Brevet FR2659574A1 — publié le 19910920

La présente invention concerne un générateur de vibrations ou vibrateur du type à masses tournantes excentrées, dont les paramètres sont facilement réglables aussi bien à l'arrêt qu'en marche. Les vibrateurs sont industriellement très utilisés notamment pour le travail de produits visqueux, pulvérulents ou granuleux. On les rencontre en particulier dans l'industrie du béton. Fondamentalement, un vibrateur du type à balourd appliqué à un corps de masse M est constitué d'une masse m formant balourd qui décrit autour d'un axe un rayon de giration R à la vitesse w. Le corps M est alors soumis à une force centrifuge F qui a pour valeur F = mRw2. Si l'on suppose ce corps de masse M idéalement isolé dans l'espace, la loi de conservation du mouvement permet de conclure que la masse M entre en rotation autour du centre de gravité du système isolé, selon un rayon de giration r, tel que : r R. m M En théorie, un tel ensemble vibrant est caractérisé par trois grandeurs : - sa force centrifuge, - sa fréquence de vibration, qui correspond numériquement au nombre de tours par unité de temps, - son amplitude de vibration, numériquement égale à la longueur 2r. On sait aujourd'hui agir sur la valeur R. Mais ceci uniquement lorsque le vibrateur est à l'arret. Pour ce faire, on sait réaliser des vibrateurs à plusieurs masses élémentaires que l'on peut déphaser angulairement les unes par rapport aux autres, ceci manuellement, la valeur résultante R se composant alors géométriquement sur les valeurs élémentaires de chacune des masses. On sait également agir sur la valeur m par adjonction ou retrait de masses. Ceci se fait là encore à l'arrêt et nécessite, comme le réglage manuel de R, des travaux relativement longs, compte tenu de l'exiguïté et de la difficulté habituelle d'accès à la partie interne des vibrateurs. Enfin, l'action de réglage de la force centrifuge par variation de la vitesse de rotation des masses, se répand de plus en plus grâce à la qualité des variateurs de vitesse actuellement disponibles, ce réglage s'effectuant indifféremment à l'arrêt ou lors du fonctionnement des vibrateurs. Mais dans la réalité tous ces réglages s'avèrent imparfaits. Les réglages à l'arrêt sur les masses élémentaires sont fastidieux et nécessitent donc d'interrompre momentanément le fonctionnement des vibrateurs. Ils obligent de plus l'opérateur à démonter les carters de protection et à effectuer des interventions malaisées dans des endroits exigus. Quant aux réglages par variation des vitesses de rotation des vibrateurs, ils impliquent un effet tant sur la fréquence de vibration que sur les forces centrifuges engendrées, alors que l'on observe en fait des effets distincts intrinsèquement liés à chacun de ces deux paramètres. Par ailleurs, il est à noter que les vibrateurs actuels sont affectés de leurs propres caractéristiques parasites ; par exemple une inertie dynamique qui se traduit par une importante consommation d'énergie lors des mises en vitesse et des arrêts indispensables à chaque cycle de fabrication. En effet, comme on ne sait pas aujourd'hui, lorsque le vibrateur fonctionne et que ses balourds tournent à vitesse de rotation constante, régler ou faire varier automatiquement (et encore moins annuler) la force centrifuge résultante, on arrête ou on enclenche le fonctionnement des vibrateurs, suivant que l'on veut supprimer ou appliquer les vibrations. Compte tenu de ce mode de fonctionnement, il apparaît que des vibrations parasites subsistent, même lorsque les masses tournantes sont calées pour ne générer aucune vibration. Apparemment, ceci serait dû aux déséquilibres dynamiques inhérents à ces vibrateurs. Le vibrateur de l'invention, lequel peut être appliqué à un dispositif de commande prévu pour communiquer à une pièce des vibrations d'amplitude et/ou de fréquence variables, permet de remédier aux inconvénients sus-mentionnés. Plus précisément, le vibrateur de l'invention se caractérise en ce qu'il comprend - un premier et un second arbres disposés sensiblement coaxialement et montés glissants en rotation l'un par rapport à l'autre autour de leur axe, - des moyens d'entraînement en rotation desdits arbres indépendamment l'un de l'autre, ces moyens d'entraînement