Brevet FR2683288A1 — publié le 19930507

La présente invention est relative aux variateurs de vitesse et se rapporte plus particulièrement aux variateurs à courroie trapézoïdale et à flasques à écartement variable. De tels variateurs sont utilisés dans de nombreuses applications. L'invention se rapporte également aux dispositifs de production d'énergie électrique susceptibles d'utiliser l'énergie surabondante d'un moteur principal par exemple un moteur diesel de propulsion de bateau, afin de générer le courant alternatif indispensable aux besoins du bord sans qu'il soit nécessaire d'utiliser en permanence un groupe électrogène auxiliaire. Depuis de nombreuses années, on commente dans le monde de la marine, les avantages qu'il y aurait à générer de l'électricité pour les besoins du bord à partir de l'énergie mécanique en excédent disponible sur l'arbre de propulsion d'un navire. On connaît un certain nombre de dispositifs de production d'énergie électronique à partir de moteurs d'entraînement à combustion interne. Un premier système comprend un dynamo entraînée à vitesse variable par un moteur thermique par exemple de propulsion. La tension de la dynamo est commandée par le régime du moteur thermique. La dynamo alimente un moteur à courant continu qui entraine un alternateur. Un tel dispositif est d'un encombrement important et d'un coût élevé. Un autre système comporte une pompe et un moteur hydraulique. La pompe est entraînée à vitesse variable par le moteur principal et entraine à son tour un moteur hydraulique à vitesse constante. Le moteur hydraulique actionne un alternateur. A la complexité du système hydraulique à haute pression s'ajoutent une réponse lente et un coût élevé du système. Un autre système connu met en oeuvre un alternateur à vitesse variable. L'inconvénient d'un tel système vient de la nécessité d'une puissance constante à vitesse minimale qui nécessite un appareil volumineux et cher. Une solution également utilisée consiste à disposer d'un groupe électrogène diesel auxiliaire, dont les inconvénients majeurs sont la consommation permanente de combustible, le coût de l'entretien et les nuisances de bruit et de vibrations. Afin de remédier aux inconvénients des dispositifs connus de production d'énergie électrique, l'in- vention vise à créer un variateur du type précité qui soit capable de transformer un mouvement de rotation à régime variable en un mouvement de rotation à régime constant tout en transmettant une puissance. Elle a donc pour objet un variateur de vitesse à courroie trapézoïdale et à poulies à flasques à écartement variable comprenant une poulie d'entrée destinée à tre entraînée en rotation à vitesse variable et une poulie de sortie destinée à tourner, à une vitesse asservie à la vitesse de la poulie d'entrée, caractérisé en ce que l'un des flasques de la poulie d'entrée est monté déplaçable en translation par rapport à l'autre au moyen d'au moins deux vérins reliés d'une part à un bâti fixe et d'autre part à un boîtier solidaire en translation dudit flasque et immobilisé en rotation par rapport à celui-ci, par des fixations sans jeu. Suivant une caractéristique particulière de l'invention, les vérins sont des vérins électriques. L'invention a également pour objet un dispositif de production d'énergie électrique à partir d'un moteur, notamment de bateau, tournant à vitesse variable, comprenant un alternateur entraîné par le moteur du bateau par l'intermédiaire d'un variateur de vitesse, caractérisé en ce que le variateur de vitesse est du type défini cidessus et en ce que ses vérins sont commandés par une boucle d'asservissement destinée à modifier l'écartement des flasques de la poulie d'entrée pour faire tourner la poulie de sortie du variateur à une vitesse constante d'entraînement de l'alternateur. