Brevet FR2668805A1 — publié le 19920507

Rotule d'accouplement de ligne d'arbre rotatif L'invention se rapporte à une rotule d'accouplement de deux sections consécutives d'une ligne d'arbre, permettant une angulation entre les axes de ces sections d'arbre tout en assurant la transmission d'un couple de rotation, cette rotule étant capable de reprendre un effort axial de compression. Les dispositifs actuellement utilisés pour assurer ce genre de liaison entre sections d'arbre sont des systèmes mécaniques plus ou moins complexes du type à joint de cardan ou à denture, faisant intervenir des appuis métal contre métal ou mettant parfois en oeuvre des éléments en élastomère. Ces dispositifs ne donnent pas entière satisfaction. La rotule d'accouplement qui est proposée selon l'invention comprend une paire de pièces rigides de jonction respectivement couplées en rotation avec les sections d'arbre à accoupler, ces pièces offrant des faces terminales en regard dont chacune est de révolution par rapport à l'axe de rotation de la pièce de jonction à laquelle elle appartient, et, respectivement solidaires desdites faces terminales, deux couronnes de dents frontales s'engrenant mutuellement, chaque couronne étant centrée sur l'axe de rotation de la pièce de jonction qui la porte, tandis que les dents de la couronne de chaque pièce de jonction ne sont en contact ni avec celles de l'autre couronne, ni avec la face terminale de l'autre pièce de jonction, et que les intervalles entre dents sont comblés au moins partiellement par une matière élastique qui est solidarisée avec les dents sur toute sa surface de contact avec celles-ci. Grâce à cette structure, lors du fonctionnement de la rotule, il n'y a jamais de contact direct entre les deux parties rigides. Par sa capacité à se déformer et, du fait qu'elle est solidarisée avec celles-ci sur toute sa surface de contact, à supporter des charges de compression élevées, la matière élastique interposée assure les fonctions demandées à la rotule : possibilité d'angulation et transmission du couple. En jouant sur la forme et les dimensions des dents, il est possible d'adapter la rotule au niveau de couple à transmettre et/ou d'angulation à assurer. La matière élastique, qui forme de préférence une masse unique, comble avantageusement, partiellement ou totalement, les intervalles entre les extrémités des dents et les faces terminales des pièces de jonction. On peut prévoir que les dents de chaque couronne s'étendent radialement autour de son axe et prennent fin, du côté de celui-ci, à une égale distance radiale, faisant apparaître une chambre centrale exempte de dents. Cette chambre centrale peut être soit comblée par la matière élastique précitée, soit laissée vide, de façon à faire communiquer des canaux axiaux que comportent éventuellement les deux pièces de jonction afin de permettre l'écoulement d'un fluide à l'intérieur de la ligne d'arbre via la rotule. La chambre centrale précitée peut encore former une cavité hémisphérique dont le fond est creusé dans la face terminale de l'une des pièces de jonction2 l'autre pièce de jonction comportant, en saillie par rapport à sa face terminale, une tête hémisphérique logée concentriquement, avec jeu, dans ladite cavité, l'intervalle entre les surfaces de la tête et de la cavité étant comblé par la matière élastique précitée. Cette dernière forme une couche capable de supporter une charge de compression axiale sur la rotule sans empêcher celle-ci de remplir ses fonctions premières. Dans une forme de réalisation préférée, la matière élastique utilisée est un caoutchouc ou un élastomère dont la solidarisation aux parties rigides entre lesquelles il est interposé est réalisée par "adhérisation", c'est-à-dire par liaison à la surface de ces parties rigides, habituellement en métal ou en composite traité spécialement, du caoutchouc ou de l'élastomère au cours de la vulcanisation de celui-ci. Lorsque des débattements latéraux doivent être possibles entre deux sections d'une ligne d'arbre, on peut associer à une rotule telle que définie ci-dessus une deuxième rotule semblable, les deux rotules étant montées en série entre les deux sections de la ligne d'arbre. L'invention est susceptible de s'appliquer d'une manière générale à tous les arbres situés en aval d'un organe de transmission de puissance (moteur, réducteur, pompe ...) ou dans celui-ci. La rotule selon l'invention ne présentant aucun contact métal-métal, elle vise particulièrement les applications où il n'est pas possible de lubrifier l'accouplement, telles que les applications suivantes accouplement d'arbre de forage, accouplement d'arbre de pompe pour boues de forages, matières alimentaires, divers fluides accouplement d'arbre nécessitant des angulations élevées et/ou une réduction des émissions