Brevet FR2645229A1 — publié le 19901005

La présente invention a pour objet un frein hydrodynamique du type dans lequel une roue de rotor à pales et une roue de stator à pales forment ensemble une chambre de travail en forme de tore, dans lequel chacune des dites roues à pales possède une couronne de pales fixes subs- tanciellement planes solidaires de la roue à pales, et dispo- sées -pour augmenter l'effet de freinage- en position oblique par rapport à l'axe de rotation, et dans lequel le frein est équipé d'un dispositif permettant de régler l'effet de freinage. Les freins hydrodynamiques connus jusqu'ici fonctionnenent par le fait que l'on modifie le niveau de remplissage du carter pour agir sur le moment du couple de freinage; (cf. par exemple DE-2855654, US-4276970). Pour cela le frein connu possède à l'extérieur d'une chambre de travail en forme de tore, des soupapes de commande sur les conduits qui amènent le liquide dans la chambre, ou l'en re- tirent. Ces soupapes permettent de régler le niveau du li- quide dans la chambre. Des freins de ce type se sont avérés satisfaisants comme freins de vehicules. Un de leurs avantages 23 est la forme simple de leurs deux roues à pales, puisque toutes les pales sont dans une position fixe par rapport aux roues, ou, en d'autres termes, que les pales sont fixés de manière rigide sur le corps des deux roues. La coupe transver- sale de la chambre en forme de tore présente un profil appro- ximativement circulaire. Pour obtenir avec ces freins, pour un diamètre extérieur donné, le plus grand effet de freinage possible, on monte toujours les pales des deux roues à pales dans une position oblique par rapport à la direction de l'axe. Des difficultés apparaissent pour- tant quand un tel frein hydrodynamique doit être utilisé dans un ensemble de transmission de force constante, pour effectuer un freinage délicat sur une des parties d'un engrenage diffé- rentiel; (cf.WO-86/02983, US-4726255). Selon cette publica- ion, il existe plusieurs types de construction de-cet ensem- 3_ ble de transmission de force. Certains types possèdent un coupleur d'entrée hydrodynamique; dans un autre type ce cou- pleur d'entrée manque: la vitesse de rotation de l'ensemble de transmission de force peut être modifiée en agissant sur le moment du couple de freinage du frein hydrodynamique. Selon la publication citée plus haut, la modification du moment du couple de freinage est obtenue en changeant le niveau de rem- plissage du frein hydrodynamique. Cette méthode présente un inconvénient: il est relativement difficile de maintenir pré- cise une certaine vitesse de rotation, dont on a besoin, de l'ensemble de transmission de force, ou encore de passer de la vitesse de rotation, que l'on est en train d'utiliser, une autre. Le but de la présente invention est donc de perfectionner un frein hydrodynamique à pales obliques du type cité plus haut, de manière telle que l'effet de freinage puisse être réglé avec plus de précision que jusqu'à présent, et avec le moins possible d'hystérésis. Un autre but est, plus particulièrement, d'obtenir que les différentes vi- tesses du rotor puissent être stabilisées avec un minimum d' frais et que, en cas de besoin, on puisse passer le plus vite Dossible d'une vitesse à une autre. Ce but est atteint selon la présente invention, par un frein hydrodynamique du type précité princi- palement caractérisé en ce que dans l'une des deux roues à pales et plus précisément dans la partie du plan médian (nor- mal à l'axe) du frein, on a prévu l'installation d'une cou- ronne de pales supplémentaires, dites "pales directrices", chacune de ces pales directrices pouvant pivoter autour d'un axe radial, et en ce qu'un dispositif de réglage commun permet d'agir sur les dites pales directrices et de les maintenir soit dans une position de base dans laquelle les pales direc- trices ont sensiblement la même inclinaison que les pales fixes, quand on veut obtenir la puissance spécifique maximale, solt dans une position divergeant de la position de base, qui corresponde à une puissance spécifique inférieure.