étant propres à faire varier la position angulaire relative de ces arbres par variation de leurs vitesses de rotation relatives, - et des première(s) et seconde(s) masses pesantes entraînées en rotation respectivement par les premier et second arbres en étant décalées le long de l'axe de ces derniers, lesdites première(s) et seconde(s) masses formant balourd pour engendrer des vibrations dans une direction sensiblement perpendiculaire à l'axe des arbres. De préférence, les moyens d'entraînement précités des deux arbres, lorsqu'ils entraîneront ces derniers avec des vitesses de rotation relatives différentes, et par décalage angulaire relatif des masses, seront propres à faire varier la distance radiale entre l'axe des arbres et le point d'application de la force centrifuge résultante issue de la combinaison géométrique des forces centrifuges élémentaires engendrées par chacune des masses pesantes dans son mouvement de rotation. Comme mentionné ci-avant, l'invention se rapporte également à l'application d'un tel vibrateur à un dispositif de commande prévu pour communiquer à une pièce des vibrations d'amplitude variable, ce dispositif comprenant, outre ledit vibrateur - une unité motrice d'entraînement en rotation propre à délivrer plusieurs vitesses de rotation différentes, - un premier arbre de transmission en prise sur l'unité motrice pour être entraîné en rotation par cette dernière, - un deuxième arbre de transmission d'axe sensiblement parallèle à celui dudit premier arbre de transmission et entraîné en rotation par ce dernier, via une unité de liaison et de positionnement angulaire relatif desdits deux arbres de transmission l'un par rapport à l'autre, - des troisième et quatrième arbres de transmission d'axe parallèle à celui dudit premier arbre de transmission, - des premier et deuxième moyens de transmission non glissante de même rapport pour transmettre le mouvement de rotation desdits premier et deuxième arbre de transmission vers respectivement les troisième et quatrième arbres de transmission, - des troisième et quatrième moyens de transmission non glissante de même rapport pour transmettre le mouvement de rotation desdits troisième et quatrième arbre de transmission vers lesdits premier et deuxième arbre de vibrateur, formant ainsi moyens d'entraînement de ces derniers, - et des moyens de liaison entre le vibrateur et la pièce à faire vibrer, cesdits moyens étant sensibles aux vibrations engendrées par le vibrateur pour les transmettre à ladite pièce. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront encore de la description qui va suivre faite en référence aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1 est une vue schématique longitudinale médiane d'une forme possible de réalisation d'un vibrateur conforme à l'invention, - la figure 2 est un schéma illustrant le principe de fonctionnement avantageux du vibrateur de l'invention, - la figure 3 est une vue en coupe longitudinale du dispositif d'alimentation auquel peut être appliqué le vibrateur de l'invention, cette vue ayant pour objet de montrer l'enchaînement de la transmission de la commande, ceci au moyen de plusieurs coupes faites dans des plans différents, - la figure 4 est une vue de dessus montrant la disposition réelle des moyens essentiels du dispositif de commande illustré sur la figure 3, - la figure 5 est une vue essentiellement en coupe transversale médiane de l'unité de liaison et de positionnement angulaire utilisé dans le dispositif de commande des figures 3 et 4, - et la figure 6 est une vue schématique en coupe médiane de l'unité de suspension qui permet de transmettre les vibrations du vibrateur vers la pièce à faire vibrer. Sur la figure 1 tout d'abord, on voit donc illustré un mode possible de réalisation d'un vibrateur conforme à l'invention, repéré dans son ensemble 1. Ce vibrateur est constitué autour d'un premier arbre 2 présentant à l'une de ses extrémités une partie creuse 4 formant étrier dans lequel vient s'engager un prolongement 6 d'un second arbre 8. Les deux arbres 2 et 8 qui sont montés tournants l'un par rapport à l'autre, via des bagues 10, sont disposés coaxialement, dans l'axe 29 et portent chacun des masses élémentaires formant balourd 12, 14, 18. Plus précisément, sur l'arbre 