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés, sur lesquels : -la Fig. 1 est une vue schématique d'un dispositif de production d'énergie électrique comprenant un variateur de vitesse suivant l'invention ; -la Fig. 2 est un schéma montrant la construction du variateur de vitesse suivant l'invention ; -la Fig. 3 est une vue schématique de dessus du variateur, montrant certains détails de construction de celui-ci ; -la Fig. 4 est une vue partielle en coupe d'une fixation sans jeu de l'un des vérins à un flasque de poulie du variateur ; -la Fig. 5 est un schéma synoptique des moyens de commande électrique entrant dans la construction du dispositif de la Fig. l ; et -les Fig. 6 et 7 sont des diagrammes représen- tant l'allure de la fréquence de la tension de sortie de l'alternateur du dispositif suivant l'invention lors d'échelons croissant et décroissant de la vitesse du moteur d'entraînement. Sur la Fig. 1, on a représenté un dispositif de production d'énergie électrique qui comporte un alternateur 1 entraîné en rotation par un moteur à combustion interne tel qu'un moteur diesel 2, de propulsion d'un navire par exemple, par l'intermédiaire d'un embrayage 3 et d'un variateur de vitesse 4 du type à courroie trapézoïdale 5 et à poulies d'entrée et de sortie 6,7 dont la distance des flasques est variable en fonction de la vitesse et du couple transmis par la variateur. L'alternateur 1 doit tre entraîné en rotation à vitesse constante. A cet effet, l'écartement des flasques de la poulie d'entrée 6 est commandé suivant l'invention par deux vérins électriques 8 commandés à leur tour par un circuit électronique d'asservissement 9 qui sera décrit plus en détail en référence à la Fig. 5. Le variateur de vitesse suivant l'invention est décrit plus en détail en référence à la Fig. 2. On voit sur cette figure que la poulie d'entrée 6 du variateur comporte un premier flasque 9 monté fixe en translation sur l'arbre de sortie 10 de 1'embrayage électromagnétique 3 (Fig. 1) de liaison du variateur avec le moteur principal 2. Le flasque 9 comporte un moyeu 11 sur lequel est monté déplaçable en translation, mais rendu solidaire en rotation par des cannelures par exemple, un deuxième flasque 12. Le deuxième flasque 12 est rendu solidaire en translation d'un boîtier 13 par rapport auquel il est monté à rotation par l'intermédiaire d'un roulement à billes 14. Le boîtier 13 présente deux points diamétra- lement opposés 15 et 16 de fixation des extrémités des vérins d'actionnement 8, dont les extrémités opposées sont fixées à un bâti 17 de l'ensemble du dispositif. Le flasque 12 déplaçable en translation et sollicité vers son flasque complémentaire 9 par un ressort hélicoïdal 18 qui prend appui d'une part, sur le roulement 14 et d'autre part, sur une butée 19 portée par l'extrémité libre du moyeu 11 du flasque 9. Au point de fixation 16 de l'un des vérins 8, le boîtier 13 porte une tige radiale 21 d'immobilisation en rotation du boîtier 13 d'une manière qui sera décrite plus en détail en référence à la Fig. 3. La poulie de sortie 7 ou poulie réceptrice comporte de façon classique deux flasques 22 et 23 dé- plagales en translation l'un par rapport à l'autre. Le flasque 22 est calé sur un arbre 24 d'entraînement de l'alternateur 1 tandis que le flasque 23 est monté déplaçable en translation sur un moyeu 25 du flasque 22 et sollicité vers ce dernier par un ressort hélicoïdal 26 disposé entre le flasque 23 et un butée 27 fixée à l'extrémité libre du moyeu 25. On voit sur la Fig. 3 que les vérins 8 qui sont des vérins électriques, sont fixés au bâti 17 au moyen de fixations sans jeu 28. A cet effet, le corps de chacun des vérins 8 comporte à son extrémité opposée à la poulie 6, une chape 29 entre les branches de laquelle est disposé un support 30 fixé au bâti 17, traversé par un trou 31 dans lequel est monté un manchon 32 en matière plastique, en Nylon par exemple, de longueur légèrement supérieure à la longueur du trou 31. Le manchon en Nylon 32 est à son tour traversé par un axe d'articulation 33 constitué par un boulon qui traverse les branches de la chape 29 et le support 30 et qui est