- En d'autres termes l'une des caractéristiques significatives de la pré- sente invention est une couronne de pales directrices mobiles qui permettent d'agir sur la poussée causée par le mouvement du liquide de freinage, surtout quand ce liquide passe du rotor au stator. Il est vrai que la construction de la présente invention est un peu plus compliquée, sur- le plan mécanique, que celle du frein hydrodynamique traditionnel sans pales directrices réglables. Mais il s'est avéré qu'en utilisant le frein hydrodynamique de la présente invention dans un ensemble de transmission de force du type décrit ci-dessus, on obtient des avantages considérables sur d'autres points. Le frein hydrodynamique de l'invention peut fonctionner en permanence ou presque avec un carter rempli àl00% de liquide. La commande compliquée qui était jusqu'à présent nécessaire pour régler les différents niveaux de remplissage est donc en général superflue. Bien entendu il faut malgré cela prévoir un circuit extérieur pour le liquide de freinage: en vue du refroidissement, du liquide arrive en permanence de l'extérieur dans la chambre de travail et en repart continuellment. Dans ce. circuit extérieur il faudra prévoir des dispositifs pour vider complètement le frein hyrodynamique dans le cas o la roue à pales du rotor tourne momentanément sans qu'un freinage soit demandé. i1 est cependant possible de prévoir aussi, en plus des pales réglables, un dispositif de commande supplémentaire pour régler les différents degrés de remplissage. A l'aide des pales directrices réglables relevant de l'invention, -on peut maintenir une vitesse de rctation précise du rotor avec une grande stabilité et une grande fiaDilité. Il s'est avéré en effet que les courbes caractéristiques en forme de parabole (couple ae rotation en fonction de la vitesse de rotation) qui résultent des différentes positions des pales directrices, se distinguent très nettement les unes des autres, c'est-à-dire que l'on obtient un champ de courbes caractéristiques stables, bien échelonnées et comportant peu d'hystérésis. On -a aussi constaté que le frein réagit bien plus rapidement à un changement de l'angle d'attaque des pales directrices qu'à une modification du niveau de remplissage, par exemple quand on veut régler le régime du rotor à une autre vitesse. En principe on peut installer les pales directrices réglables de la présente invention soit dans la roue du stator, soit dans celle du rotor. I1 est préférable cependant de disposer les pales directrices dans la roue du stator, car la construction en est plus simple. On peut, sans frais supplémentaires importants, élargir les possibilités de réglage des pales directrices de la présente invention en faisant en sorte que les pales directrices puissent prendre une position parallèle au plan médian normal à l'axe. Dans cette position, dite "d'inhibition" elles gênent le passage du liquide, du rotor au stator et inversement, avec une telle efficacité que- i5 l'effet de freinage en est considérablement réduit. Quand on veut obtenir, en vidant le carter, que l'effet de freinage se rapproche le plus possible de zéro, on se sert bien entendu tout particulièrement de ce procédé. Il est vrai qu'il existe déja un frein hydrodynamique à pales directrices réglables (fig.l du document DE-1575994). Toutefois l'axe de pivotement de ce mo- dèle est parallèle à l'axe de rotation, ce qui fait que cette construction ne peut être utilisée que lorsque les pales des deux roues à pales s'étendent parallèlement à l'axe de rota- tion. En ce cas cependant l'effet maximal de freinage est, comme on sait, très peu satifaisant. Aussi cette disposition déjà connue n'est-elle pas entrée dans l'usage courant. I1 en est de même pour la disposi- tion déjà connue par le documents DE-1750272. Dans ce modèle on peut faire pivoter toutes les pales de l'une des deux roues à pales de façon qu'elles abandonnent leur position normale, oblique, pour se mettre dans une position parallèle au plan normal à l'axe. Cela réduit uniquement. l'effet de freinage en état de repos. Il n'y est pas prévu de pouvoir régler l'ef- fet de freinage de manière continue pendant le fonctionnement normal du frein; un tel réglage ne serait d'ailleurs pas du tout efficace puisque comme il a été dit plus haut- toutes les pales de l'une des deux roues