acoustiques ou des transmissions de vibrations, et d'une manière générale toute liaison devant prendre en compte des efforts axiaux, alternatifs ou non, débattements angulaires, transmission de couple, alternatif ou non, avec ou sans étanchéité. Les secteurs d'activité envisagés sont ceux des travaux en mer (forage en particulier), des transports, des industries agroalimentaires, chimiques, minières, etc... D'autres particularités et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre, en regard des dessins annexés, d'exemples de réalisation non limitatifs. Les figures 1A et 1B illustrent schématiquement le fonctionnement d'une rotule d'accouplement selon l'invention, représentée respectivement sans et avec angulation. La figure 2 représente en élévation une rotule d'accouplement selon l'invention. La figure 3 représente une section selon la ligne III-III de l'objet de la figure 2. La figure 4 représente une section selon la ligne IV-IV de l'objet de la figure 3. Les figures 5 et 6 représentent, à la manière de la figure 4, deux variantes de réalisation. La figure 7 représente, à la manière de la figure 1B, un dispositif d'accouplement comportant deux rotules montées en série. La rotule d'accouplement représentée schématiquement aux figures 1A et 1B comprend deux pièces rigides 10, 20 entre lesquelles est interposée une zone élastique Z. Chacune des pièces 10, 20 est conçue pour assurer la jonction de la rotule à une section d'arbre 17, 27 respective, ces deux sections appartenant à une même ligne d'arbre rotatif. L'axe de rotation 12, 22 de chacune des pièces 10, 20 est confondu avec l'axe de rotation de la section d'arbre 17, 27 correspondante. La zone élastique Z permet la transmission du couple de l'une des sections 17, 27 (menante) à l'autre section 27, 17 (menée) et autorise une angulation entre les axes 12, 22 des pièces 10, 20, donc des sections d'arbre 17, 27 accouplées par la rotule. Les pièces de jonction 10, 20, de forme cylindrique, présentent des faces terminales 11, 21 en regard l'une de l'autre, situées dans des plans perpendiculaires aux axes 12, 22 respectifs. Ces faces, qui délimitent la zone élastique Z, pourraient aussi être des faces coniques, ou plus généralement des faces de révolution autour desdits axes. Elles portent chacune une couronne de dents rigides 13, 23, qui en fait saillie frontalement (figure 2). Ces couronnes de dents 13, 23 sont identiques et chacune d'elles admet comme axe de révolution l'axe 12, 22 de la pièce de jonction 10, 20 à laquelle elle appartient, les dents de chaque couronne s'étendant radialement autour de l'axe 12, 22 respectif. Comme le montrent les figures 2 et 3, les deux couronnes de dents sont disposées en engrènement mutuel, leurs dents s'interpénétrant, mais toutefois sans contact des dents de chaque couronne ni avec les dents de l'autre couronne, l'épaisseur des dents étant inférieure à l'intervalle qui les sépare dans chaque couronne, ni avec la face terminale de la pièce de jonction portant cette autre couronne. Les intervalles a, b ainsi ménagés sont comblés d'une matière élastique (caoutchouc ou élastomère) formant une masse élastique unitaire 100 qui enveloppe complètement chacune des dents 13, 23 de l'une et de l'autre couronne. Cette masse élastique est solidarisée avec les dents 13, 23 des deux couronnes et les faces terminales 11, 21 des deux pièces de jonction, par adhérisation sur toute les surfaces de contact. Les couronnes de dents en engrènement mutuel assurent le transmission du couple de rotation, via les pièces de jonction 10, 20, entre les deux sections d'arbre 17, 27. Quant à la masse élastique 100 interposée entre ces deux couronnes, elle autorise, par déformation élastique, une angulation entre les axes 12, 22 des deux sections d'arbre, autour d'un centre C. Comme on peut le voir sur les figures 3 et 4, les dents 13, 23 de chacune des deux couronnes, qui ne s'étendent évidemment pas jusqu'à l'axe 12, 22 correspondant, prennent fin à égale distance de cet axe, faisant ainsi apparaître une chambre centrale 50 de forme cylindrique de révolution, qui est elle-même, dans le présent exemple, remplie de la matière élastique précitée et forme ainsi un noyau central pour la masse élastique 100. En variante, conformément à la figure 5, la chambre centrale 50 peut être laissée vide, de façon à former un passage étanche assurant la mise en communication, à travers la zone élastique Z, de conduits axiaux 14, 24 que peuvent comporter intérieurement les sections d'arbre 17, 27 via des conduits 18, 28 percés axialement dans les pièces de jonction 10, 20, afin d'y permettre la circulation d'un fluide. Dans une autre variante (figure 6), la chambre centrale précitée est occupée par une tête hémisphérique 25 solidaire de l'une des pièces de jonction, ici la pièce 