serré sur la chape 29 par un écrou 34. Le serrage ainsi réalisé permet d'obtenir une articulation sans jeu entre le support 30 et la chape 29, grâce à l'écrasement du manchon en Nylon 32. La fixation des extrémités des vérins 8 opposées à leurs extrémités fixées au bâti 17, est également réalisée sans jeu comme cela est représenté plus en détail à la Fig. 4. Aux points de fixation 15 et 16 diamétralement opposés, le boîtier 13 comporte respectivement une tige filetée radiale 28 et la tige 21 destinée à assurer l'immobilisation en rotation du boîtier 13. Les tiges 28 et 21 traversent respectivement des trous ménagés dans les extrémités correspondantes 35 des vérins 8 avec interposition d'un manchon souple en Nylon 32 monté sur la tige radiale correspondante telle que la tige 21 de la Fig. 4. Chaque manchon 36 a une longueur légèrement supérieure à l'épaisseur de l'extrémité 35. Sur la tige filetée 21 est montée un manchon fileté à six pans formant écrou 37 qui permet le serrage du manchon 36 en Nylon pour assurer la fixation sans jeu entre l'extrémité 35 du vérin 8 et le boîtier 13 solidaire en translation du flasque 12 de la poulie 6. La fixation de l'extrémité 35 de l'autre vérin 8 au point 15 diamétralement opposé au point 16, est assurée d'une manière analogue à celle décrite en référence à la Fig. 4, à l'exception du fait que sur la tige 28, est fixé un écrou ordinaire 38 pour assurer le serrage du manchon en Nylon correspondant, interposé entre le trou de l'extrémité 34 du vérin et la tige filetée 28. L'immobilisation en rotation du boîtier 13 est assurée par l'extrémité libre de la tige 21 qui coopère avec une fourche 39 solidaire du bâti 17 et entre les branches de laquelle la tige 21 est déplaçable axialement avec le boîtier 13 et par conséquent le flasque 12, mobile en translation de la poulie d'entrée 6. On voit que grâce à 1'agencement qui vient d'ère décrit, le flasque 12 mobile en translation de la poulie d'entrée 6, est relié à ses vérins d'actionnement 8 par des fixations sans jeu, ce qui permet aux vérins de répondre avec précision à des signaux d'asservissement qui leur sont appliqués à partir du circuit électronique 9 (Fig. 1) sans que la présence de jeux éventuels, n'entraîne une imprécision de la commande en raison d'effets de pompage qu'engendrent généralement les liaisons avec jeu. Sur la Fig. 5, on a représenté le schéma électrique du dispositif de production d'énergie électrique selon l'invention. On retrouve sur ce schéma, le moteur principal d'entraînement 2 du type moteur Diesel, à la sortie duquel est disposé le variateur de vitesse 4 d'entraînement de l'alternateur à vitesse constante délivrant une tension d'utilisation à fréquence constante & 50 ou 60 Hz, 1%. Le dispositif comporte en outre une chaîne d'asservissement 40 comprenant un capteur 41 de la vitesse de sortie du variateur 4, connecté à un circuit électronque 42 associé à un calculateur 43. Le calculateur 43 est connecté à une entrée d'un comparateur 44 dont une autre entrée est connectée à un circuit d'affichage de valeur de consigne 45, permettant par exemple de demander au dispositif de délivrer du courant électrique à 50 ou à 60 Hz. La sortie du comparateur 44 est connectée aux moteurs électriques d'entraînement des vérins 8, qui à leur tour, sont reliés comme décrit en référence aux Fig. 3 et 4, au variateur 4. Dans le mode de réalisation qui vient d'tre décrit, le dispositif comporte deux vérins 8 de déplacement du flasque déplaçable en translation 12 de la poulie d'entrée motrice 6 du variateur. On peut cependant envisager l'utilisation d'un nombre de vérin supérieur à deux. Le rôle de l'asservissement décrit en référence à la Fig. 5, est de maintenir le régime de l'alternateur 1, le plus proche possible de sa vitesse nominale correspondant à la production d'un courant électrique à une fré- quence de 50 ou 60 Hertz. Le rôle du variateur 4 est de transmettre la puissance nominale de l'alternateur 1 sur toute