Brevet FR2670545A1 — publié le 19920619

PALIER HYDRODYNAMIQUE A FILM FLUIDE L'invention concerne un palier hydrodynamique à film fluide du type comprenant une ou des feuilles minces souples aptes à conditionner la formation d'un film fluide autour d'un arbre rotatif en vue de soutenir celui-ci sans contact avec une surface solide L'invention s'applique en particulier pour le soutien d'arbres susceptibles de tourner à des vitesses de rotation élevées. Les paliers hydrodynamiques du type sus- évoqué sont bien connus Leurs feuilles minces doivent présenter de bonnes caractéristiques de souplesse afin de se conformer à l'arbre supporté dans toutes les conditions de fonctionnement et de conduire à la formation d'un film fluide approprié Toutefois, de telles feuilles ont une capacité de support de charge réduite et il est devenu habituel de leur adjoindre des moyens de raidissement qui augmentent la rigidité du palier sous forte charge De plus, à grandes vitesses, l'arbre tend à vibrer ou osciller autour du centre géométrique du palier avec des amplitudes d'oscillation qui atteignent une valeur maximale à certaines vitesses critiques. Pour maîtriser cette oscillation, certains paliers comportent des moyens d'amortissement qui assurent une dissipation d'énergie par effet de Coulomb On pourra notamment se reporter aux brevets suivants qui décrivent de tels paliers: US 4 549 821, US 4 701 060, US 4 300 806, US 4 153 315, US 3 893 733, FR 2 516 996. Toutefois, une des difficultés rencontrées est de parvenir à combiner, d'une part, un bon amortissement des oscillations ou vibrations grâce à de fortes dissipations d'énergie, d'autre part, une variation progressive de la raideur du palier permettant un fonctionnement satisfaisant sur toute la plage de vitesses. L'invention vise à fournir une solution simple à ce problème Son objectif essentiel est de fournir un palier de structure simple qui conduise, en cas d'oscillations ou vibrations, à des dissipations d'énergie par effet Coulomb notablement accrues par rapport aux paliers connus, tout en présentant une raideur susceptible de varier de façon c- 4 rt progressive en fonction de la charge entre une valeur minimale adaptée aux faibles charges, notamment en cours de démarrage, et une valeur maximale adaptée aux fortes charges à vitesse élevée. A cet effet, le palier visé par l'invention est du type comprenant un fourreau fixe, un arbre rotatif disposé dans ledit fourreau de façon à être séparé de celui-ci par un espace annulaire, et un ou des ensembles de soutien logés dans ledit espace de façon à couvrir la circonférence de celui-ci, chaque ensemble de soutien comprenant la superposition: * d'une feuille souple interne essentiellement cylindrique, apte à conditionner la formation du film fluide entre l'arbre rotatif et ladite feuille, d'un élément-ressort externe présentant une succession d'ondulations à convexité orientée vers le fourreau, dites ondulations centrifuges, et d'ondulations à convexité orientée vers l'arbre rotatif, dites ondulations20 centripètes, cet élément-ressort externe venant au contact du fourreau par des ondulations centrifuges, * et d'un élément-ressort intermédiaire, interposé entre la feuille souple interne et l'élément-ressort externe et présentant une succession d'ondulations à convexité25 orientée vers le fourreau, dites ondulations centrifuges, et d'ondulations à convexité orientée vers l'arbre rotatif, dites ondulations centripètes, cet élément-ressort intermédiaire venant au contact de la feuille souple interne par des ondulations centripètes et au contact de l'élément-ressort30 externe par des ondulations centrifuges. Le palier hydrodynamique conforme à la présente invention se caractérise en ce que, pour chaque ensemble de soutien:. l'élément-ressort externe et l'élément- ressort intermédiaire ont des ondulations agencées en opposition de telle façon que les ondulations centripètes de l'élément-ressort externe soient situées en regard et au contact des ondulations centrifuges de l'élément-ressort intermédiaire, l'élément-ressort externe et la feuille souple interne possèdent une extrémité fixée au fourreau et une extrémité libre, et présentent dans l'espace annulaire un même sens d'enroulement depuis leur extrémité fixe vers leur