Brevet FR2598492A1 — publié le 19871113

La machine que l'on décrit ci-dessous, et que l'on nonWra de façon générale " frein par viscosité " a pour fonction la dégradation en chaleur d'une énergie mécanique fournie par un couple tournant. Le produit du couple par la vitesse angulaire est la puissance fournie. Cette machine peut etre utilisée comme un simple frein sur un véhicule que l'on veut ralentir, mais aussi comme un générateur de chaleur si elle est animée par une source d'énergie gratuite comme en fournissent les éoliennes et les roues de moulin, et encore comme un coupleur glissant pour transmettre un couple donné à vitesse variable. Elle est la meme dans ces trois cas. La machine se compose principalement de trois parties; Le couple moteur est transmis à un mandrin cylindrique . Une tôle mince entoure ce mandrin sur un presque cercle, par défaut. Une huile épaisse est introduite entre la tôle et le mandrin, et la tôle est maintenue immobile par ses deux extrémités. Il se forme donc un film mince d'huile entre la tôle et le mandrin, qui est sollicité au cisaille- ment par le mouvement du mandrin. A ce cisaillement sont opposées les forces de viscosités du liquide, lesquelles transforment l'énergie reçue en chaleur. La chaleur est donc produite dans l'épaisseur même du film visqueux, et évacuée par l'intérieur du mandrin ou par l'extérieur de la tôle. C'est un frottement purement liquide qui ne peut avoir pour effet que d'altérer la structure moléculaire du liquide. La machine ne produit aucun frottement solide entre tôle et mandrin, lesquels sont toujours séparés par le film liquide. I1 existe de très nombreux corps connus qui possèdent une grande stabilité chimique et des coefficients de viscosité élevés, tels que huiles silicones, glycérine, bitumes, qui sont aptes à remplir la fonction dévolue. I1 va de soi que le coefficient de viscosité du liquide doit être d'autant plus grand que la vitesse de rotation est plus faible et que l'économie du procédé pousse à utiliser des fluides très visqueux. Notons encore que des corps non strictement liquides, tels que des graisses ou des gels peuvent être unilisés sous réserve que leur comportement rhéologique fasse apparaftre une zône où leur viscosité dépend du gradient de vitesse Le bon fonctionnement de la machine pose des problèmes théoriques et des problèmes expérimentaux. Au plan théorique, il s'agit d'étudier l'écoulement du liquide ou pseudo-liquide en quatre emplacements. A l'entrée du film sous la tôle se forme un coin d'huile, qui joue le relue d'une pompe mettant l'huile sous pression. Cette pression est nécessaire pour équilibrer les tractions qui se forment dans la tôle sous l'effet du cisaillement du liquide. Durant son parcours sous la tôle, l'huile travaille au cisaillement, et il faut définir l'écoulement qui en résulte.Sur les bords latéraux de la tôle se produisent des fuites d'huile, qu'il importe de contrôler et de combattre. I1 faut enfin ramener cette huile perdue sur les bords vers le coin d'huile initial, pour que la machine acquière un régime de fonctionnement permanent. On dispose de deux lois connues pour étudier de tels écoulements. La loi de Newton concerne un écoulement à paroi mobile, mais amans gradient de pression dans la direction des vitesses. Elle sert à définir le coefficient de viscosité . La loi de Poiseuille concerne les écoulements à gradient de pression mais à parois fixes. On combinera ces deux lois selon l'hypothèse que, dans un écoulement à paroi mobile et gradient de pression, ce gradient est proportionnel à la différence entre le débit total au lieu considéré et le débit qui se produirait si l'écoulement était. purement newtonien. Ces deux lois ne concernent que des écoulements laminaires où les traiectoires des particules sont des droites parallèles aux parois, et la combinaison de ces deux lois s'applique au même domaine.On établidans ces conditions l'équation où dv est la différentielle de la vitesse v d'une particule , dm est la différentielle dans l'épaisseur du film, r un coefficient de dimention T représentant le gradient de vitesse de l'écoulement au contact de la paroi immobile, où z = 0, i le gradient de pression sans dimentions ( cm/cm, les pressions mesurées en hauteur de la colonne liquide équivalente m le poids spécifique du liquide formant le film mince et z son coefficient de viscosité. Si la vitesse de circulation de la paroi mobile est V, l'iitégrale fournit une relation liant V à r, i, m, e et i( , et une seconde intégration de cette expression selon e donnera lsexpression du débit total qui circule dans la section considérée. Ces deux nouvelles expressions