à pales, pivotent. De ce fait l'effet de freinage devient brusquement nul dès que les pales quittent leur position oblique normale. La fig.3 du document DE-621413 illustre un coupleur hydrodynamique comportant un noyau et une couronne de pales directrices réglables qui s'étendent suivant la direction radiale depuis le bord extérieur du profil de la chambre de travail jusqu'au noyau central. La roue qui porte ces pales directrices réglables peut tourner par rapport à son arbre lorsqu'un certain couple de rotation est dépassé. Lorsque la roue à pales tourne de cette manière par rapport à l'arbre, un dispositif de réglage intervient pour modifier la position normale des pales directrices (position aans laquelle ces pales sont parallèles aux pales faxe) ae telle sorte qu'elles interrompent partiellement ou entièrement la circulation du liquide. Cette disposition des pales a donc pour but une limitation automatique du couple de rotation transmissible. Les pales directrices ne peuvent pas être réglées en n'importe quelle autre - position intermédiaire, donc une vitesse de rotation déterminée ne peut pas être maintenue. Théoriquement on pourrait imaginer de prévoir des pales obliques et un noyau central, comme dans la fig.3 du document DE-621413. On obtiendrait pourtant, en gardant les mêmes dimensions extérieures, des valeurs trop peu satisfaisantes pour l'effet maximal de freinage. En outre la forme et l'échelonnement des courbes caractéristiques para- boliques (couple de rotation en fonction de la vitesse de rotation) seraient peu satisfaisantes. Si l'on compare ce type avec le frein hydrodynamique de la présente invention, ce der- nier peut donner des résultats bien meilleurs lorsque la cham- Dre de travail n'a pas de noyau central et lorsque les pales directrices pivotantes s'étendent suivant la direction radl- ale, au bord extérieur au bora intérieur du profil de la cham- bre. Suivant cette disposition, le frein de la présente inven- tion présente les caractéristiques suivantes à l'intérieur des intervalles entre les pales directrices, dans la partie radialement extérieure, le flux de liquide passe dans un sens, et dans la partie radialement intérieure il passe dans l'autre. D'autres avantages de la présente invention, ainsi que des caractéristiques secondaires, vont être expliqués à l'aide d'exemples de construction,en relation avec les figures des planches annexées, dans lesquelles: - la fig.1 illustre en coupe longitudinale un frein hydrodynamique de l'invention;- la représentation est très simplifiée et schématisée, - la fig.2 est une coupe longitudi- nale partielle correspondant à la fig.l, à plus grande échelle, - la fig. 3 est une coupe partielle suivant la flèche III de la fig.2, - la f ig.4 est une coupe partielle selon la ligne IV-IV de la fig.2, et - la f ig.5 est une coupe semblable à celle de la fig.4 d'une forme d'exécution un peu différente. Le frein hydrodynamique représenté à la fig.l possède une roue de rotor11 à pales et une roue de stator 12 à pales qui définissent ensemble une chambre de travail en forme de tore. La roue de rotor 11 est fixée de façon rigide sur un arbre 10 qu'il s'agit de freiner, lequel est installé de façon à pouvoir tourner dans un- carter de frein 9 qui lui-même est fixe. La roue de stator 12 forme une partie du carter 9. Les pales 13 et 14 des deux roues à pales Il et 12 sont fondues dans les corps des roues de sorze qu'elles se trouvent dans une position oblique par rapport à l'axe de rotation (cf la fig.4). La direction de la rotation dans laquelle le rotor peut être freiné est repérée par la lettre D. La coupe transversale du carter en forme de tore est ovale; l'axe longitudinal'de cet ovale est parallèle à l'axe de rotation. En d'autres termes: par rap- port aux freins hydrodynamiques connus dont le carter présente (si on réalise une coupe transversale) une forme circulaire, les roues à pales (de la présente invention) sont un peu écar- tées l'une de l'autre de façon à permettre d'installer entre elles une couronne de pales directrices réglables 15. Une autre possibilité est aussi de prévoir de telles pales directrices tout en gardant un carter dont la coupe transversale aurait la forme