la plage de vitesses du moteur Diesel 2. L'utilisation de vérins électriques pour la commande du variateur 4 est particu lièrement intéressante en raison de la rapidité de réac- tion de tels vérins, pour compenser les sauts de régime du moteur Diesel 2 suivant les utilisations, notamment lors de manoeuvre en pche ou dans les ports. La réalisation de liaisons entre les vérins 8 et le bâti 17 d'une part et le boîtier 13 du variateur d'autre part, avec des jeux réduits au minimum, est particulièrement avantageuse pour la précision et la stabilité du système. Le rôle de l'asservissement électronique est en particulier de gérer toutes les informations venant des capteurs de vitesses et en particulier du capteur 41 et de piloter les vérins 8 avec rapidité et précision sans qu'il y ait de phénomène de pompage. La précision obtenue sur la fréquence délivrée par l'alternateur est de 1 Hz. L'embrayage 3 est un embrayage de sécurité permettant de désolidariser le groupe lors d'une survitesse accidentelle du moteur d'entraînement 2. Le capteur de vitesse 41 mesure la vitesse Ns à la sortie du variateur, tandis que le calculateur 43 délivre une valeur V'= K. f', f'étant la fréquence correspondant à la vitesse Ns mesurée pour le capteur 41. L'ensemble de la boucle d'asservissement est géré par un microprocesseur programmable dont le calcu- lateur 43 est l'un des constitutants. K est la fonction de transfert de la chaîne. On voit qu'en fonction de la vitesse Ns mesurée à la sortie du variateur, le calculateur 43 délivreà l'entrée correspondante du comparateur 44, un signal qui est comparé au signal de fréquence affiché par le circuit d'affichage 45 et en fonction de cette comparaison, les vérins 8 reçoivent du comparateur 44, un signal de commande provoquant en fonction du signe de la différence entre le signal V fourni par le circuit d'affichage 45 et le signal V'fourni par le calculateur 43, le déplacement par les vérins 8 du flasque 12 de la poulie d'entrée 6 correspondant à une augmentation ou à une diminution de la vitesse de sortie Ns du variateur. Les Fig. 6 et 7 représentent des graphiques de la réponse du dispositif respectivement à un échelon croissant et à un échelon décroissant de la vitesse d'entrée. On voit par exemple sur la Fig. 6 que pour une augmentation de la vitesse de rotation du moteur principal d'entraînement de 1480 tours/minute à 2420 tours/minute en 4 secondes, et une stabilisation ultérieure en 3 secondes 1/2 à 2350 tours/minute, la fluctuation de la fréquence de la tension délivrée par l'alternateur est de 3 Hz au maximum au début de l'échelon de vitesse. Uns stabilité analogue de la fréquence de la tension délivrée par l'alternateur est observé dans le cas d'un échelon décroissant de la vitesse d'entrée représenté à la Fig. 7. On voit sur cette figure, que pour une diminution de la vitesse du moteur principal d'entraînement de 2410 tours/minute à 1620 tours/minute en 5 secondes et une stabilisation ultérieure de la vitesse à 1640 tours/minute en 2 secondes, la fluctuation de la fréquence de la tension délivrée par l'alternateur autour de 50 Hz est de 4 Hz environ à la fin de l'échelon décroissant. Ces courbes de réponse mettent en évidence : -une très bonne précision en régime établi, -une grande rapidité de réaction, -une période transitoire tout à fait convenable lors des changements brutaux de la vitessse d'entrée, une partie de la perturbation étant occasionnée par le temps de réaction du système mécanique. Le dispositif qui vient d'tre décrit permet donc d'obtenir une énergie électrique de fréquence très stable grâce à la rapidité de réaction du système de commande permettant le maintien de la vitesse de l'al- ternateur malgré les sauts de régime du moteur principal d'entraînement. Le dispositif suivant l'invention présente un encombrement extrmement faible et est capable d'une adaptation à chaque bateau grâce à la nature de son variateur de vitesses. Le coût de l'installation du