permettent de définir la loi du gradient de pression sous la forme Cette équation est elle-même une équation différentielle soluble dès que l'on connait la loi donnant l'épaisseur e en fonction de l'abaisse x. Elle permet l'étude complète du coin d'huile qui se forme à l'entrée de l'écoulement . On retrouve dans l'expression ci-dessus l'hypothèse de départ puisque la grandeur V. e est le double du débit Newtonien. La géométrie d'un coin d'huile doit y créer la pression demandée. I1 faut donc que le gradient i y soit d'abord positif, ce qui impose que l'épaisseur aille en diminuant dans le sens de l'écoulement , qui est celui de la vitesse V. Si le gradient doit ensuite devenir négatif. il devra passer par la valeur éro à laquelle correspond l'écoulemenT newtonien. L'expérience et le calcul conduisent alors à la ori- d'entrée présentée figure 1, Cette figure est une coupe dans un plan perpendiculaire à l'axe du mandrin (1), lequel tourne à la vitesse V/R La tôle mince (2) est tenue écarte du mandrin grace à la forme convergente de l'entrée du film d'huile (3). La longueur de cette forme d'entrée est courte. environ 1/10 dr rayon du mandrin, sans quoi il s'y développe des forces excessives et inutiles. La niôle est tenue entre deux pièces métalliques rigides, notées (4) et (5). par serrage par exemple, et la pièce (5) est ancrée de façon à rester immobile quand le mandrin tourne.Le point où la tôle mince décole du talon (4) dépend de la force qui appliquée sur la pièce (4). Dans ces conditions, l'expérience et le calcul montrent que le réglage de la force Q est un moyen très sur de régler la puissance absorbée par la machine. Lorsque lton augmente la force #, l'épaisseur du film diminue sous la tôle, et la puissance absorbée augmente, et inversement. Cette variation de puissance absorbée n'est entièrement acquise que quand le mandrin a accompli au moins un tour complet. Plus le mandrin tourne lentement, plus lentement interviennent les variations de puissance. Sous la tôle elle-mme, I'épaisseur de llécoulement dépend des conditions d'entrée et des milites latérales. Si la tôle est assez large pour que l'on puisse négliger l'influence de ces fuites, la théorie montre que l'écoulement est d'épaisseur constante, et qu'il est très voisin d'un écoulement newtonien. En effet, si chaque élément de surface de la tôle reçoit une contrainte tangentielle, il en résulte que la traction sur la tôle à proximité du talon d'entrée est plus forte qu'à l'extrémité opposée .La pression dans le film, qui équilibre cette tractiez, décroftra donc dans le sens de l'écoulement, et il se produira donc un gradient négatif dans cet écoulement. I1 est toutefois très faible et n'augmente que de façon insensible s > débit par rapport au débit newtonien. I1 en résulte que la somme des tractions sur la tôle est supérieure à la somme des contraintes tangentielles fournies par le mandrin moteur. Cette différence correspond au travail fourni dans le coin d'entrée. Pour réduire les fuites latérales. il est intéressant d'utiliser des tôles minces à haute limite élastique. Là où les pressions les le film sont les plus fortes, soit près de l'entrée de l'écoulement, les déformation élastiques acceptées par la tôle peuvent en effet devenir plus grande que l'épaisseur du film. oe, la pression dans le film au bord strict de la tôle est nécessairement nulle. On constate alors que le bords de la tôle prend l'allure indiquée sur , la tale figure 2. Dans une coupe passant par l'axe du mandrin (1) , la tôle mince n'est fléchit à ses extrémités et réduit la section de fuite. Celle-ci n'est cependant jamais nulle, car s'il en était ainsi, la pression ne pourrait plus s'annuler au bord de la tôle. Dans ces conditions, seule une mince bande latérale de la tôle n'est pas à la pression de l'ensemble, et ceci permet de concevoir des tôles relativement étroites, sans que le fonctionnement du dispositif soit perturbé par d'excessives pertes -. latérales. La principale limitation de puissance de ce dispositif provient des restrictions qu'impose la dissipation de la chaleur produite dans le film. Au premier plan de celle -ci intervient la conductibilité généralement mauvaise du fluide visqueux. On l'améliorera en le chargeant avec des corps bons conducteurs, tels que des graphites ou des particules métalliques fines. I1 importe en effet que le gradient de tempéra- ture dans le film reste faible , car alors les viscosités risqueraient de varier dans le film et les théories précédentes deviendraient . inappliquables, du fait de la présence de mouvements de convection dans le fluide . L'écoulement ne serait plus laminaire et les forces de