extrémité libre, l'élément-ressort intermédiaire possède une extrémité fixée au fourreau et une extrémité libre, et présente dans l'espace annulaire un sens d'enroulement opposé à celui de l'élément-ressort externe et de la feuille souple interne de façon que les déformations de ces trois éléments engendrent des déplacements opposés de leurs zones en contact: ondulations centripètes de l'élément-ressort externe au contact d'ondulations centrifuges de l'élément-ressort intermédiaire d'une part, ondulations centripètes de l'élément-ressort intermédiaire au contact de la feuille souple interne d'autre part. Par "ondulation", on entend d'une façon générale une déformation de l'élément dans un sens ou dans l'autre par rapport à une surface moyenne cylindrique; ces20 ondulations peuvent être courbes sur toute leur surface ou, au contraire, comporter des zones aplaties ou de toutes autres formes Selon un mode de réalisation préféré:. les ondulations centrifuges de l'élément- ressort externe au contact du fourreau de même que les ondulations centrifuges de l'élément-ressort intermédiaire au contact de l'élément-ressort externe présentent la forme d'arcs de cercle,. les ondulations centripètes de l'élément- ressort externe de même que les ondulations centripètes de l'élément-ressort intermédiaire présentent des zones aplaties de contact respectivement avec l'élément- ressort intermédiaire et la feuille souple interne. Ainsi, dans l'invention, l'élément-ressort intermédiaire remplit une double fonction En premier lieu, il se déforme sous l'effet d'un accroissement de la charge et s'aplatit pour tendre vers une surface proche de celle d'un cylindre: il assure ainsi une augmentation progressive de la raideur du palier jusqu'à ce que l'élément-ressort externe se déforme à son tour et confère au palier une grande raideur40 lorsque la charge atteint des valeurs élevées En outre, au cours des déformations, les ondulations centripètes et ondulations centrifuges de cet élément-ressort intermédiaire se déplacent en sens opposé par rapport aux zones avec lesquelles elles sont en contact, respectivement feuille souple interne et ondulations centripètes de l'élément-ressort externe Ce double déplacement relatif en sens opposé se traduit par une dissipation d'énergie maximum par effet de Coulomb et un effet d'amortissement de grande efficacité. L'invention permet donc d'obtenir simultanément les effets recherchés (variation progressive de raideur et amortissement élevé) avec un palier de structure simple sans ajout d'éléments supplémentaires par rapport à la plupart des paliers hydrodynamiques connus. Par ailleurs, selon un mode de réalisation avantageux, l'élément-ressort intermédiaire comprend, entre deux ondulations centrifuges en contact avec l'élément-ressort externe, au moins deux ondulations centripètes en contact avec la feuille souple interne, ces ondulations centripètes étant séparées par des zones en retrait situées au repos à faible distance de la feuille souple interne. Ces dispositions permettent de maîtriser parfaitement, d'une part, les variations de raideur de l'élément-ressort intermédiaire, d'autre part, l'effet d'amortissement produit par celui-ci, et ce de façon indépendante En effet, comme on le comprendra mieux plus loin, il est possible d'ajuster, de façon précise et indépendante, la surface des zones en contact conditionnant l'effet d'amortissement et le positionnement de ces zones conditionnant la raideur et ses variations. Le palier hydrodynamique conforme à l'invention peut comprendre un seul ensemble de soutien (composé d'une feuille interne, d'un élément-ressort intermédiaire et d'un élément-ressort externe tels que définis) qui s'étend sur toute la circonférence de l'espace annulaire entre fourreau et arbre rotatif. Il peut également comprendre plusieurs ensembles de soutien identiques, s'étendant chacun sur un secteur de l'espace annulaire précité.40 D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention ressortiront de la description qui suit en référence aux dessins annexés, lesquels en présentent à titre non limitatif des exemples de réalisation; sur ces dessins qui font partie intégrante de la présente description: la figure 1 est une coupe schématique par un plan transversal d'un