Brevet FR2579706A1 — publié le 19861003

La présente invention se rapporte à un ralentisseur a dissipation thermique, en particulier pour machines tournantes, charges en mouvement, et véhicules notamment poids lourds. Les quelques applications indiquées ci-dessus ne constituent qu'un exemple et ne sont nullement limitatives , bien au contraire, ce dispositif est destiné à être intégré dans tout ensemble mécanique où il existe une importante énergie à dissiper par freinage. Les constructeurs de véhicules, en particulier de poids lourds, ont conçu ou ont demandé d'étudier des ralentisseurs pour modérer l'allure de ces véhicules en descente afin d'améliorer la sécurité et d'économiser les freins. De ce fait, il en existe de plusieurs types dont les principaux seront décrits sommairement ci-après. Outre les ralentisseurs électriques qui ne concernent pas l'état de la technique relatif à cette invention, les ralentisseurs du même domaine technique, dont l'inventeur a connaissance, procèdent pour la majorité par dissipation thermique, ctest-à-dire par conversion directe de l'énergie mécanique en chaleur ou par variation de l'échappement du moteur des véhicules sur lesquels ils sont montés. Ces derniers comportent des organes de limitation ou d'obturation des gaz d'échappement montés à la sortie de l'échappement afin d'obtenir un effet de ralentissement par compression de ces gaz. Non seulement ces dispositifs nécessitent d'importantes modifications au niveau de l'échappement mais, en forçant le moteur en régime de ralentissement, ils l'obligent à fonctionner dans des conditions anormales lui imposant ainsi des contraintes supplémentaires. Ce mode de fonctionnement s' avère de toute évidence préjudiciable à la durée de vie du moteur. De plus, l'efficacité maximale de ralentissement reste fixe car fonction de la cylindrée du moteur, alors que le ralentissement optimal doit être réglable suivant la charge du véhicule et le degré de pente de la descente. Parmi les ralentisseurs à dissipation thermique, on distingue les ralentisseurs hydrodynamiques utilisant le circuit de refroidissement du moteur. Malheureusement, le circuit de refroidissement ne peut accepter de surcharges importantes et l'intérêt de ces ralentisseurs s'en trouve fortement limité. D'autres dispositifs ralentisseurs mettent en oeuvre une turbine montée sur un des trains du véhicule et dont la rotation provoque un effet d'amortissement hydrostatique provoquant le ralentissement du véhicule. Ces dispositifs sont encombrants, complexes et chers, et, de plus, difficiles à monter car leur installation nécessite d'importants aménagements. Par ailleurs, ils absorbent une quantité non négligeable de l'énergie motrice du véhicule lors de sa marche normale car l'élément rotor reste en prise permanente. A titre d'exemple, des ralentisseurs hydrodynamiques sont décrits dans les brevets français suivants nO 2 473 660 et nO 2 498 181. Ces inventions concernent des freins hydrodynamiques à rotor porteur d'ailettes, rotor entraîné en rotation dans un fluide d'amortissement de préférence du liquide utilisé dans les matériels d'hydraulique. Dans le premier brevet, on a imaginé de faire varier l'orientation des aubes ou ailettes portées par le rotor ou de modifier celle-ci sur les aubes du stator afin de réduire considérablement leur résistance hydrodynamique dans le fluide hydraulique en période de non fonctionnement. L'orientation choisie pour les ai lettes est celle selon laquelle les ai lettes se présentent dans le sens de rotation du rotor, c'est-à-dire dans des plans perpendiculaires à l'axe du rotor. Dans cette position, le frottement est minimal et la puissance absorbée à vide s'avère notablement réduite, par contre la commande des ailettes en orientation complique notablement le dispositif. Dans la deuxième invention, le freinage proprement dit est obtenu par la conjonction des effets d'un frein à disques de friction solidaires d'une part du rotor et, d'autre part, du stator pour constituer une cloison s' opposant au passage du fluide et d'un passage étranglé entre une chambre extérieure et une chambre intérieure. L'efficacité de ce dernier dispositif existe, il s'avère toutefois notablement complexe et, par