circulaire. Les pales-directrices 15 sont mon- tées dans la roue à pales du stator de façon à pouvoir pivoter autour d'axes radiaux. Pour cela chaque pale directrice pos- sède, comme le montre la fig.2, un pivot 16 de palier interne et un pivot 17 de palier externe. Ce dernier dépasse la paroi extérieure de la roue à pales du stator 12 et porte à cet en- droit un pignon 18 (ou un dispositif commande ou quelque chose de semblable). Une couronne dentée 19 coaxiale à l'axe du frein engrène avec tous les pignons 18, de telle sorte qu'en modifiant la position de la couronne dentée 19 on peut changer simultanément l'orientation de toutes les pales directrices 15. Dans une variante de disposition par rapport à la fig.2, les pignons 18 et la couronne dentée 19 peuvent se présenter sous forme de roues dentées coniques. -dans la fig.2 il manque le carter 9 et l'arbre 10 sur lequel est montée la roue à pales du rotor. Sur la fig.4, les pales directrices sont dessinées en lignes continues dans leur position de base initiale. Elles se trouvent alors dans une position substanciellement parallèle aux pales obliques 13 (de la roue de rotor 11) et 14 (de la roue de stator 12). Quand les pales directrices 15 sont dans cette position, on peut obtenir l'effet maximal de freinage. D'ailleurs les pales directrices sont disposées en général -comme le montre le dessin- de telle sorte qu'elles sont alignées, dans leur position de base avec les pales du stator 14. Dans ce cas les pales directrices dans leur position de base constituent substanciellement un prolongement des pales du stator 14. Si l'on veut réduire l'effet de freinage pour permettre une plus grande vitesse de rotation de l'arbre 10, on fera pivoter les pales directrices 15 -comme c'est le cas dans la fig. 4- dans le sens des aiguilles d'une montre, jusqu'à ce qu'elles se trouvent, par exemple, parallèles à l'axe de rotation. Cette position est illustrée sur la fig.4 au moyen de traits mixtes, et est désignée par la référence 15'. C'est dans cette même position que sont représentées les pales-directrices 15, à la fig.2. En cas de besoin les pales directrices 15'-on le voit encore sur la fig.4peuvent pivoter encore d'avantage dans le sens des aiguilles d'une montre jusqu'à se placer finalement dans la position dite "d'inhibition", qui dans la fig.4 est référencée par 15". Dans ce cas toutes les pales se trouvent dans un seul et même plan, parallèle au plan médian perpendiculaire à l'axe du frein hydrodynamique. Sur la fig.3, qui est une vue des pales directrices 15 selon la direction de l'axe, on peut s- rendre compte que les pales directrices, lorsqu'elles sont en position d'inhibition, recouvrent toute la chambre de tra- vail -mises à part quelques petites fentes. Ainsi le flux nor- mal, en forme de tore, du liquide (ou bien de l'air lorsque le frein est vide) est interrompu. Pour que cet effet se pro- duise de la manière la plus complète possible, chaque pale directrice 15 est plus large près du bord extérieur du profil de la chambre, que près du bord intérieur (la dimension m est supérieure à la dimension n). Dans ce contexte il est préférable que les pales directrices 15 soient asymètriques. Cela veut dire que si, en partant de l'axe de pivotement, on les regarde dans leur position de base, la largeur a de la partie de pale qui est tournée vers les pales de rotor 13 est plus petite que la largeur b de la partie de pale tournée vers les pales de stator 14. Par ce moyen on réussit à réduire considérable- ment la force nécessaire pour régler les pales directrices ou pour les maintenir dans une position précise et stable. En utilisant des pales symétriques on aurait besoin d'une force bien supérieure. La fig.2 permet de voir particuliè- rement que les bords 13a et 14a des pales du rotor 13 et des pales du stator 14 se trouvent dans une position oblique par rapport à la direction radiale. Ils suivent donc la surface dévelopée d'un cône imaginaire. De cette façon les pales 13 et 14 s'adaptent aux dimensions différentes (m) et (n) des pales directrices 15. La partie de la chambre de travail -vue en coupe transversale- qui est occupée par les pales du rotor 13 à très approximativement une forme de demi-arbre. Il