Brevet FR2603668A1 — publié le 19880311

I Bague de blocage par friction La présente invention concerne des améliorations de dispositifs d'accouplement, et en particulier des éléments de blocage qui fixent ensemble deux pièces tournant à une vitesse élevée au moyen d'une liaison par friction entre l'élément de blocage et les pièces. Plus particulièrement, l'invention concerne des dispositifs d'accouplement qui emploient des éléments de blocage du type décrit dans le brevet britannique N 1.393.257. Le brevet précité décrit un dispositif d'accouplement qui utilise une 10 bague de blocage par friction qui est interposée dans un interstice radial qui est prévu entre une première pièce et une deuxième pièce. Dans une application, une des pièces peut être un arbre (comme par exemple un arbre d'une turbomachine reliant un rotor de compresseur à un rotor de turbine) et l'autre pièce un écrou qui est vissé sur l'arbre afin de serrer ensemble 15 différents ensembles constructifs. La bague de blocage par friction consiste en une bague (qui peut être complète ou présenter une fente radiale) qui est conformée en "cercle imparfait". Ceci veut dire que la bague de blocage est en contact en des régions espacées tout autour de sa circonférence extérieure avec une pièce située en position radialement extérieure, et est en contact 20 en des régions espacées tout autour de sa circonférence intérieure avec une pièce située en position radialement intérieure. La liaison par friction de la bague de blocage avec les deux pièces assure le blocage conjoint des deux pièces et empêche leur désaccouplement fortuit. Des dispositifs d'accouplement du type décrit dans le brevet précité 25 sont largement utilisés dans différents moteurs d'avions à turbines à gaz fabriqués par Rolls-Royce Limited, et ils remplissent jusqu'à présent leurs fonctions de manière satisfaisante dans toutes les applications identifiées. L'évolution normale des moteurs à turbines à gaz laisse prévoir que les moteurs futurs auront des vitesses d'arbres supérieures à celles des moteurs 30 actuels. Il est possible de démontrer que les bagues de blocage par friction construites conformément au brevet précité, qui présentent des performances satisfaisantes à des vitesses faibles ou dans des conditions statiques, présentent par contre un relâchement du blocage par friction à des vitesses élevées. La présente invention a pour but de tirer parti des for.ces centrifuges élevées auxquelles est soumise la bague de blocage par friction à des vitesses de rotation élevées, pour améliorer les forces de blocage par friction exercées par la bague de blocage sur les pièces qui doivent être conjointement bloquées, ou du moins pour que ces forces ne soient pas diminuées. Afin d'atteindre ce but, l'élément de blocage selon l'invention est 5 conformé, construit et disposé de manière à définir une pluralité de leviers et à tirer parti des forces centrifuges qui sont exercées sur l'élément de blocage, de manière à maintenir ainsi le blocage par friction. La présente invention va maintenant être décrite à l'aide d'exemples de réalisation et en référence au dessin annexé, dans lequel: Figure A représente une forme antérieure bien connue de l'élément de blocage, qui ne met pas en oeuvre la présente invention; Figure 1 représente une forme de l'élément de blocage construite conformément à la présente invention; Figure 2 représente la bague de blocage de la figure I en position pour 15 le blocage conjoint de deux pièces; Figure 3 représente schématiquement un des "leviers" de la bague de la figure 1, et présente un jeu de dimensions typiques d'une bague de blocage construite conformément à la présente invention; Figure 4 représente la forme de la section de la bague des figures 1 et 20 3; Figure 5 représente une seconde forme de bague de blocage construite selon la présente invention; et Figure 6 représente un autre mode de construction possible de la bague de blocage selon la présente invention. Comme le montre la figure A, la bague de blocage par friction 10 antérieurement connue est une bague fendue de forme polygonale. En fonctionnement, la bague se trouve entre la surface extérieure d'un arbre 12 et la surface circonférentielle intérieure d'un écrou 14 qui est vissé sur l'arbre. La bague comprend une pluralité de branches 16 de longueurs 30 sensiblement identiques. Les intersections entre branches voisines définissent des points de contact avec la surface intérieure de l'écrou 14, et les branches 16 entrent en contact avec l'arbre en une région situé approximativement à mi-distance entre les points d'intersection des branches. La bague de blocage 10 fonctionne de manière satisfaisante dans des 35 situations statiques ou dans des situations o