conséquent, lourd, cher et difficile à installer. De plus, son fonctionnement à vide nécessite une énergie non négligeable. Ces dispositifs existant consomment en permanence, même hors service, une partie de l'énergie motrice du véhicule. Par ailleurs, leur complexité ne peut constituer un avantage. L'invention a pour but de remédier à ces inconvénients en proposant un ralentisseur à dissipation thermique de conception et de réalisation simple, totalement débrayable, peu encombrant en raison de sa disposition centrale autour d'un arbre moteur. A cet effet, le ralentissement à dissipation thermique selon l'invention est caractérisé par un mécanisme d'embrayage sur un arbre moteur, un rotor pourvu d'ai lettes de friction en prise occasionnelle avec l'arbre moteur et un circuit fermé d'échange, de dissipation thermique et de compression d'une matière à effet caloporteur dans des chambres attenantes communiquant entre elles directement et à travers un compresseur entraîné par l'arbre moteur. Comme indiqué ci-dessus, il présente de multiples avantages dont on citera les principaux ciaprès ensemble débrayable ne nécessitant aucune énergie à vide ; ensemble compact d'encombrement réduit ; constitution simple ; montage relativement aisé car à des emplacements présentant toujours un volume libre : par exemple autour de l'arbre de transmission ; capacité d'échange thermique performante ; grandes variétés d'utilisation : les véhicules, les machines tournantes, tous mobiles ou masses err mouvement d contrôler sciui's) ; couple ralentisseur réglable progressivement et à tout moment ; ensemble à sécurité positive :I'effort de ralen tissement augmente avec la vitesse ; possibilité de réduction de dimensions pour des applications à plus faible énergie; . possibilité d'incorporer le ralentisseur dans un bloc moteur facilité de construction . possibilité de de ralentir dans les deux sens de rotation. Les caractéristiques techniques et d'autres avantages de l'invention sont consignés dans la description qui suit, effectuée à titre d'exemple non limitatif sur un mode de réalisation en référence aux figures du dessin accompagnant ddllS lequel la figure 1 est une vue générale en coupe longi tudinale, du ralentisseur selon l'invention, dans sa version à monter sur un arbre de transmission;; la figure 2 est une vue schématique en coupe transversale d'un type de rotor à ai lettes incur vées . la figure 3 est une vue schématique en coupe transversale du même type de rotor pour ralentis seur à double sens de rotation . la figure 4 est une vue en coupe longitudinale d'une variante à ailettes sur le rotor et sur les parois du stator la la figure 5 est une vue de detdi | En coups lor\yi- tudinale du compresseur à vis simple pour la ver sion à un seul sens de rotation . la figure 6 est une vue de détail en coupe longi tudinale du compresseur à vis biconique équipant la version à double sens de rotation . la figure 7 est une vue en coupe longitudinale d'une chambre de dissipation présentant une autre conformation de refroidissement échange à air. . la figure 8 est une vue en coupe longitudinale d'une chambre de dissipation à refroidissement par eau. Comme indiqué, le ralentisseur à dissipation thermique selon l'invention n'est pas limité dans ses applications et elles vont bien au-delà du simple domaine des transports. En effet, ce ralentisseur est destiné à être intégré dans tout ensemble mécanique dans lequel une énergie importante est à dissiper par freinage. On se référera tout d'abord à la figure 1 pour la description d'ensemble de la variante de base. Cette variante correspond à celle à monter autour d'un arbre de transmission1 Bien entendu, d'autres variantes sont prévues telles que ceiles s'adaptant à la sortie d'une boîte de vitesse ou latéralement sur un moteur. Le ralentisseur est monté concentriquement à un arbre de transmission 1 sur lequel il peut être engagé en prise mécanique par l'intermédiaire d'un embrayage 2 par exemple du type à friction par plateau. La chaîne cinématique comprend un arbrecreux 3 monté autour de l'arbre de transmission 1 portant le mécanisme d'embrayage 4, une couronne motrice 5. L'arbre creux 3 traverse une chambre d'échange 6 à l'intérieur de