20, et centrée sur le centre d'angulation C de la rotule. Cette tête 25 se loge dans une cavité hémisphérique 15 concentrique, creusée dans la partie des dents 13, 23 la plus proche des axes 12, 22 et au centre de la face terminale 11 de l'autre pièce de jonction 10. Le rayon de la cavité 15 est un peu supérieur à celui de la tête 25, et l'intervalle c correspondant est également comblé par la matière élastique interposée entre les deux pièces de jonction, cette matière étant de même adhérisée aux surfaces hémisphériques convexe et concave de la tête 25 et de la cavité 15.Une telle disposition permet à la rotule d'accouplement la reprise d'efforts de compression axiaux F qui peuvent lui être infligés par les sections d'arbre accouplées par son intermédiaire. En jouant sur la valeur des rayons des portées hémisphériques, il est possible d'adapter la rotule à la charge axiale de compression qu'elle doit supporter. La figure 7 montre un dispositif d'accouplement comportant deux rotules A, B montées en série entre deux sections 17a, 17b d'une ligne d'arbre. Chacune de ces rotules a la même structure que la rotule précédemment décrite et comprend une paire de pièces de jonction îOa et 20a, lOb et 20b encadrant respectivement une zone élastique Za, Zbi La portion d'arbre formée par les pièces 20a, 20b raccordées avec un même axe de rotation commun 22, directement ou par l'intermédiaire d'un élément d'arbre auxiliaire, reste flottante. Un tel dispositif autorise un débattement latéral d entre les axes 12a, 12b des sections d'arbre 17a, 17b, qui peuvent rester parallèles comme représenté. Revendications 1. Rotule d'accouplement de deux sections consécutives d'une ligne d'arbre, permettant une angulation entre les axes de ces sections d'arbre tout en assurant la transmission d'un couple de rotation, cette rotule, capable de reprendre un effort axial de compression, étant caractérisée par le fait qu'elle comprend une paire de pièces rigides de jonction (10, 20) respectivement couplées en rotation avec les sections d'arbre (17, 27) à accoupler, ces pièces offrant des faces terminales (11, 21) en regard dont chacune est de révolution par rapport à l'axe de rotation (12, 22) de la pièce de jonction à laquelle elle appartient, et, respectivement solidaires desdites faces terminales (11, 21), deux couronnes de dents frontales (13, 23) s'engrenant mutuellement, chaque couronne étant centrée sur l'axe de rotation de la pièce de jonction qui la porte, tandis que les dents de la couronne de chaque pièce de jonction ne sont en contact ni avec celles de l'autre couronne, ni avec la face terminale de l'autre pièce de jonction, et que les intervalles (a) entre dents (13, 23) sont comblés au moins partiellement par une matière élastique qui est solidarisée avec les dents sur toute sa surface de contact avec celles-ci. 2. Rotule selon la revendication 1, caractérisée par le fait que la matière élastique forme une masse unique (100). 3. Rotule selon la revendication 2, caractérisée par le fait que la masse de matière élastique (100) comble, complètement ou non, les intervalles (b) entre les extrémités des dents (13, 23) et les faces terminales (21, 11) des pièces de jonction. 4. Rotule selon la revendication 2 ou 3, caractérisée par le fait que les dents (13, 23) de chaque couronne s'étendent radialement autour de son axe (12, 22) et prennent fin, du côté de celui-ci, à une égale distance radiale, faisant apparaître une chambre centrale (50) exempte de dents. 5. Rotule selon la revendication 4, caractérisée par le fait que la chambre centrale (50) est comblée par la matière élastique précitée. 6. Rotule selon la revendication 4, caractérisée par le fait que la chambre centrale (50) est vide et fait communiquer des canaux axiaux (14, 24) que comportent les deux pièces de jonction (10, 20). 7. Rotule selon la revendication 3, caractérisée par le fait que la chambre centrale forme une cavité hémisphérique (15) dont le fond est creusé dans la face terminale de l'une des pièces de jonction, l'autre pièce de jonction (20) comportant, en saillie par rapport à sa face terminale (21), une tête hémisphérique (25) logée concentriquement, avec jeu, dans ladite cavité (15), l'intervalle (c) entre les surfaces de la tête (25) et de la cavité (15) étant comblé par la matière élastique précitée. 8. Rotule selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée par le fait que la matière élastique utilisée est un caoutchouc ou un élastomère dont la solidarisation aux parties rigides entre lesquelles il est interposé est réalisée par adhérisation. 9. Rotule selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée par le fait que lui est associée une deuxième rotule semblable, les deux rotules (A, B) étant montées en série entre deux sections de la ligne d'arbre.