viscosité instables. Au delà de cette disposition essentielle, il est encore possible de construire le mandrin en métal bon conducteur et de soigner l'écoulement intérieur d-'eau chargé d'évacuer les calories produites. Les grandes puissances absorbées dans de petites machines sont aussi limitées par le coût des états de surface du mandrin et de la tôle. Plus on sollicite le film au cisaillement, plus agissent les petites irrégularités de surface. parce que le gradient de pression varie très fortement pour des différences d'épaisseur minimes. Le risque est alors de faire caviter le liquide, ce qui peut modifier durablement sa viscosité. Dans de bonnes conditions, on peut atteindre quelques dizaines de watts par cm2 de film. Le quatribme problème hydraulique que pose la machine consiste à recueillir le liquide dissipé par les bords de la tôle et à le ramener vers le coin d'entrée. On notera à cet effet qu'un excès de liquide en amont du coin d'entrée est sans influence sur le fonctionnement, sous réserve que la place existe pour ce liquide. C'est pourquoi sur la figure 1, figure un emplacement (6) largement dégagé. Dans cet emplacement, l'expérience montre que l'excès d'huile ou de graisse forme un bourrelet rond, d'axe parallèle à l'axe du mandrin, qui égalise rapidement l'excès sur toute sa longueur. I1 suffit dès lors de disposer, comme le montre la figure 3, deux pièces en tale formant racleurs. La figure 3 est une vue de dessus d'un mandrin. Le sens de rotation est indiqué par une flèche (7) . Le coin d'entrée de l'huile est situé sous le talon (4), dont la pièce de fixation (5) n'est pas représentée. La tôle mince (2) part de ce talon, passe sous le mandrin, et se retrouve devant l'entrée du film d'huile. L'huile épaisse sortant du bord de fuite (8) réalimente directement le coin d'huile. L'huile qui s'est échappée par les bords de la tOle forme un bourrelet en (9). Les racleurs(l0)sont des tôles perpendiculaires à la surface du mandrin, tenues par une lame souple (11) solidaire du talon, et dont la forme guide le bourrelet latéral d'huile vers le coin d'huile. L'angle (12) entre le racleur et la direction de la vitesse est le moteur qui met l'huile en mouvement le long du racleur. La machine représentée figure (3) n'est apte à fonctionner que dans un seul sens de rotation. Si le couple tournant moteur peut être fourni à la machine dans n importe quel sens de rotation, plusieurs dispositions de la tôle mince sont possibles: on peut disposer une seconde forme d'entrée sur le bord de fuite, qui n'agira que si le sens de ro tation s'inverse. On peut prévoir deux tôles, chacune avec sa forme d'entrée, chacune couvrant moins que la moitié du mandrin dans le sens de sa circonférence. Utilisée comme frein, la machine possède l'avantage de ne jamais pouvoir annuler la rotation , par bloquage à vitesse de rotation nulle, comme le font tous les freins à frottement solide. Le couple résistant est en effet proportionnel à la vitesse de rotation. Monté sur une roue de véhicule, ce frein pourra donc réduire la vitesse de rotation de la roue, mais jamais l'annuler. REVENDICATIONS 1" Macine de freinage, transformant l'énergie mécanique en chaleur, caractérisée par le fait que les forces de frottement qui réalisent la transformation de l'énergie sont exclusivement situées dans un film mince d'un liquide à haute viscosité, lequel film est formé entre un mandrin cylindrique moteur, tournant sur lui-même, et une tôle mince immobile enroulée autour du mandrin. 2e Machine selon la revendication 1 , caractérisée de plus par le fait que la forme d'entrée de l'écoulement du liquide visqueux entre tôle et mandrin est un convergent court où le liquide se met en pression, de telle sorte qu'une force appliquée sur la lèvre extérieure du convergent serve à régler l'épaisseur du film mince entre tale et mandrin, et donc à contrôler la puissance du freinage. 30 Machine selon la revendication 1, caractérisée par le fait que la tôle mince est un métal à haute limite élastique en traction, sollicité forte: ment dans ses conditions normales de travail, afin de créer sur les bords latéraux de la tôle des rétrécissements d'r^PaiSseur qui s'opposent aux fuites latérales da liquide visqueux. 4" Machine selon la revendication 1, caractérisée par le fait que le liquide visqueux échapé par les bords de la tôle est ramené vers le centre de l'écoulement par des racleurs 5' Machine selon la revendication 1. caractérisée par le fait que plu sieurs tôles minces sont disposées, sans recouvrement, sur le mandrin afin de permettre à la machine de fractionner sa puissance ou de fonctionner dans les deux sens de rotation.