laquelle il devient le rotor 7 d'un dispositif rotatif de friction à ailettes 8. üne chambre de dissipation 9 est attenante à la chambre d'échange 6 avec laquelle elle communique par des passages 10 à débit réglable. La chambre de dissipation 9 communique à son tour selon un circuit retour il avec la chambre d'échange échange 6 par un conduit 12 alimentant un compresseur 13 par exemple à vis, pour l'injection sous pression dans la chambre d'échange 6. Le compresseur est entraîné en rotation par la couronne motrice 5 selon un rapport de transmission de préférence fixe. On décrira maintenant le détail des moyens employés constituant le ralentisseur selon la variante d'exécution à simple ou à double sens de rotation représentée sur les figures de 1 à 6. II s'agit du cas d'une disposition sur arbre de transmission. Les cas d'autres dispositions ne modifient pas l'invention dans ses moyens essentiels. Sur l'arbre de transmission 1 est monté un plateau à jupe conique 14 équipé en son centre d'une roue dentée 15 pour l'accouplement mécanique de l'arbre creux 3. Ce dernier porte à l'avant le mécanisme d'embrayage 4 comprenant une tête coulissante 16 présentant en partie périphérique frontale un plateau 17 à bords coniques aptes à venir s'engager sur la face interne de la jupe conique 14 pur la réalisation du contact entre les deux fronts coniques des plateaux d'accouplement engendrant la prise d'entraînement. La tête coulissante 16 présente en partie médiane centrale une couronne dentée 18 venant s'engrener sur la roue dentée 15 grâce à un profil d'entrée adapté aux dents de cet engrenage. La couronne 18 se prolonge à l'intérieur de la tête 16. L'extrémité de l'arbre 3 présente des cannelures pour permettre le coulissement de la tête 16 en vue de l'accouplement mécanique.La tête coulissante 16 présente plusieurs rainures transversales telles que 19 pour le montage d'un dispositif de manoeuvre, non représenté ici, en vue d'assurer sa translation. L'arbre 3 comporte, entre le mécanisme d'embrayage 4 et la chambre d'échange 6 une liaison cinématique à réduction avec le compresseur 13, par exemple sous la forme d'un multiplicateur 20 à roues dentées utilisant la couronne motrice 5 et une roue dentée de multiplication 21. Bien entendu, on peut envisager une liaison cinématique à rapport de multiplication variable. L'arbre creux 3 se poursuit à travers la chambre d'échange 6. Il est équipé pour sa partie intérieure des ailettes radiales 8 dont la répartition et la conformation sont représentées en figures 2 et 3. Ainsi, on prévoit des ailettes légèrement incurvées à concavité dirigée dans le sens de rotation (figure 2). Dans le cas d'un ralentisseur à deux -sens de rotation, on prévoit des ailettes concaves 22 et convexes 23 en disposition. alternée, de manière à pré senter le même effet de brassage dans chaque sens de rotation (figure 3)). De plus, les ailettes s.nt disposées longitudinalement convergentes en léger rapprochement vers l'extrémité arrière de la chambre d'échange 6 comme on peut le voir sur la figure 1. Dans une réalisation perfectionnée à haut pouvoir ralentisseur, les ailettes seront disposées de façon alternées entre les ailettes 24 solidaires de la paroi latérale 25 de la chambre 6 et les ailettes 26 portées par l'arbre creux 3. Les mêmes caractéristiques générales de disposition et d'alternance de concavités des figures 2 et 3 s'appliquent. La chambre d'échange 6 est étanche. Elle comporte une purge 27 en partie supérieure et plusieurs orifices de sortie 28 sur sa paroi frontale arrière 29 communiquant avec la chambre de dissipation 9 ainsi qu'un clapet de sécurité 30 destiné à assurer la décharge nécessaire en cas de surpression. Les orifices 28 sont obturés par l'intermédiaire de clapets d'écoulement 31 à débit réglable actionnés par une commande mécanique extérieure, par exemple sous la forme de tiges 32 traversant la chambre de dissipation 6. Les tiges 32 sont regroupées par une commande unique non représentée en figure 1. Elles sont montées à rotation sur des écrous 33 à pas réversible et en rappel de translation en position fermée du clapet assurant ainsi une sécurité supplémentaire par retour automatique en configuration de couple maximal de