en est de même -toujours en coupe transversale- pour la partie de la chambre qu'occupent les pales du stator 14. - Enfin, la fig.4 illustres des traits distinctifs suivants qui sont préférables (mais non indispen- sables à la présente invention): la distance entre deux pales du rotor 13 est égale à la distance entre deux pales du stator 14. Le nombre de pales du rotor 13 est donc égal au nombre de pales du stator 14. cela est valable aussi pour l'exemple d'exécution de la fig.5. Dans ce dessinn il manque la roue de rotor 11. Sur la fig.4, le nombre des pales directrices est égal au nombre des pales du stator 14. Sur la fig.5, par contre, le nombre des pales directrices 25 ne représente que les deux tiers du nombre des pales du stator 14. La lar- geur L des pales directrices 25 est proportionnellement plus importante de manière à ce qu'elles puissent à leur tour (com- me dans le cas de la fig.3) recouvrir la totalité de la cnam- bre de travail. Sur la fig.5, les pales directrices 25 sont représetées en lignes continues pour la position d'inhibition, et en traits mixtes pour la position de base dans laquelle elles se trouvent situées parallèlement aux pales du stator 14. Sur la fig.5 les pales directrices 25 ont pivoté dans le sens contraire à celui des aiguilles d'une montre, en passant de la position de base à la position d'inhibition. On peut l'exprimer d'une façon plus générale : les pales directrices ont pivoté selon le chemin le plus court (direction k) pour aller de la position de base à la position d'inhibition. On peut utiliser cette possibilité lorsqu'on a besoin de réduire au minimum et le plus vite possible l'effet de freinage. On préférera l'autre sens de pivotage i qui utilise un chemin plus long (cf. fig.4) quand on veut régler et maintenir très stable une vitesse de rotation très précise. Pour cela les pales directrices 15 sont maintenues dans une position intermédiaire quelconque, par exemple dans la position 15'. Sur la fig.5 une pale directrice sur deux se trouve alignée, dans sa position de base, avec l'une des pales du stator 14; cela peut d'ailleurs être modi- fié. Sur les fig.4 et 5, les deux bords de chaque pale directrice 15 et 25 sont aiguisés de façon à peu près symètrique. Il est d'ailleurs possible aussi de n'ai- guiser qu'un seul bord de pale, d'effectuer donc une taille asymétrique. C'est le cas, comme déja connu, pour les pales de rozcr i3 et les pales de stator 14. En modifiant la construction présen- tée dans les fig.4 et 5, il peut être suffisant de n'aiguiser seulement que le bord de chaque pale directrice 15 qui est tourné vers la roue de rotor 11 et de laisser non-aiguisé l'autre bord tourné vers la roue de stator. La fig.2 esquisse une autre varian- te. Le bord de la pale 15a qui se trouve du côté de la roue de rotor iL est aiguisé seulement dans sa partie radialement extérieure. Par contre le bord de la pale qui est tourné vers les pales du stator 14 n'est aiguisé que dans sa partie radia- lement intérieure. En d'autres termes: pour chaque pale directrice ne sont aiguisées que les parties des bords des pales 15a et 15b qui s'opposent à la direction du flux (cf. flèches P) au cours du travail de freinage. ii A E V E N D I C A T I O N S REVENDICATION$ 1.- Frein hydrodynamique du type dans lequel a) une roue de rotor à pales et une roue de stator à pales forment ensemble une chambre de travail en forme de tore, b) chacune des dites roues à pales possède une couronne de pales fixes substanciellement planes solidaires de la roue à pales, et disposées -pour augmen- ter l'effet de freinage- en position oblique par rapport à l'axe de rotation; c) le frein est équipé d'un disposi- tif permettant ae régler l'effet de freinage, caractérisé: en ce que d) dans l'une des cdeux roues à pales (11, 12) et plus précisément dans la partie du plan médian (normal à l'axe) du frein, on a prévu l'installation d'une couronne de pales supplémentaires (15), dites "pales direc- trices", chacune ae ces pales directrices pouvant pivoter autour d'un axe radial, e) un dispositif de réglage commun permet d'agir sur les dites pales directrices (15) et de les maintenir, (fig.4) ea) soit dans une position de base dans laquelle les pales directrices (15) ont sensiblement la même inclinaison que les pales fixes (13,14) quand on veut obtenir la puissance spécifique maximale, eb) soit dans une position (par exe- mple 15') divergeant de la position de base, qui corres- ponde à une puissance spécifique inférieure; 2.