l'arbre tourne autour de son axe central à des vitesses lentes. Des bagues du type représenté à la figure A sont largement utilisées sur les arbres de moteurs à turbines à gaz pour empêcher le desserrage des écrous qui serrent conjointement les ensembles de rotors. On peut démontrer qu'à des vitesses d'arbres plus élevées, en utilisant des dimensions de bague typiques, la force centrifuge exercée sur les 5 branches engendre le relâchement du serrage de la bague sur l'arbre et permet donc le desserrage des écrous, avec les conséquences désastreuses potentielles que ceci entraîne. Si l'on considére une bague de blocage du type représenté à la figure A, et si l'on suppose qu'elle possède douze branches et qu'un jeu d'ajustement 10 serré de 0,08 mm est présent entre la bague et l'arbre, les régions médianes des branches sont déviées de 0,08 mm. Dans des conditions statiques, chaque branche peut être considérée comme une poutre encastrée avec une charge centrale W à chaque point de contact entre la bague et l'arbre, et la déflexion est égale à: S= W.L3 / 192 El, o L est la longueur de la poutre, E le module d'élasticité de Young du matériau de la bague, et I le moment d'inertie de la bague. (I = bd3/12 pour une section rectangulaire, o b est la longueur axiale de la section (valeur type 3,0 mm) et d est la longueur radiale de la section (valeur 20 type 2,0 mm); voir la figure 4). 3,0 x 2,0 44 - 12 4 I = =2,0 mm = 2,0 x 10 m Avec E = 0,207 x 1012 N/m2 et L = 25,4 mm, on a: 25 S 192E I W = L (0,08 x C103) x 192 x (0,207 x 1012) x (2,0 x 10-12 - (25,4 x 10-3) 3 soit: W = 388 N. Pour une bague présentant par exemple 12 branches, la charge de blocage appliquée radialement sera égale à 12 x 388 = 4656 N. 35 D'après l'équation bien connue f/y = M/I, o f = contrainte, y = distance de l'axe neutre de la section, M = moment de flexion et I = moment d'inertie de la section, on peut calculer la contrainte de flexion f f M/I. y M = WL/8 f = 388x (25,4 x l10-C3) x 2,0x 10-3 8 x 2 2,0 x 10 -12 f = 616 x 106 N/m2 On considère maintenant les conditions dynamiques, dans lesquelles la bague est soumise à une force centrifuge lorsque l'arbre tourne. Pour une poutre encastrée avec une charge répartie uniformément induite de manière centrifuge, la déflexion centrale est WL = 384 El o W est maintenant la force centrifuge par unité de longueur de chaque poutre. W (0,08 x 10-3) x 384 x (0,207 x 1012) x (2,0 x 1012) 25 (25,4 x 10-3) 4 W = 31000 N/ m (environ) Lorsque la déflexion induite de manière centrifuge deviendra égale au jeu d'ajustement serré, la totalité du couple de blocage sera perdue. La 30 vitesse à laquelle ceci se produirait peut être calculée d'après la formule suivante: Force centrifuge = mr/g. o2, o m est la masse de chaque branche, r est la distance radiale de chaque branche mesurée perpendiculairement au milieu de la travée de la branche, et w 35 est la vitesse angulaire. On en déduit: tu= 3601,8 rads/sec. = 34.395 tours par minute. On peut constater que si l'arbre tourne à cette vitesse, la totalité du couple de blocage sera perdue. En outre, la contrainte maximale a lieu à chaque extrémité de chaque poutre. Si f = My/I et W = -WL2/12, on a alors, en utilisant les paramètres précités: f = 795 x 106 N/m2 Si le moment de flexion au centre de chaque branche est M = WL2/24, alors la contrainte au centre de chaque branche est égale à 397 x 10i6 N/m2. On notera que toute tentative d'empêcher la perte totale du couple de blocage par friction en rigidifiant la bague ou en augmentant le jeu 15 d'ajustement serré se traduira par une nouvelle augmentation de la contrainte superficielle appliquée par la bague sur l'arbre. Une telle augmentation de cette contrainte déjà élevée endommagerait l'arbre. La figure I représente une bague de blocage 20 construite conformément à la présente invention. La bague est construite dans le même 20 matériau que la bague de la figure A, et elle présente la même forme de section, le même jeu d'ajustement serré et les mêmes dimensions d'ensemble que la bague de la figure A. La bague de la figure 1 se différencie de celle de la figure A par le fait qu'elle présente huit premières branches 22 séparées par des deuxièmes 25 branches 24 contrecoudées et plus courtes. Chaque branche 22 constitue conjointement avec une partie contrecoudée 24 voisine un levier asymétrique (figure 3). D'après les calculs précités, la charge statique entre chaque branche 22 et l'arbre 28 sera approximativement égale à 393,7 N (cette valeur est 30 approximative parce que les extrémités de la branche 22 ne seront plus encastrées étant donné que la symétrie a été perdue; les branches 24 seront plus rigides et par suite il se produira une certaine rotation autour du point b). La charge totale est donc approximativement égale à 3150 N. En plus de cette charge statique, il existe une charge statique en chacun des huit points 35 repérés (a) sur la figure. Si on le souhaite, la bague peut être conçue de telle sorte que les charges statiques combinées soient égales à celles de la bague de la figure A. En considérant la bague de la figure I tournant à une vitesse d'arbre de 34. 