palier hydrodynamique conforme à l'invention, équipé d'un seul ensemble de soutien, la figure 2 est une coupe partielle à échelle dilatée de ce palier, les figures 3 a et 3 b sont des schémas en coupe partielle illustrant le fonctionnement du palier respectivement sous faible charge et sous charge élevée, la figure 4 est une coupe analogue à celle de la figure 2 d'un autre mode de réalisation, la figure 5 est une coupe schématique d'un palier hydrodynamique conforme à l'invention, équipé sur sa circonférence de trois ensembles de soutien. Le palier hydrodynamique représenté à titre d'exemple aux figures 1 et 2 est destiné au soutien d'un arbre rotatif 1 susceptible-de tourner à des vitesses très élevées; ce palier comprend un fourreau fixe 2 délimitant avec l'arbre 1 un espace annulaire dans lequel est logé un ensemble de soutien 3 Cet ensemble de soutien qui s'étend sous toute25 la circonférence du palier est adapté pour créer, en cours de fonctionnement, un film de fluide sous pression qui assure un soutien de l'arbre rotatif sans contact avec le palier. L'ensemble de soutien 3 comprend une feuille interne souple 4 essentiellement cylindrique, dont l'épaisseur et l'élasticité lui confèrent une raideur faible appropriée pour lui permettre d'épouser la forme de l'arbre rotatif et d'assurer une portée optimale pour le fluide en phase de démarrage ou sous faible charge. A l'arrière de cette feuille interne sont disposés un élément-ressort intermédiaire 5 et un élément- ressort externe 6, destinés à accroître la raideur de l'ensemble de soutien sous charge plus élevée et d'amortir les oscillations de l'arbre 1. La feuille 4, l'élément-ressort intermédiaire 5 et l'élément-ressort externe 6 sont chacun immobilisés par une extrémité 4 a, 5 a, 6 a qui est fixée notamment par soudage sur le fourreau 2 Les extrémités de fixation de ces trois éléments sont superposées comme le montrent les figures 1 et 2, mais le sens d'enroulement de l'élément-ressort intermédiaire 5 est opposé à celui de la feuille 4 et de l'élément-ressort externe 6; par exemple, l'élément-ressort intermédiaire 5 peut présenter un sens d'enroulement coïncidant avec le sens de rotation de l'arbre 1 (sens d'enroulement depuis l'extrémité fixe vers l'extrémité libre), les feuilles 4 et élément-ressort externe 6 s'enroulant en sens opposé Ainsi, en cas de déformations, une zone donnée de l'élémentressort intermédiaire 5 se déplace en sens opposé par rapport aux zones de la feuille 4 et de l'élément-ressort externe 6 qui sont situées en regard respectivement de part et d'autre de celle-ci. L'élément-ressort externe 6 est constitué par une lame présentant une succession d'ondulations: ondulations centrifuges telles que 7 à convexité orientée vers le fourreau 2 et ondulations centripètes telles que 8 à convexité orientée vers l'arbre rotatif 1. En l'exemple, les ondulations centrifuges 7 présentent la forme d'arcs de cercle (arcs proches de 1800 en l'exemple représenté) et viennent au contact du fourreau 2 par leurs portions circulaires les plus externes 7 a Au contraire, en l'exemple visé, les ondulations centripètes 8 possèdent des zones aplaties 8 a par lesquelles elles viennent au contact de l'élément-ressort intermédiaire 5. L'élément-ressort intermédiaire 5 est constitué par une lame de raideur inférieure à celle de l'élément-ressort externe 6, présentant une succession d'ondulations: ondulations centrifuges telles que 9 à convexité orientée vers le fourreau et, entre deux ondulations centrifuges 9, ondulations centripètes 10 et 11 séparées par35 des zones en retrait 12 Ces zones en retrait 12 sont déportées vers l'extérieur et situées au repos à faible distance de la feuille souple interne 4 Pour clarifier la terminologie, ces zones 12 qui sont en fait des ondulations centrifuges, n'ont pas été désignées par ce terme en raison de40 leur fonction différente par rapport aux ondulations centrifuges 9; elles seront désignées dans la suite par "zone en retrait". En l'exemple, les ondulations centrifuges 9 présentent la forme d'arcs de cercle (arcs proches de 700 en l'exemple représenté) et viennent au contact des zones aplaties 8 a de l'élément-ressort externe par leurs portions circulaires les plus externes 9 a Les ondulations centripètes 10 et 1 