2 est tout d'abord fixée une masselotte principale 12, tandis qu'une masselotte 14 est fixée à l'arbre 8, cette masselotte secondaire 14 entraînant en rotation et par l'intermédiaire d'une pièce de liaison, telle qu'un maneton 16, une deuxième masselotte secondaire 18 montée folle autour du premier arbre 2, via une bague 20. Les deux masselottes secondaires 14 et 18 ont le même calage angulaire. Suivant le type de vibrations désiré, le décalage angulaire entre la masselotte principale 12 d'une part et les masselottes secondaires 14 et 18 d'autre part, pourra dans la pratique varier entre 0 et 1800. On remarquera que, par souci d'équilibrage statique et dynamique, la masselotte 12 occupera de préférence une position centrale sur les arbres tant par rapport aux deux masselottes secondaires 14 et 18 entre lesquelles elle est disposée (1 sensiblement égale à 1', cf. figure 1), que par rapport à la longueur d'ensemble des deux arbres coaxiaux en partie médiane desquels elle est montée (1 sensiblement égale à 12 cf. figure 1), le tout tournant dans des roulements 22, à l'intérieur d'un boîtier 24. En outre, la somme des masses des masselottes secondaires 14 et 18 sera de préférence égale à celle de la masselotte principale 12. Pour son entraînement en rotation, chacun des deux arbres 2, 8 est équipé vers son extrémité distale 2a, 8a d'une roue dentée 25 ou 26 qui coopère avec un moyen d'entraînement sans glissement tel qu'une poulie crantée 27 ou 28. Sur la figure 2, on a représenté schématiquement, en quelque sorte en vue de côté, la masselotte principale 12 et l'une des masselottes secondaires telle que 18, l'ensemble tournant autour du point O qui matérialise l'axe 29 de rotation des arbres 2 et 8, la distance R matérialisant la distance radiale entre l'axe 29 (point O) et le point A d'application de la force centrifuge résultante F issue de la combinaison géométrique des forces centrifuges élémentaires engendrées par chacune des masselottes dans leur mouvement de rotation. On remarquera que bien entendu le point A est situé sur la droite qui relie les centres de gravité C1 et C2 de la masselotte principale 12 et des masselottes secondaires 14 et 18, respectivement. Enfin, sur cette figure 2, l'angle a représente le décalage angulaire entre la masselotte principale 12 et les masselottes secondaires 14 et 18. On reviendra encore sur cette figure 2 lors de l'explication du fonctionnement du vibrateur en relation avec les figures 3 et 4 sur lesquelles on voit donc illustré un dispositif de commande 30 conforme à l'invention prévu pour communiquer à une pièce 32 (figure 3) des vibrations d'amplitude et/ou de fréquence variables engendrées de préférence par une ou plusieurs paires de vibrateurs 1 tels que celui illustré sur la figure 1 et que l'on vient de décrire. Une étude comparée des figures 3 et 4 permet de constater que le dispositif de commande 30 de l'invention comprend, en tant que source motrice, un moteur électrique 34 susceptible d'entraîner en rotation, à vitesse variable, un premier arbre de transmission 36 lequel commande un deuxième arbre coaxial 38 de transmission, via une unité de liaison et de positionnement angulaire 40 destinée à régler le positionnement angulaire relatif des deux arbres 36, 38. On reviendra plus en détail sur l'unité 40, en relation avec la figure 5. Sur le premier arbre de transmission 36, est clavetée une première poulie motrice d'allonge 42 permettant d'entraîner sans glissement un troisième arbre de transmission 44, via une poulie crantée 46. Une autre poulie crantée 48, de même rapport que la poulie 46, et en prise sur le deuxième arbre de transmission 38 assure l'entraînement en rotation d'un quatrième arbre de transmission 50 disposé, comme le troisième arbre 44, parallèlement à l'axe commun de rotation des premier et deuxième arbres 36, 38. De façon classique, tous ces arbres sont arrêtés par des paliers (tels que 52 pour le troisième arbre 44) en prise sur des épaulements, le blocage en translation étant obtenu par rondelles, entretoises et vis (non repérés). En fin de circuit, les troisième et quatrième arbres 44, 50 transmettent chacun leur mouvement de rotation à l'un des deux arbres 2, 8 de chaque vibrateur 1, via respectivement les poulies de