395 t/min, et en supposant que cette bague présente la géométrie représentée à la figure 3, et une masse volumique de 8300 kg/m3, on a alors pour l'élément a-b-c: W (force centrifuge) = mr/g. w2 = 590,5 N. Dônc, par rapport à la condition statique, la charge appliquée par la bague sur l'arbre 28 au point (a) augmentera de 590,5 x 3175 / 6,35 = 295 N à cette vitesse de rotation. La perte de charge de blocage au point c (o la charge diminue de 393,7 N -charge statique- à zéro -rotation à 34.395 t/min.-) est donc compensée par une augmentation de la charge en (a) de 295,3 N par rapport à la charge quelconque présente dans des conditions statiques. A des vitesses plus élevées, il n'y aura pas plus de perte en (c) car un 15 jeu sera présent, mais la charge de contact en (a) augmentera jusqu'à ce que se produise la rupture de la bague. Le rapport de la longueur de la branche a-b par rapport à celle de la branche b-c pourra être ajusté pour obtenir un couple de blocage accrue sur la totalité des plages de vitesse souhaitées. Si la rupture au point d'appui de chaque levier (point b) constitue un 20 problème, on peut alors construire une bague de blocage 20 capable de résister à des vitesses élevées avec de faibles contraintes de contact avec l'arbre, comme le montre la figure 5. Selon la figure 5, chaque branche 22 est rendue plus mince afin d'obtenir de faibles contraintes de contact en (a) et (c), tandis que les 25 deuxièmes branches sont conformées de manière à obtenir une faible rigidité à la flexion en (c). La superficie de la section de la bague varie tout autour du périmètre de la bague. Comme on le verra, la bague présente une superficie de sa section plus importante aux points d'appui (points b) qu'aux points (a) et (c), o les premières et deuxièmes branches 22, 24 sont en 30 contact avec l'arbre 28. En fonctionnement, les bagues des figures 1 et 5 sont disposées dans un interstice radial entre l'arbre 28 et l'écrou 29 (voir la figure 2). Pour aider la mise sous contrainte de la bague, et pour assurer la présence d'un jeu d'ajustement serré, la bague présente un diamètre légèrement inférieur à 35 celui de l'arbre 28, et l'arbre 28 est muni d'une région conique 30 qui aide à l'expansion de la bague. Pour chaque levier 25, le produit de la masse de la branche 22 par son moment par rapport au point d'appui est supérieur au produit correspondant pour la branche 24. En conséquence, les forces centrifuges agissant sur les branches 22 par suite de la rotation de l'arbre 28 engendrent le basculements des leviers 25 autour des points d'appui (points b), et poussent les branches 24 en contact avec l'arbre 28. Les points d'appui 5 sont en contact avec les écrous 29 afin d'empêcher leur rotation. Les branches sont représentées sensiblement droites sur les figures. Il n'est pas nécessaire qu'elles le soient, et elles peuvent en fait être cintrées, pourvu qu'elles soient en contact avec l'arbre 28 en des régions intermédiaires entre les points d'appui. Dans les modes de réalisation décrits ci-dessus, la bague de blocage 24 comprend une pluralité de paires de branches 22, 24 définissant un élément unitaire. Bien qu'il soit improbable qu'apparaisse un problème de fatigue par suite de la flexion de la bague au voisinage des points (a), il est envisagé dans un autre mode de construction possible de couper la bague 20 aux points 15 (a) et (c) pour former des segments discrets de bague, comme représenté à la figure 6. Les segments 20(a), 20(b), 20(c) sont assemblés pour former une bague d'une forme similaire à celle représentée à la figure 1 ou à la figure 5. Les segments sont positionnés les uns par rapport aux autres de telle sorte que les branches courtes 24 viennent buter contre chaque branche courte 24 20 voisine en les assemblant dans une cage de support commune 34 qui permet aux segments de se déplacer en basculant autour de leurs points d'appui respectifs. Les segments sont positionnés de manière lâche sur des broches 30 portées par des parois 32 axialement en vis-à-vis d'une cage annulaire 34. Les 25 parois circonférentielles intérieure et extérieure 36, 38 de la cage présentent des ouvertures à travers lesquelles peuvent faire saillie les segments 20a, 20b, 20c, afin d'être en contact avec l'arbre 28 et l'écrou 29. Les broches sont montées dans des orifices surdimensionnés pratiqués dans