide (19), empilage de rondelles acier, matière glissante (type Isogliss par exemple) ou roulement quelconque permettant la rotation et la mise en poussée de la crémaillère (17) par rapport au soufflet (18). L'ensemble (18-19) et soufflet externe ou dispositif externe cité ci-dessus est hermétique, le conduit de liaison étant indéformable ou non. La rotation du soufflet (18) est empêchée par un blocage grâce à l'embase (4) fixée par vis pointeau par exemple sur la sortie d'arbre d'hélice (20). On notera que le soussflet élastique de poussée peut être remplacé par tout système hydraulique ou mécanique remplissant la même fonction. Les pales des hélices représnrltéaR à titre d'exemple figures 1 et 5, sont équilibrées au rnielJx autout de leur axe de rotation pour limiter les efforts de la commande. Dans le cas des hélices à amplificateur mécanique, par exemple figures 2 et 4, cela n'est pas nécessaire. La figure 6 représente une réalisation intéressante dans le cas ou l'on désire piloter des pales à forte charge en rotation (pales dites anti-herbes par exemple) par un moyen mécanique type figure 1 ou hydraulique type figure 5 de peu de puissance (pour hors-bords par exemple).Ce dispositif comprte : le moyeu portant (21) figures 6 et 7, un pave (22) figure 7 à course limité portant une cheville de commande de la pale (23) figure 7, la base de l'axe d'hélice (4) figure 6, le forreau porte axe de pales (26 figure 6 et 7) glissant sur le moyeu (21) mais bloqué en rotation par rapport à ce dernier, une ogive (4) figure 6, liée (26) à un tube ou pion (24) tournant, encaissant en poussée ou en traction les efforts de rotation de l'hélice, un écrou de fixation (25) figure 6 de l'ensemble sur l'arbre porte-hélice. La commande du pas des pales se fait en faisant glisser (26) par rapport à (21) en poussant ou en tirant sur l'ogive (4) avec un cable poussé-tiré ou tout autre dispositif mécanique se fixant aisément sur le dispositif de propulsion ou en poussant sur le fourreau (26) avec par exemple, un dispositif à vérin comportant les mêmes pièces aigissantes et inertes que le cas décrit figure 5. Le ressort de compensation se situe entre le pion libre de rotation (24) figure 6 et l'écrou de fixation (25) figure 6 portant par exemple, un oeillet de fixation pour le dit ressort. Quand le fourreau (26) figures 6 et 7 glisse sur le moyeu (21), la cheville (23) poussée dans un rayon de l'axe de la pale permet le mouvement en faisant tourner l'axe de la pale, avec en conséquence pour compensation un glissement du pave (22) figure 7. La poussée de l'hélice, sans retenue du fourreau (26) par rapport au moyeu (21) amène le premier vers l'avant, faisant se mettre en drapeau la pale d'hélice Si on a plus ou moins désiquilibré la portée hydro-dynamique de la pale par rapport à son axe de rotation, la pale aura tendance à résister au mouvement en avant du fourreau (26) donc à soulager le dispositif de commande. Bien entendu, les hélices décrites précédemment ne son pas limitatives. Il est évident que quel que soit le dispositif de commande, celui-ci peut être mini-motorisé afin de permettre l'asservissement des pales selon le régime moteur, la vitesse du véhicule ou une combinaison des deux par un comparateur électronique pilotés c'est à dire faisant- osciller légèrement les pales jusqu' se qiie ta, les paramètres affichés soient atteints. Nous noterons à propos de l'hélice à amplificateur mécanique que la figure 2 installée selon la figure 4 que, en commande électrique, elle ne demande que quelques watts et que l'on peut très bien utiliser du courant alternatif envoyé par un bobinage collé à l'intérieur de la coque et reçu par un autre, collé simplement à l'extérieur de la coque. A titre d'exemple extrême de la philosophie de l'invention qui est 1 simplicité de remplacement d'une hélice classique par une hélice à pas variable, la figure 8 montre une hélice pilotée par ultra-son, par exemple, et sans limitateur de coupe de commande. Elle est entièrement autonome et se compose de : l'arbre d'hélice (1) figure 2, de l'ensemble