ralentissement. Les orifices 28 seront en nombre suffisant pour assurer le débit maximal de dissipation en fonction des besoins d'évacuation de chaleur. La chambre de dissipation -9 est attenante à la chambre d'échange dont la paroi arrière 29- est commune. Celle-ci sert de palier à l'arbre creux 3. La chambre de dissipation 9 présente un réseau ou faisceau de tubes intérieurs tels que 34 traversés par un fluide caloporteur .lir, eau ou autre disponible constituant une véritable batterie d'échange calorifique pour l'évacuation à l'extérieur des calories produites par la friction des ailettes du rotor sur la matière portée à haute pression. L chambre de dissipation 9 présente une sortie basse 35 communiquant par le conduit 12 avec l'entrée du compresseur 13 dont la sortie 36 débouche dans la chambre d'échange 6 bouchant ainsi le trajet de circulation de la matière. Comme indiqué ci-dessus, I'invention vise le ralentissement dans les deux sens de rotation. La réalisation de base représentée en figure 1 comprend, pour ce faire, un compresseur à deux entrées 37 et 3. II est évident que ld Ilidt iere circule toujours dans le même sens de la haute pression ré- gnant dans la chambre d'échange 6 vers la basse pression dans la chambre de dissipation puis vers le compresseur 13. Ce dernier, pour permettre le fonctionnement du ralentisseur dans les deux sens de rotation doit assurer la compression, quelle que soit la rotation de l'axe de transmission. Pour ce faire, le compresseur du ralentisseur bidirectionnel comprendra un organe de compression double 39, par exemple dans le cas d'un compresseur à vis, une vis biconique 40 dont le détail est représenté en figure 6. Sur cette figure, on distingue clairement les deux parties convergentes 41 et 42 de la vis biconique 40 possédant chacune sa propre entrée 37 et 38 en communication parallèle avec le conduit d'alimentation 12. Bien entendu, les pas de ces deux vis sont inversés de manière à fonctionner chacune en compression dans l'un ou l'autre sens de rotation. Pour éviter la sortie par l'autre partie de la vis biconique, on prévoit, au niveau de la chambre de sortie 43, un dispositif d'obturation 44 à va-etvivent. Une bague d'obturation 45 coulisse sur l'axe 46 du compresseur le long des parois de la chambre de sortie sous l'effet de la matière sous pression forcée vers la sortie 36. La bague 45 vient alors occuper la position d'obturation opposée à la sortie de la partie biconique correspondante. Dans le cas d'un compresseur à sens unique de rotation (cas des véhicules) il est possible d'utiliser un compresseur à vis simple 47 tel que représenté sur la figure 5. Bien entendu1 dans cette réalisation, il n'existe qu'une seule entrée 48. Le ralentisseur selon l'invention est rempli d'une matière à fort pouvoir caloporteur et friction. Bien que parfaitement utilisable avec des huiles à forte viscosité, on préfèrera des mélanges ou des compositions à base de matières élastomères et de silicones formant un fluide semi-pâteux. La fluidité de ce mélange analogue à une gomme pâteuse à faible température s' améliorera avec l'élévation de température consécutive au fonctionnement du ralentisseur. La chambre de dissipation 9 joue le rôle de réservoir. Elle comporte un orifice supérieur 49 obturé par un bouchon de remplissage. Afin d'améliorer l'échange thermique dans la chambre de dissipation 9, on pourra la réaliser selon la conformation représentée en figure 7. Selon cette variante, la chambre proprement dite affecte la forme d'un cylindre 50 disposé en pro longation de la chambre d'échange 6. Ce cylindre communique par des tubes radiaux de sortie 51 avec une chambre d'échange 6. La sortie 35 est prévue comme précédemment en partie inférieure. L'échange thermique s'effectue par le passage de l'air le long du volume intermédiaire annulaire 53 existant entre les chambres concentriques 50 et 52, ledit volume étant traversé par les tubes de sortie 51. Il semble suffisant pour la dissipation de quantités de chaleur moyennes. Dans le cas de plus fortes dissipations thermiques, I'inventeur a prévu d'utiliser une chambre de dissipation à refroidissement par eau 54 dont un exemple de réalisation est représenté en figure 8. La chambre 