transmission sans glissement 27 et 28 (déjà repérées sur la figure 1), ceci pour chaque vibrateur. Bien entendu, les rapports d'entraînement obtenus via ces courroies crantées 27, 28 seront identiques, de telle sorte qu'en fonctionnement normal (c'est-à-dire hormis éventuellement pendant de courts intervalles de temps pendant lesquels s'effetuera le décalage angulaire des arbres 2, 8 des vibrateurs), la vitesse de rotation de l'ensemble des arbres du dispositif sera la même. Sur la figure 4, on remarquera encore que des tendeurs de courroies 54, 54' ont été prévus pour assurer la meilleure tension aux courroies 27, 28. Intéressons nous maintenant également à la figure 5 pour voir représenté en vue agrandie un schéma de principe de l'unité 40 de liaison et de positionnement angulaire relatif, entre 0 et 180", des deux premiers arbres de transmission coaxiaux 36 et 38. Comme on l'a compris, l'unité 40 est donc destinée à régler la position angulaire relative des deux arbres en question. A cet effet, le premier arbre 36 porte un clavetage glissant classique 56 reporté sur la douille formant fourreau 58 qui comporte des rainures hélicoïdales longitudinales schématisées par leurs traces 60 (figure 5) dans lesquelles glisse un clavetage transversal, tel qu'une goupille 62, à doigts d'extrémités en saillie 64 s'étendant sensiblement perpendiculairement à l'axe 37 commun de rotation des deux arbres 36, 38. La goupille 62 est solidaire de l'arbre 38. Une jacquette 66 ferme le tout et permet le montage du clavetage transversal. Le fourreau 58, et par conséquent ses deux clavetages, peuvent être entraînés en translation parallèlement à l'axe 37 par la bague 68 dans laquelle un roulement rigide à billes est arrêté sur le fourreau. Une manoeuvre à vis, via une tige de commande 72, permet de déplacer le fourreau 58 en translation, par l'intermédiaire de la liaison tournante 68, les arbres 36 et 38 étant bien entendu arrêtés en translation dans leur axe 37 par des paliers (non repérés). Bien entendu, il pourrait être envisagé pour relier entre-eux avec un possible décalage angulaire les premier et deuxième arbres de transmission 36, 38, d'utiliser une unité 40 d'un autre type que celui présenté ci-dessus. Il en existe d'ailleurs dans le commerce. A ce sujet, on notera par exemple que, comme illustré plus précisément sur la figure 3, le fourreau 58 de calage angulaire pourrait être entraîné en translation dans l'axe 37, via la bague 68, par un plateau d'entraînement 74 assujetti à la tige mobile d'un vérin repéré dans son ensemble 76. On pourrait également envisager de fixer de façon prédéterminée plusieurs positions angulaires, par exemple en couplant au plateau 74 un système de butées telles que 78, à positions prédéterminées. Ainsi, le positionnement angulaire des deux arbres 36, 38 pourrait être obtenu aussi précisément que rapidement. Intéressons nous maintenant plus en détail aux figures 3 et 6 pour voir illustrée l'unité de liaison et d'amortissement 80 permettant de transmettre les vibrations engendrées par les vibrateurs 1 sensiblement perpendiculairement à l'axe 29 de rotation de leurs arbres, vers les chevalets 82 formant tables vibrantes sur lesquelles vient reposer horizontalementun bac tel que 32 pouvant par exemple contenir du béton à tasser. Comme on le voit plus clairement sur la figure 6, le chevalet 82 se présente en l'espèce sous la forme d'une poutrelle en "I" comprenant une aile de tête 82a et une aile de pied 82b reliées entre-elles par une âme. L'aile de pied 82b est montée élastiquement entre des patins d'amortissement 86 en matière élastique assujettis à une partie fixe 88 formant bride de réaction du châssis, et un boudin 90 en matière élastiquement déformable définissant une chambre intérieure 92 pressurisable en communication par un canal 94 avec des moyens de pressurisation 96 (figure 3) susceptibles de faire varier la pression dans ladite chambre. On va maintenant décrire rapidement le fonctionnement d'ensemble du dispositif de commande décrit ciavant. Un couple moteur est tout d'abord appliqué sur l'arbre d'entrée 36. Les arbres successifs 38, 44, 50 transmettent le mouvement vers les deux arbres 2, 8 de chaque vibrateur. La vitesse d'entraînement est éventuellement modifiée