hélice/amplificateur mécanique de la figure 2, d'une ogive (4) similaire à la figure 2, portant n ailerons (27) figure 8 à faible incidence et rotation de même sens que celle de l'hélice en marche avant. L'ogive (4) contient : un dispositif de commande (28) conforme par exemple à celui de l'hélice figure 2 (16) et un ensemble de bobines tournant devant des aimants portés par l'ensemble (2), non représentés, ainsi qu'un groupe de mini batteries sèches cylindriques et réparties en cercle et le ou les capteurs d'ultra-sons. Fonctionnement : quand l'hélice tourne et éjecte de l'eau, celleci frappe les pales (27) à faible incidence de l'ogive (4) ; il résulte une correction du jet de l'hélice (effet connu), mise en rotation dans le même sens mais à faible vitesse de l'ogive. Cette différence importante de vitesse permet aux bobines (5) dire exitées par les aimants portés par (HP) et d'entretenir la charge des batteries sèches. Si on envoie un signal codé en ultrason, il va exiter l'une ou l'autre des commandes (pas AV, pas AR), agissant par l'amplificateur mécanique sur les axes de pales ; la faible réaction en couple est freinée par l'inertie de l'ogive (4) et surtout par les pales (27) agissant grâce à leur faible incidence propulsive en mouliet-frein ; les mini-batteries tampons lèvent toute ambiguité de fonctionnement. En variante de l'invention, la figure 9 représente une hélice à pas variable automatique. Elle se compose de : l'arbre d'hélice existant (1), un moyeu d'hélice (2), les pales mobiles d'hélices (8) et d'une rondelle ou dispositif élastique liant les deux pales. A l'arrêt, les deux pales se calent à un angle fort (vitesse élevée d'jection d'eau). Elles présentent un déséquilibre hydrodynamique par rapport à leurs axes de rotation. Si l'on fait tourner l'hélice, au début (bateau au départ), la pression sur les pales va leur faire torde leur dispositif élastique de rappe , fourreau intérieur (33) de maintien de l'ensemble, un demi-fourreau- extérieur (34) assurant la rigidité de l'ensemble ; (34) glisse sur (33). On s'aperçoit sans difficulté que les embases des pales (2) s'appuient sur les rondelles (32) et sont coincées par les billes ou paliers par les demi-moyeux (2).Quand on fait tourner les pales, leurs embases entratenent en différentiel les rondelles (32) ce qui limite les frottements et, grave aux billes ou paliers des demi-moyeux ne présentent que peu de résistance à la rotation. Par contre, la largeur possible de l'embase des pales donne une très grande tenue mécanique à l'ancrage de celles-ci, malgré la mainceur de l'épaisseur d'implantation. SI nous revendiquons les dispositifs représentés par les figures ll et 12 dans ce brevet, c'est que le but de l'invention, qui est de réaliser des hélices à pas variable s'adaptant à des propulsions et coques eixstantes sans transformation oblige à subir des servitudes dues notamment à l'arbre d'hélice existant, à la hauteur imposée sous volte de coque ou plaque de cavitation des moteurs dits hors-bord ou de Z-drive, etc... A titre d'exemple, la réalisation, selon l'invention, d'une halice de hors-brod avec l'échappement par le moyeu oblige à loger le mécanisme dans une couronne de très faible épaisseur. Donc, ces dispositifs d'ancrage font bien partie des moyens obligatoires à utiliser pour réaliser le but poursuivi. La figure 13 montre un dispositif conforme à l'invention particulièrement adapté aux propulseurs ayant leur échappement moteur par le moyeu. ELle comprend un moyeu de fixation sur l'arbre (2), l'enveloppe extérieure (2') la bras de fixation (35) entre (1) et (2), les axes de pales à sections cylindrique (8) au passage de (2) et de (2') et éventuellement profilés entre (2) et (2'), le secteur (12) denté de (8) avec collerette inférieure (6) et une section (7) dentée en crémaillère pour entrainer (8) et lisse de l'autre côté. Les section de cylindre (36) s'engageant entre les collerettes de 8 et l'enveloppe (2' > fixent les axes de pales (8) et permettent de les entraîner. Elles sont reliées par devant ou par derrière aux