l (en l'exemple au nombre de deux entre deux ondulations centrifuges 9) possèdent des zones aplaties 10 a et lia par lesquelles elles viennent au contact de la feuille interne souple 4. Au repos, l'amplitude ai des ondulations de l'élément-ressort intermédiaire 5 est inférieure à celle ae des ondulations de l'élémentressort externe 6 dont la raideur est plus élevée Cet élément-ressort intermédiaire 5 est ainsi adapté pour se déformer progressivement lorsque la charge augmente à partir d'une faible valeur, et tendre à s'aplatir vers une forme cylindrique; au cours de cette déformation, sa raideur croît (jusqu'à présenter une valeur élevée pour la forme proche de la forme cylindrique) A partir d'une certaine valeur de la charge, l'élément-ressort externe 6 se déforme à son tour et la raideur du palier est alors conditionnée par celui-ci Ainsi, lorsque la charge croit, le palier conforme à25 l'invention voit sa raideur croître de façon continue depuis une valeur minimale réduite, appropriée pour favoriser le démarrage, jusqu'à une valeur maximale élevée, permettant au palier de supporter des charges élevées La croissance de la raideur se fait de façon progressive sans discontinuité et ne compromet pas la stabilité du palier. En outre, à chaque déformation, l'élément- ressort intermédiaire 5 se déplace en sens inverse par rapport à l'élément-ressort externe 6 et à la feuille souple 4, de sorte qu'une friction de Coulomb prend naissance, d'une part, au niveau des zones de contact 10 a et lia (contact des ondulations centripètes de l'élément-ressort intermédiaire 5 avec la feuille souple 4), d'autre part, au niveau des zones de contact 8 a et 9 a (contact des ondulations respectivement centrifuges et centripètes de l'élément-ressort intermédiaire40 et de l'élément- ressort externe). Les figures 3 a et 3 b illustrent une région donnée du palier au cours d'une oscillation; celle-ci est soumise successivement à une charge faible (figure 3 a) et à une charge élevée CH (figure 3 b), et les déplacements des éléments 4, 5 et 6 ont été symbolisés sur le détail grossi en d 1, d 2, d 3, d 4 (déplacements correspondant à une augmentation de la charge, ces déplacements étant de sens opposé lors d'une diminution) Les phénomènes de frictions, considérablement accrus par les déplacements en sens opposé de l'ensemble des surfaces de contact, engendrent un effet d'amortissement remarquable des oscillations ou vibrations de l'arbre rotatif et, en liaison avec la raideur progressivement variable, une stabilité exceptionnelle du palier. Il est à noter que la structure sus-décrite permet d'ajuster très aisément et de façon indépendante, d'une part, la raideur de l'élément- ressort intermédiaire et ses variations (conditionnées par le bras de levier -e entre zones de contact 10 a ou lia o la charge s'applique et zones de contact 9 a o elle est transmise), d'autre part, l'effet d'amortissement (conditionné par la taille des zones de contact 10 a, lia et 9 a). La figure 4 schématise en coupe partielle un autre mode de réalisation dans lequel l'élément-ressort intermédiaire 5 ' ne comporte qu'une seule ondulation centripète 10 ' entre deux ondulations centrifuges 9 ' Les autres caractéristiques du palier sont identiques à celles du palier précédent L'élément-ressort intermédiaire 5 ' remplit la même double fonction que précédemment, mais le réglage de30 sa raideur et celui de l'amortissement sont interdépendants. Le palier conforme à l'ivention peut comporter plusieurs ensembles de soutien s'étendant sur sa circonférence La figure 5 montre un palier à trois ensembles 3 a, 3 b, 3 c Chaque ensemble de soutien s'étend sur35 un arc de 1200 et une extrémité de ses feuille souple, élément- ressort intermédiaire et élément-ressort externe, est fixée comme précédemment dans le fourreau avec un sens d'enroulement opposé pour l'élément-ressort intermédiaire par rapport au sens d'enroulement des deux autres éléments. REVENDICATIONS 1/ Palier hydrodynamique à film fluide, du type comprenant un fourreau fixe ( 2), un arbre rotatif ( 1) disposé dans ledit fourreau de façon à être séparé de celui-ci par un espace annulaire, et un ou des ensembles de soutien ( 3) logés dans ledit espace de façon à couvrir la circonférence de celui-ci, chaque ensemble