'cylindrique 50 est entourée par une première enveloppe annulaire 55 remplie d'eau communiquant avec un volume d'eau 56 occupant par exemple l'arrière de la chambre de dissipation volume,délimité par la double paroi carrière 57 et 58. Le volume d'eau 56 est brassé continuellement en fonctionnement par une hélice 59 montée sur l'arbre creux 3. Comme précédemment, I'enveloppe annulaire 55 est traversée par des tubes radiaux 60 de communication de la matière avec une deuxième enveloppe annulaire 61 jouant le rôle de collecteur de la matière pour son évacuation vers la sortie basse 35,en vue de son acheminement vers le compresseur 13. Pour améliorer encore la dissipation thermique, on prévoit la circulation de l'eau de refroidissement par un circuit sur une batterie extérieure venant se brancher sur les raccords haut 62 et bas 63 tels que représentés. Dans cette réalisation, la commande des tiges d'actionnement 32 des clapets d'écoulement 31 est assurée par une tringle transversale unique 64 agissant sur toutes les tiges par l'intermédiaire d'un ensemble d'articulation commun 65. On expliquera ci-après les différentes phases de fonctionnement du ralentisseur selon l'invention. Lors de descentes nécessitant un effet ralentisseur, le conducteur du poids lourd met le ralentisseur selon l'invention en service en accouplant l'arbre creux 3 par manoeuvre sur le mécanisme d'embrayage 4. La tête 16 coulisse le long de l'arbre creux 3 jusqu a contact du plateau conique 17 contre le plateau 14. L'entraînement s'effectue progressivement jusqu'à ce que l'arbre creux 3 arrive à la même vitesse de rotation que l'axe de transmission 1. L'accouplement mécanique peut alors s'effectuer car les arbres tournent à la même vitesse. Les couronnes dentées 15 et 18 viennent alors en prise et l'accouplement mécanique devient parfait. Dès l'entraînement de l'arbre creux 3, le compresseur 13 est actionné. II injecte de la matière en surpression dans la chambre d'échange 6 par l'une ou l'autre de ses vis coniques ou par sa vis unique dans le cas d'un ralentisseur à un seul sens de rotation. Le rotor 7 tourne et l'énergie mécanique se transforme en chaleur par la friction avec la matière ou composition dont est rempli le circuit fermé du ralentisseur. Lt coiip I c rj I tnt i sscrir 1-C st c ;7 Sii eUI' maxima le tant que la matière ne circule pas, c'est-àdire tant que les passages 28 restent obturés par les clapets. En fonctionnement normal l'intensité du ralentissement est réglée par ouverture progressive de ces clapets résultant de l'action sur les tiges de commande 32. La matière surchauffée est alors admise dans la chambre de dissipation en débit plus ou moins important. Elle y subit un abaissement de température en raison de l'échange calorifique réalisé par la circulation de l'air ou d'un autre fluide caloporteur par exemple de l'eau. a matière à plus faible température sort de la chambre de dissipation et revient vers la ou les entrées du compresseurpourêtre injectée à forte pression dans la chambre d'échange 6 et ainsi de suite. Le réglage du couple de ralentissement s'effectue par l'intermédiaire des clapets d'écoulement 31 dont l'obturation progressive est réalisée par la tige de commande 32. Dans le cas d'une inversion du sens de rotation, la matière continue à circuler dans le même sens de la haute pression vers la basse pression. L'inversion du sens de rotation comme indiqué permet l'admission de la matière dans le compresseur par son autre entrée communiquant avec la vis à pas inversé pour forcer la matière vers la sortie par le même effet de boudinage à la manière d'une extrudeuse. La chambre de dissipation à refroidissement par eau permet d'augmenter ia capacité calorifique du ralentisseur et, par conséquent, L'effet de ralentissement. Ce ralentisseur s'avère d'une grande sécurité dans tous les cas en raison de l'effet cumulatif inhérent à son principe même. Comme il découle du fonctionnement ci-dessus, on est en présence d'un ralentisseur à sécurité positive car l'augmentation de vitesse tend à accroître le couple ralentisseur. Le ralentisseur selon l'invention a été décrit en détail ci-dessus selon une variante de base et plusieurs modes de réalisation de quelques uns de