dispositif suivant l'invention est inférieur à celui d'un groupe Diesel auxiliaire classique et son coût d'utilisation est très intéressant compte tenu des économies réalisées en carburant et en frais d'entretien. REVENDICATIONS 1. Variateur de vitesse à courroie trapézoïdale (5) et à poulies (6,7) à flasques à écartement variable comprenant une poulie d'entrée (6) destinée à tre entrai- née en rotation à vitesse variable et une poulie de sortie (7) destinée à tourner, à une vitesse asservie à la vitesse de la poulie d'entrée, caractérisé en ce que l'un des flasques (12) de la poulie d'entrée est monté déplaçable en translation par rapport à l'autre (9) au moyen d'au moins deux vérins (8) reliés d'une part à un bâti fixe (17) et d'autre part à un boîtier (13) solidaire en translation dudit flasque (12) et immobilisé en rotation par rapport à celui-ci, par des fixations sans jeu (28, 35,36,37). 2. Variateur de vitesse suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les vérins (8) sont des vérins électriques. 3. Variateur de vitesse suivant l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le corps de chaque vérin (8) présente à son extrémité fixée au bâti une chape (29) entre les branches de laquelle est disposé un support (30) fixé au bâti (17) et traversé par un trou (31) dans lequel est monté un manchon (32) en matière plastique de longueur légèrement supérieure à la longueur du trou (31) du support, un axe d'articulation constitué par un boulon (33) traversant les branches de la chape (39) et le support (30) ainsi que le manchon (32) engagé dans celui-ci et étant serré sur la chape (29) par un écrou (34). 4. Variateur de vitesse suivant l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les extrémités des vérins (8) fixées au boîtier (13) solidaire en translation du flasque (12) déplaçable en translation de la poulie d'entrée (6) du variateur de vitesse comprennent chacune un trou dans lequel est engagé un manchon (36) en matière plastique de longueur légèrement supérieure à la longueur du trou, une tige filetée (21,28) fixée radialement dans le boîtier (13) étant engagée dans le manchon (36) et le manchon étant serré par un écrou (33,35) monté sur la tige filetée pour provoquer par écrasement du manchon une fixation sans jeu de l'extrémité (35) du vérin (8) correspondant sur le boîtier (13). 5. Variateur de vitesse suivant l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le boîtier (13) est immobilisé en rotation par l'une des tiges radiales (21) de fixation de l'extrémité d'un vérin (8) du boîtier (13), la tige (21) s'étendant dans une fourche (39) solidaire du bâti (17) et permettant le déplacement axial de la tige (21) avec le boitier (13) lors des déplacements en translation du flasque (12) auquel le boîtier (13) est associé. 6. Dispositif de production d'énergie électrique à partir d'un moteur, notamment de bateau, à vitesse variable, comprenant un alternateur (1) entraîné par le moteur (2) du bateau par l'intermédiaire d'un variateur de vitesse (4), caractérisé en ce que le variateur de vitesse (4) est un variateur suivant l'une des revendications 1 à 5, et en ce que ses vérins (8) sont commandés par une boucle d'asservissement (40) destinée à modifier l'écartement des flasques (9,12) de la poulie d'entrée pour faire tourner la poulie de sortie (7) du variateur à une vitesse constante d'entraînement de l'alternateur (1). 7. Dispositif de production d'énergie électrique suivant la revendication 6, caractérisé en ce que la boucle d'asservissement (40) comporte un capteur (41) de mesure de la vitesse de sortie Ns du variateur (4), un calculateur (43) d'élaboration d'un signal V'=Kf'qui dépend de la fréquence du signal de sortie du variateur (4), et un comparateur (44) de ce signal avec le signal V délivré par un circuit (45) d'affichage de la valeur de la vitesse de consigne de l'alternateur (1), la sortie du comparateur (44) commandant les moteurs électriques des vérins (8).