dispositifs de commande conforme à l'invention. Naturellement, le secteur denté de 8 et la crémaillère de 36 peuvent être exécutés en vis globriques remplaçant pour la tenue axiale la collerette de 8. Ceci est valable aussi pour le dispositif conforme à l'invention et la revendication 6. permettant à l'angle des pales de diminuer pour une meilleure poussée spécifique. Au fur et à mesure que le bateau avancera, la pression hydro-dynamique diminue les pales reviennent peut à peu à leur pas de vitesse. Selon une des caractéristiques que l'invention, le dispositif élastique est commun aux deux pales et écarté de l'axe d'hélice, ce qui permet à l'ensemble pales-rappel d'osciller librement autour de leurs axes. Ainsi, on est sûr d'avoir sur chaque pale, à tout moement, l'angle adapté à la pression hydrodynamique instantanée (variations de pression entre la pale haute et la pale basse). Selon le dispositif décrit, les pales ne peuvent aller que par deux pour bénéficier totalement de cet effet. On peut toutefois disposer, juste derrière ces pales, le même ensemble, décalé de 900 ou 120 par exemple. Si l'on se contente d'un effet partiel de compensation de différence de pression (non rotation libre des pales) on peut comme montré figure 10 disposer par exemple trois pales sur le même dispositif de rappel. évidemment ces hélices à pales sans commande sont aussi aisées à installer que des halices classiques à pas fixes. parmi les dispositifs conforme à l'invention et à ses buts, la réalisation d'hélices à pas variable interchangeables avec des hélices classiques, figurent deux modes de réalisations de l'ancrage des pales dans des moyeux ou fourreaux ne laissant, à cause de l'arbre existant, que peu d'épaissaur pour réaliser un ancrage pivotant solide. La figure 11 donne un exemple de réalisation conforme à l'invention : moyeu d'hélice (2), pale mobile avec son axe (8), épaulement inférieur pris dans la masse du moyeu (29), rondelle d'épaulement circulaire (29'), bille en inox ou en bronze (30), manchon fileté servant à bloquer les billes (31). La partie inférieure de la figure représente un ancrage à une rangée de billes, conforme à l'invention. La partie supérieur des la figure représente un ancrage à par exemple, deux rangés de billes, conforme à l'invention. On obtient ainsi des ancrages peu profonds. mais très solides. L'utilisation de billes en matériaux non oxydables se justifie par le peut de vitesse de rotation des pales et par la faible fréquence de fonctionnement. La figure 12 représente un autre dispositif d'ancrage à très forte capacité, tout en ne prenant que peu d'épaisseur dans le moyeu. Elle comporte : l'arbre d'hélice existant (1), les pales avec large embase de rotation (8), des rondelles (32) libres en rotation par rapport à l'arbre (1), un dispositif dt demi-moyeu (2) comportai un demi chemin de roulement à billes ou demi-palier anti-friction comprimant élstiquement ou non ces billes ou ces paliers, un demi- ii z V X N o i C A T I o N i c V t N i) C AT I I)N 1) Dispositifs pour réaliser et piloter des halices à pas variable adapté souplement aux contraintes de motorisation et de caques existantes et de faible coût, caractérisé en ce qu'ils permettent la réalisation du pivotement des pales et de leur commande dans l'espace représenté par une couronne de très faible épaisseur autour de l'axe des hélices existantes (figures l à 10 et figures 13). 2) Dispositif selon la revendication 1 (figure 1) et caractérisé en ce qu'il autorise le pilotage des axes de pales (8) par exemple par un ensemble de crémaillères (7) grâce à un cable souple poussé-tiré ou un mini-vérin hydraulique (6) logé dans un tuyau souple (5) pouvant être emprisonné sur sa partie trainant dans l'eau par un aileron (0). 3) Dispositif selon la revendication 1 et selon les figures 2 et 4 caractérisé en ce qu'il comporte un amplificateur mécanique et permet avec peu de puissance de commande, d'utiliser pour la commande des pales la puissance motrice mise sur l'arbre d'hélice. 