ses éléments. Il est bien entendu que diverses modifications sans apport inventif telles que substitutions par des matières ou moyens équivalents, adjonctions d'éléments inopérants, variantes directes entrent parfaitement ddns son cadre. REVENDICATIONS 1. Ralentisseur à dissipation thermique pour machines tournantes, charges en déplacement et véhicules, notamment poids lourds, caractérisé par un arbre central (3) équipé sur une partie de sa longueur d'ai lettes de friction (8) traversant une chambre d'échange (6) attenant à une chambre de dissipation (9) avec laquelle la chambre d'échange (6) communique par des orifices (28), la chambre de dissipation (9) étant reliée à la chambre d'échange (6) par un-circuit (11) de retour de la matière comprenant un compresseur simple ou bidirectionnel (13) et en ce que l'arbre central (3) est en prise mécanique occasionnelle avec un arbre moteur (1) par l'intermédiaire d'un mécanisme d'embrayage (4) lesdites chambres d'échange (6) et de dissipation (9) ainsi que le circuit de retour (11) étant remplis d'un fluide caloporteur sous pression 2.Ralentisseur selon la revendication 1 caractérisé en ce que le fluide caloporteur sous pression est un mélange à base d'huiles de forte visco sité. 3. Ralentisseur selon la revendication 1 carat-érisé en ce que le fluide caloporteur sous pression est un mélange semi-pâteux de matières élas tomères. 4. Ralentisseur selon les revendications 1 et 3 caractérisé en ce que le fluide caloporteur sous pression est un mélange de matières élastomères et de silicones. 5. Ralentisseur selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'arbre (3) est creux et monté concentriquement sur l'arbre moteur (1),et en ce que la prise directe est réalisée par l'accouplement d'une couronne dentée (18) solidaire d'une tête coulissante (16) montée sur l'arbre (3) avec une roue dentée (15) portée par l'arbre moteur (1). 6. Ralentisseur selon la revendication 1 caractérisé en ce que les ailettes (8) sont incurvées à concavité tournée dans le sens de rotation et en disposition convergente dans le sens longitudinal et en ce qu'elles sont à concavité alternée d'une ailette à la suivante pour un double sens de rotation, et en ce que des ai lettes fixes (24) sont prévues sur la paroi latérale (25) de la chambre d'échange (16). 7. Ralentisseur selon la revendication 1 caratérisé en ce que les orifices (28) entre la chambre d'échange (6) et la chambre de dissipation (9) sont à obturation progressive et réglable par l'intermédiaire de tiges (32) à commande extérieure globale agissant sur des clapets à billes (31), lesdites tiges étant mottées en rappel élastique automatique vers la position de fermeture, et en ce qu'un clapet de sécurité (30) est prévu sur la paroi commune (29) entre les chambres (6) et (9). 8. Ralentisseur selon la revendication 1 caractérisé en ce que le compresseur (13) est à vis simple (47) dans le cas d'un ralentisseur à un seul sens de rotation et en ce que le compresseur est à vis biconique (40) dans le cas d'un ralentisseur à deux sens, ledit compresseur comprenant deux entrées (37) et (38) propres à chaque partie convergente (41) et (42) de la vis biconique (40) convergeant vers une chambre de sortie (43), pourvu d'un dispositif d'obturation (44) à va-et-vient sous la forme d'une bague coulissante (45) sur l'axe (46) du compresseur-entre deux positions extrêmes d'obturation dans lesquelles elle ferme automatiquement l'entrée de la partie opposée. 9. Ralentisseur selon la revendication 1 caractérisé en ce que la chambre de dissipation comprend dans son volume intérieur un faisceau de tubes échangeurs (34) traversés par un fluide caloporteur d'évacuation. 10. Ralentisseur selon la revendication 1 caractérisé en ce que la chambre de dissipation présente une partie centrale cylindrique (50) et deux enveloppes concentriques annulaires dont la première (53) ou (55) est traversée par un fluide caloporteur d'évacuation et dont la seconde extérieure (52) ou (61) forme collecteur pour l'évacuation de la matière par la sortie (35) relié au circuit de retour (11) et en ce que l'enveloppe extérieure et la chambre cylindrique (50) communiquent entre elles par dés tubes radiaux tels que (51) ou (60).