les segments 20a, 20b, 20c, de sorte que chaque segment peut basculer autour de son point 30 d'appui (b). REVENDICATIONS 1. Elément de blocage destiné à être inséré dans un interstice radial entre des pièces radialement intérieure et extérieure conjointement rotatives afin de limiter la rotation relative entre ces pièces, caractérisé en ce que ledit élément (20) est constitué d'une pluralité de leviers (25) disposés tout autour d'un axe de rotation des pièces (28, 29) , chaque levier (25) présentant une première et une deuxième branches (22, 24) dont l'une forme un angle avec l'autre et définit ainsi un point d'appui (b) à l'intersection des deux branches (22, 24), en ce que ledit point d'appui (b) de chaque levier (25) est 10 positionné de telle sorte que, en fonctionnement, il est en contact avec une face circonférentielle tournée vers l'intérieur de la pièce extérieure (29), et en ce que lesdites branches (22, 24) sont conformées de telle sorte que, en fonctionnement, elles sont en contact avec une face circonférentielle tournée vers l'extérieur de la pièce intérieure (28) en des régions circonférentiellement 15 distantes situées entre les points d'appui (b), le produit de la masse de la première branche (22) de chaque levier (25) par son moment par rapport au point d'appui (b) respectif étant supérieur au produit correspondant pour la deuxième branche (24) de chaque levier (25), de sorte que, en fonctionnement, les forces centrifuges agissant sur chaque première branche (22) engendrent 20 le basculement des leviers (25) autour de leurs points d'appui (b) respectifs, et poussent ainsi les deuxièmes branches (24) radialement vers l'intérieur, en appui sur la pièce intérieure (28). 2. Elément de blocage destiné à être inséré dans un interstice radial entre des pièces radialement intérieure et extérieure conjointement rotatives 25 afin de limiter la rotation relative entre ces pièces, caractérisé en ce que ledit élément est constitué par une bague (20) conformée de manière à définir une pluralité de leviers (25) assemblés les uns aux autres tout autour d'une circonférence de la bague (20), disposés tout autour d'un axe de rotation des pièces (28, 29), chaque levier (25) présentant une première et 30 une deuxième branches (22, 24) dont l'une forme un angle avec l'autre et définit ainsi un point d'appui (b) à l'intersection des deux branches (22, 24), en ce que ledit point d'appui (b) de chaque levier (25) est positionné de telle sorte que, en fonctionnement, il est en contact avec une face circonférentielle tournée vers l'intérieur de la pièce extérieure (29), et en ce 35 que lesdites branches (22, 24) sont conformées de telle sorte que, en fonctionnement, elles sont en contact avec une face circonférentielle tournée vers l'extérieur de la pièce intérieure (28) en des régions espacées autour de la bague (20), intermédiaires entre les points d'appui (b), le produit de la masse de la première branche (22) de chaque levier (25) par son moment par rapport au point d'appui (b) respectif étant supérieur au produit correspondant pour la deuxième branche (24) de chaque levier (25), de sorte que, en 5 fonctionnement, les forces centrifuges agissant sur chaque première branche (22) engendrent le basculement des leviers (25) autour de leurs points d'appui (b) respectifs, et poussent ainsi les deuxièmes branches (24) radialement vers l'intérieur, en appui sur la pièce intérieure (28). 3. Elément de blocage selon la revendication 2, caractérisé en ce que la 10 superficie de la section de la bague (20) est sensiblement uniforme sur toute sa circonférence. 4. Elément de blocage selon la revendication 2, caractérisé en ce que la superficie de la section de la bague (20) varie sur sa circonférence, cette superficie étant maximale à chaque point d'appui (b) et minimale dans les 15 régions (c) o les première et deuxième branches (22, 24) sont en contact avec la pièce intérieure (28). 5. Elément de blocage selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que la bague (20) est fendue en une région de son périmètre. 6. Elément de blocage selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que les deuxièmes branches (24) de chaque levier (25) sont reliées entre elles dans la région (c) o, en fonctionnement, elles sont en contact avec la pièce intérieure (28) 7. Elément de blocage selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, 25 caractérisé en ce que chaque branche (22, 24) est sensiblement droite entre son point d'appui (b) et la région (c) o elle est en contact avec la piece intérieure (28). 8. Elément de blocage selon l'une quelconque des revendications I à 7, caractérisé en ce que les premières branches (22) sont plus longues que les 30 deuxièmes branches (24).