4) Dispositif selon la revendication 1 et selon les figures 1,2,3 et 4, caractérisé en que qu'ils sont étanches, remplis éventuellement de liquide protecteur grace au tube aou aileron porte-commande AV ou AR et maintenu par gravité. 5) Dispositif selon les revendicationS1 et 2 et selon les figures 6 et 7 et caractérisé en que qu'il comporte un fourreau porte(pales (26), figure 6 coulissant sur un moyeu portant les organes d'orientation de pales, permettant d'utiliser des pales déséquilibrées hydro-dynamiquenement, sans grand effort de commande. 6) Dispositif selon la revendication 1 et conforme a la figure 5, caractérisé en ce qu'il comprte une commande compacte très simplifiée comprenant par pale, une crémaillère de section ronde et continue (7) figure 5, un ressort de contrainte (17), le tout empilé dans forage brogne sur lequel s'applique une rondelle de poussée puis un empilage de rondelles acier ou matériau lubrifiant ou tout autre dispositif tournant à faible couple, et un mini vérin hydraulique ou pneumatique de préférence de style tore en souffler (18) figure 5 permettant une réalisation parfaitement hermétique. 7) Dispositif selon les revendicationS1, 3 et 6 caractérisé en ce que le montage des éléments du système de commande se termine par un dispositif de serrage unique et général. 80 Dispositif selon les revendicationS1,2,5 et 6 caractérisé en ce que les commandes d'orientation comprennent une minimotorisation et éventuellement un asservissement au régime du moteur et/ou éventuellement un asservissement à l'indicateur de vitesse du bateau ou de l'aéronef et éventuellement une combinaison des deux. 9) Dispositif selon les revendicationsl et 3, caractérisé en ce qu'il est piloté acoustiquement (ou magnétiquement ou optiquement) à distance grâce à son autonomie énergétique fournie par la différence des vitesse de rotation entre l'ensemble héliceamplificateur mécanique (HP) figure 8 et l'ogive porte-aileron correcteur de jet (4) figure 8. 10) Dispositif selon les revendicationS1 et 3, caractérisé en ce que selon par exemple la disposition figure 4 la commande électro-magnétique de l'amplificateur se fait par l'intermédiaire d'une transormateur dont le priamaire est à l'intérieur de la coque et le secondaire à l'extérieur, donc sans perçage. 11) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un couple de pales (8) figure 9 dont les axes sont relies par un dispositif élastique (50) figure 9, suffisamment acarté de l'arbre d'hélice (1) figure 9 pour pera titre la rotation libre de i ' en';emb le ;utour tlcs axes de pales. 12) Dispositif selon les revendications1 et 11, caractcrisé en ce que l'on a monté plus de deux pales sur le même dispositif de rappel selon la figure 10. 13) Dispositif selon les revendicationsde l à 12 prises dans leur ensemble permettant l'ancrage rotatif des pales dans une faible épaisseur t (figure 11) 14) Dispositif selon les revendicationS de 1 à 12 prises dans leur ensemble permettant un ancrage rotatif dans encore moins d'épaisseur que le dispositif de la revendication 13. Les bases d'ancrage des pales, appuayées sur leurs billes d'ancrage supérieures tenues par les demi-moyeux (2) figure 12 et sur les rondelles d'arbres d'hélices (32) présentent le minimum de frottement et d'encombrement en hauteur. 15) Dispositif selon les revendicationsde 1 à 12, prises dans leur ensemble incorporant les caractéristiques des dispositifs revendiqués en 11 et 12, c'est à dire qutil réalise une hélice à pale élastique, mais aussi commandée. 16) Dispositif selon les revendications 1,2 et-5, caractérisé en ce qu'il est piloté par dispositif mécanique, quand on peut en adapter un, sans transformation du dispositif propulseur-. tt 17) Dispositif selon l revendication 1 selon la figure 13 caractérisé en ce qu'il comporte une disposition des axes de pales semblable a celle de la figure 3 et des dispositifs d'entraînement en rotation de ces axes (8) figure 13 par exemple, servant au blocage axial des dits axes. 18) Dispositifs utilisant les dispositifs faisant l'objet de l'une quelconque des revendications de 1 à 15 et de la revendication 17.