si le rapport résultant des deux étages de transmission successifs (46-28 ; 48-27) est différent de 1, ce qui sera généralement le cas en pratique. Lorsqu'aucune commande en décalage angulaire n'est effectuée au niveau de l'unité 40, les arbres 36 et 38 tournent à la même vitesse. Il en va de même pour les autres arbres, les rapports de transmission étant rigoureusement identiques deux à deux. Une vibration d'une fréquence et d'une amplitude déterminées est donc alors appliquée à la pièce 32. Une action sur la pièce de manoeuvre de l'unité 40 déplace le fourreau 58 et par conséquent change (dans la gamme de 0 à 1800)le calage angulaire des arbres 36, 38 et par voie de conséquence celui des arbres coaxiaux 2 et 8 de chaque vibrateur 1. Dans ce cas, les premier et troisième arbres de transmission 36, 44 ainsi que le deuxième arbre 8 de chaque vibrateur, tournent à la vitesse imprimée par le moteur, tandis que momentanément la vitesse des deuxième et quatrième arbres de transmission 38, 50, de même que celle du premier arbre 2 de chaque vibrateur est modifiée, par déplacement du fourreau 58. L'arbre 38 entre donc en rotation relative par rapport à l'arbre 36 pendant que le clavetage hélicoïdal glisse dans le fourreau, les arbres 50 et 2 subissant également un décalage angulaire proportionnel aux rapports de transmission. Ce décalage angulaire des arbres 2, 8 des vibrateurs avec variation momentanément de leurs vitesses de rotation relative va donc influer sur la position relative des centres de gravité C1 et C2 des masses 12 ; 14, 18 respectivement (voir figure 2) et va par suite permettre de faire varier la distance radiale R entre l'axe 29 des arbres 2, 8 de chaque vibrateur et le point A d'application de la force centrifuge résultante F , induisant par lâ même une modification de l'amplitude des vibrations engendrées, la fréquence pouvant être réglée par ailleurs, par tout variateur de fréquence approprié. Pour agir sur les vibrations transmises à la pièce 32, on pourra en outre modifier la précontrainte des plots élastiques 86 et faire varier la pression intérieure dans les boudins 90, influençant ainsi l'amortissement des chevalets 82. REVENDICATIONS 1. Vibrateur caractérisé en ce qu'il comprend - un premier (2) et un second (8) arbres disposés sensiblement coaxialement et montés glissants en rotation l'un par rapport à l'autre autour de leur axe (29), - des moyens (27, 28) d'entraînement en rotation desdits arbres, indépendamment l'un de l'autre, - et des premières (12, 18) et secondes (14) masses pesantes entraînées en rotation respectivement par les premier et second arbres en étant décalées le long de l'axe de ces derniers, lesdites premières et secondes masses formant balourd pour générer des vibrations dans une direction sensiblement perpendiculaire à l'axe des arbres. 2. Vibrateur selon la revendication 1 caractérisé en ce que les moyens d'entraînement (27, 28) des deux arbres (2, 8), lorsqu'ils entraînent ces derniers avec des vitesses de rotation relatives différentes, et par décalage angulaire relatif desdites premières et secondes masses pesantes (12, 14, 18), sont propres à faire varier la distance radiale (R) entre l'axe (29) de rotation des arbres (2, 8) et le point (A) d'application de la force centrifuge résulante (F) issue de la combinaison géométrique des forces centrifuges élémentaires engendrées par chacune des masses pesantes dans son mouvement de rotation. 3. Vibrateur selon la revendication 1 ou la revendication 2 caractérisé en ce que les premières masses pesantes (12,18) comprennent une première masselotte à balourd (12) montée fixement autour du premier arbre (2) et une seconde masselotte à balourd (18) montée libre de rotation autour de ce même premier arbre, d'un côté de la première masselotte (12), une troisième masselotte à balourd (14) constituant lesdites secondes masses pesantes, étant montée fixement autour du second arbre (8), du côté opposé à ladite première masselotte (12), et étant reliée à ladite seconde masselote (18) par un maneton (16) de liaison. 