de soutien ( 3) comprenant la superposition: d'une feuille souple interne ( 4) essentiellement cylindrique, apte à conditionner la formation du film fluide entre l'arbre rotatif et ladite feuille,. d'un élément- ressort externe ( 6) présentant une succession d'ondulations à convexité orientée vers le fourreau, dites ondulations centrifuges ( 7), et d'ondulations à convexité orientée vers l'arbre rotatif, dites ondulations centripètes ( 8), cet élément-ressort externe venant au contact du fourreau ( 2) par des ondulations centrifuges ( 7),. et d'un élément-ressort intermédiaire ( 5), interposé entre la feuille souple interne ( 4) et l'élément- ressort externe ( 6) et présentant une succession d'ondulations à convexité orientée vers le fourreau, dites ondulations centrifuges ( 9), et d'ondulations à convexité orientée vers l'arbre rotatif, dites ondulations centripètes ( 10, 11), cet25 élément-ressort intermédiaire venant au contact de la feuille souple interne ( 4) par des ondulations centripètes ( 10, 11) et au contact de l'élément-ressort externe ( 6) par des ondulations centrifuges ( 9), ledit palier hydrodynamique étant caractérisé en ce que, pour30 chaque ensemble de soutien: l'élément-ressort externe ( 6) et l'élément- ressort intermédiaire ( 5) ont des ondulations agencées en opposition de telle façon que les ondulations centripètes ( 8) de l'élément-ressort externe soient situées en regard et au35 contact des ondulations centrifuges ( 9) de l'élément-ressort intermédiaire, l'élément-ressort externe ( 6) et la feuille souple interne ( 4) possèdent une extrémité ( 6 a, 4 a) fixée au fourreau ( 2) et une extrémité libre, et présentent dans40 l'espace annulaire un même sens d'enroulement depuis leur extrémité fixe vers leur extrémité libre, l'élément-ressort intermédiaire ( 5) possède une extrémité ( 5 a) fixée au fourreau et une extrémité libre, et présente dans l'espace annulaire un sens d'enroulement opposé à celui de l'élément-ressort externe ( 6) et de la feuille souple interne ( 4) de façon que les déformations de ces trois éléments engendrent des déplacements opposés de leurs zones en contact: ondulations centripètes ( 8) de l'élément-ressort externe au contact d'ondulations centrifuges ( 9) de l'élément-ressort intermédiaire d'une part, ondulations centripètes ( 10, 11) de l'élément- ressort intermédiaire au contact de la feuille souple interne ( 4) d'autre part. 2/ Palier hydrodynamique selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément-ressort intermédiaire ( 5) possède, d'une part, une raideur inférieure à celle de l'élément-ressort externe ( 6), d'autre part, des ondulations ( 9, 10, 11) d'amplitude (ai) inférieure à celle (ae) des ondulations ( 7, 8) dudit élément-ressort externe. 3/ Palier hydrodynamique selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'élément-ressort intermédiaire ( 5) comprend, entre deux ondulations centrifuges ( 9) en contact avec l'élément-ressort externe ( 6), au moins deux ondulations centripètes ( 10, 11) en contact avec la feuille souple interne ( 4), ces ondulations centripètes étant séparées par des zones en retrait ( 12) situées au repos à faible distance de la feuille souple interne ( 4). 4/ Palier hydrodynamique selon l'une des revendications 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que: les ondulations centrifuges ( 7) de l'élément-ressort externe au contact du fourreau de même que les ondulations centrifuges ( 9) de l'élément-ressort intermédiaire au contact de l'élément-ressort externe35 présentent la forme d'arcs de cercle, les ondulations centripètes ( 8) de l'élément-ressort externe de même que les ondulations centripètes ( 10, 11) de l'élément-ressort intermédiaire présentent des zones aplaties de contact respectivement avec40 l'élément-ressort intermédiaire et la feuille souple interne. / Palier hydrodynamique selon l'une des revendications 1, 2, 3 ou 4, comprenant un seul ensemble de soutien ( 3) s'étendant sur toute la circonférence de l'espace annulaire entre fourreau et arbre rotatif. 6/ Palier hydrodynamique selon l'une des t revendications 1, 2, 3 ou 4, comprenant plusieurs ensembles de soutien identiques ( 3 a, 3 b, 3 c), s'étendant chacun sur un secteur de l'espace annulaire entre fourreau et arbre rotatif.