- Frein hydroaynamique selon la revendication 1, caracte- risé: en ce que les pales directrices (15) sont support-es par, et disposées dans, la roue à pales du stator (12); 3.- Frein hydrodynamique selon l'une quelconque des revendica- tions 1 et 2, caractérisé: en ce que le dispositif de réglage peut maintenir les pales directrices dans une position dite d'inhibition (15") lorsque le frein ne fonctionne pas, position dans laquelle les pales directrices sont substanciellement parallèles au plan médian perpendicu- laire à l'axe; 4.- Frein hydrodynamique selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 3, caractérisé par l'absence de noyau central dans le carter, et par la disposition des pales direc- trices pivotantes (15) qui s'étendent selon la direction radiale depuis le bord extérieur jusqu'au bord intérieur du profil du carter; 5.- Frein hydrodynamique selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 4, caractérisé: en ce que la largeur m des pales directrices (15) (prise dans le sens du flux) au bord ex- térieur du profil du carter est plus grande que leur lar- geur n prise au bord intérieur, de telle sorte que les pales directrices, quand elles sont en position d'inhibi- tion arrivent à séparer le plus possible les deux moitiés du carter (fig. 3); 6.- Frein hydrodynamique selon la revendication 5, caracté- risé: en ce que les. bords (13a et 14a) des pales (13 et 14) appartenant aux deux roues à pales se trouvent face à face pour correspondre à la forme sen- siblement trapèzoidale des pales directrices (15), les dits bords se trouvant obliques par rapport à la direction radiale, (c'est-à-dire que les bords des pales (13 et 14a) de chacune des roues à pales se trouvent enveloppés par la surface d'un cône imaginaire (fig.2)); 7.- Frein hydrodynamique selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 6, caractérisé: en ce que, suivant une coupe transver- sale de la chambre de travail de forme torique, le profil de ladite chambre est ovale d'axe longitudinal substancieile- ment parallèle à l'axe de rotation; 8.- Frein nydrodynamique selon l'une quelconque des revendi- cations 1 à 6, caractérisé: en ce que, suivant une coupe transver- sale de la cnambre de travail de forme torique on obtient -comme connu en soi- un profil substanciellement circu- laire; 9.- Frein hydrodynamique selon l'une quelconque des revendi- cations i à 8, caractérisé: en ce que le nombre des pales direc- trices (15) est égal au nombre des pales (respectivement 13 et 14) de l'une des deux roues à pales (11,12)(fig.4,; 10.- Frein hydrodynamique selon l'une quelconque des revendi- cations 1 à 8, caractérisé: en ce que le nombre des pales direc- trices (25) est inférieur au nombre des-pales (14) de l'une des roues à pales (fig.5); 11.- Frein hydrodynamique selon la revendication 10, caract- risé: en ce que le nombre des pales direc- trices (25) est égal aux tiers du nombre des pales (i4} de l'une des roues à pales (12); 12.- Frein hydrodynamique selon l'une quelconque des revendi- cations précédentes, caractérisé: - en ce que chaque pale directrice (15) est constituée d'une plaque d'épaisseur essentiel- lement constante; 13.- Frein hydrodynamique selon l'une des revendications 1 à 12, caractérisé: en ce qu'au moins les parties des bords (i5a, 15b) des pales directrices (15) qui font front au flux de liquide arrivant, sont aiguisées; 14.- Frein hydrodynamique selon l'une quelconque des revendi- cations 2 à 12, caractérisé: en ce que le bord de chaque pale directrice en regard de la roue de rotor, est aiguisé; 15.- Frein hydrodynamique selon l'une quelconque des revend:- cations 2 à 14, caractérisé: en ce que, mesurée parallèlement à la direction du flux, depuis l'axe de pivotement, la dimension (a) de la partie des pales directrices en re- gard des pales du rotor(13) est plus faible que la dimen- sion (b) de l'autre partie des pales directrices faisant face au stator.