4. Vibrateur selon la revendication 3 caractérisé en que la distance, dans une direction parallèle à l'axe (29) des arbres (2, 8), entre les première (12) et seconde (14) masselottes est sensiblement égale à la distance séparant les première (12) et troisième (18) masselottes, la première masselotte (12) étant en outre disposée sensiblement à égale distance des extrémités distales des deux arbres (2, 8). 5. Vibrateur selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le premier arbre (2) vient localement entouré, dans l'axe des arbres, une partie dudit second arbre (8), de façon à favoriser le guidage relatif en rotation des deux arbres. 6. Application du vibrateur selon l'une quelconque des revendications précédentes à un dispositif (30) de commande prévu pour communiquer à une pièce (32) des vibrations d'amplitude variable, ce dispositif comprenant, outre ledit vibrateur (1) - une unité motrice (34) d'entraînement en rotation propre à délivrer plusieurs vitesses de rotation différentes, - un premier arbre de transmission (36) en prise sur l'unité motrice (34) pour être entraîné en rotation par cette dernière, - un deuxième arbre de transmission (38) d'axe (37) sensiblement parallèle au premier arbre de transmission et entraîné en rotation par ce dernier par l'intermédiaire d'une unité (40) de liaison et de positionnement angulaire relatif desdits deux arbres de transmission (36, 38) l'un par rapport à l'autre, - des troisième (44) et quatrième (50) arbres de transmission d'axe sensiblement parallèle à celui dudit premier arbre de transmission (36), - des premier (46) et deuxième (48) moyens de transmission non glissante de même rapport, pour transmettre le mouvement de rotation desdits premier et deuxième arbres de transmission (36, 38) vers respectivement les troisième et quatrième arbres de transmission (44, 50), - des troisième (28) et quatrième (27) moyens de transmission non glissante de même rapport pour transmettre le mouvement de rotation desdits troisième (44) et quatrième (50) arbres de transmission vers lesdits premier (2) et deuxième (8) arbres du vibrateur (1), formant ainsi les moyens d'entraînement de ces derniers, - et des moyens de liaison (80) entre le vibrateur (1) et la pièce (32) à faire vibrer, ces moyens étant sensibles aux vibrations engendrées par le vibrateur pour les transmettre à ladite pièce. 7. Application selon la revendication 6 caractérisée en ce que l'unité (40) de liaison et de positionnement angulaire relatif des premier (36) et deuxième (38) arbres de transmission comprend un clavetage glissant (56) en prise sur le premier arbre de transmission (36) et fixé sur une douille (58) pourvue de rainures hélicoïdales (60) d'axe d'hélicoïde(s) sensiblement parallèle à celui des arbres (36, 38) et dans lesquelles peuvent glisser des doigts (64) d'entraînement fixés sur ledit deuxième arbre de transmission (38), des moyens (72, 74, 76) de commande en déplacement ou de maintien en position des doigts d'entraînement (64) à l'intérieur desdites rainures hélicoïdales étant prévues pour définir le positionnement angulaire relatif desdits arbres (36, 38). 8. Application selon la revendication 6 ou la revendication 7 caractérisée en ce que l'unité (40) de liaison et de positionnement angulaire relatif desdits premier et deuxième arbres de transmission (36, 38) autorise un positionnement angulaire relatif desdits arbres sur une plage angulaire comprise entre 0 et 180". 9. Application selon l'une quelconque des revendications 6 à 8 caractérisée en ce que les moyens de liaison (80) entre le vibrateur (1) et la pièce (32) à faire vibrer comprennent - un châssis fixe (84, 88), - une table vibrante (82) montée mobile en translation sur ledit châssis dans une direction sensiblement perpendiculaire à l'axe des arbres (2, 8) du vibrateur (1), cette table vibrante comprenant une tête (82a) propre à supporter ladite pièce (32) à faire vibrer et un pied (82b) disposé entre deux unités opposées d'amortissement (86, 90) fixées au châssis, propres à amortir le déplacement en translation dans un sens et dans l'autre de la table vibrante. 10. Application selon la revendication 9 caractérisée en ce que l'une des unités d'amortissement (90) se présente sous la forme d'un boudin en matière élastiquement déformable définissant une chambre intérieure (92) pressurisable en communication avec des moyens de pressurisation (96) propres à faire varier la pression à l'intérieur dudit boudin.