Brevet FR2744507A1 — publié le 19970808

TRANSMISSION AUTOMATIQUE A VARIATION CONTINUE DEPUIS UN RAPPORT INFINI JUSQU'AU RAPPORT 1/1 La présente invention concerne un appareil automatique de transmission mécanique à variation continue du rapport de transmission depuis un rapport infini jusqu'au rapport 1/1 comportant un arbre menant et un arbre mené d'axes confondus, un plateau menant comportant à égale distance de l'arbre menant des axes d'articulation sur lesquels sont articulées des masselottes.Un tel appareil entre dans la catégorie où toute différence de vitesse de rotation entre 11 arbre mené et l'arbre menant provoque un débattement angulaire des masselottes autour desdits axes d'articulation, ces débattements angulaires entraînant un déplacement radial des centres de gravité desdites masselottes par rapport à l'arbre menant donc une variation de l'énergie cinétique desdites masselottes et, par suite, une augmentation du couple transmis à l'arbre mené. On connaît déjà, ainsi qu'il est décrit dans le brevet européen EP 0 399 888, un appareil du type précité dans lequel le plateau mené qui est solidaire de l'arbre mené, porte une piste circulaire continue, excentrée par rapport à l'axe central commun aux axes menant et mené, et des galets roulent à l'intérieur de cette piste circulaire. Chacun de ces galets est porté par une biellette articulée autour d'un axe d'articulation porté par une masselotte, et produit, en roulant à l'intérieur de la piste excentrée, un débattement angulaire de la masselotte autour de son axe d'articulation sur le plateau menant. Dans cet appareil, un diamètre AA passant par 1axe commun aux arbres menants et menés et par l'axe de la piste circulaire excentrée détermine sur cette piste deux demi-circonférences. Dans une demi-circonférence AA', le centre de gravité de chaque masselotte, se déplace en se rapprochant de l'axe central commun aux arbres menant et mené et subit de ce fait une décélération, ce qui provoque une diminution de l'énergie cinétique de la masselotte tandis que dans l'autre demi-circonférence A'A, le centre de gravité de chaque masselotte se déplace en s'éloignant de l'axe commun et subit une accélération en entraînant une augmentation de l'énergie cinétique de la masselotte. Les accélérations et décélérations s'accompagnent de débattements angulaires de la masselotte et par conséquent de modifications de la position angulaire de la masselotte par rapport au rayon joignant son axe d'articulation à l'axe central commun aux arbres menants et menés. Compte tenu de ces positions angulaires, l'inertie de chaque masselotte produit une force résultante dirigée vers l'intérieur de l'appareil pendant l'accélération, alors que pendant la décélération, la force résultante produite par l'inertie de chaque masselotte est dirigée vers l'extérieur. Les effets de ces forces résultantes dirigées vers l'intérieur sur la trajectoire A'A et vers l'extérieur sur la trajectoire AA' s'additionnent pour exercer sur l'axe excentré de la piste un couple de rotation autour de l'axe central commun aux arbres menant et mené, couple qui est transmis à l'arbre mené.Les couples transmis augmentent en fonction des vitesses d'entrée mais, par contre, diminuent avec la différence de vitesse entre l'arbre menant et l'arbre mené. Cette diminution du couple transmis correspond à une diminution des fréquences d'accélération et de décélération des masselottes précédemment indiquées. On a donc bien un appareil automatique de transmission mécanique autoadaptatif qui, à toute augmentation du couple résistant exercé sur l'arbre mené se traduisant par une diminution de la vitesse de rotation de l'arbre mené par rapport à l'arbre menant, fera correspondre une augmentation proportionnelle du couple transmis par l'arbre menant à l'arbre mené. Ces couples tendent vers une valeur nulle quand la vitesse de l'arbre mené est égale à la vitesse de l'arbre menant .Le rapport de transmission se rapprochant de 1/1, seule subsiste alors l'action des forces centrifuges qui sont encore capables d'exercer des couples positifs et ce, grâce à une position angulaire des masselottes plus favorables sur la demi-circonférence AA' que sur la demi-circonférence A'A faisant en sorte que les couples positifs exercés par les forces centrifuges sur la demi-circonférence AA' excèdent les couples négatifs engendrés par les forces centrifuges sur la demicirconférence A'A. Ceci étant, toute modification des régimes et des couples moteur réagit instantanément sur les rapports de transmission et sur les couples récepteurs et adapte ainsi ces différents paramètres aux meilleures conditions de fonctionnement de l'appareil. L'appareil décrit dans le brevet EP 0399 888 déjà cité présente cependant plusieurs inconvénients. D'une part, l'utilisation de galets roulant à l'intérieur d'une piste circulaire ou entre deux pistes circulaires soumet ces galets à de brusques changements de vitesse de rotation ou même à de brutales inversions du sens de rotation qui produisent sur les points de contact des galets et des pistes des frictions importantes génératrices d'usure, d'échauffement, donc de pertes, et de bruit. D'autre part, pour réaliser un débattement angulaire des masselottes et des couples suffisamment importants, ces galets et ces pistes qui occupent un grand volume doivent être nécessairement disposés latéralement par rapport au plan des masselottes et, par conséquent, en porte-à-faux ce qui est source de fatigue et d'usure des articulations diverses. L'un des buts de la présente invention est précisément de remédier à de tels inconvénients. A cet effet, cet appareil automatique de transmission mécanique à variation continue des rapports de transmission depuis un rapport infini jusqu'au rapport 1/1, comportant un arbre menant et un arbre mené d'axes confondus, un plateau menant solidaire de l'arbre menant et portant, uniformément répartis angulairement sur un cercle centré sur l'arbre menant , des premiers pivots sur lesquels sont articulées des masselottes, de telle façon que toute différence de vitesse de rotation entre l'arbre mené et l'arbre menant provoque un débattement angulaire des masselottes autour de leurs pivots, entraînant un déplacement radial de leurs centres de gravité par rapport à l'arbre menant, donc une variation de l'énergie cinétique des masselottes et par suite une augmentation du couple transmis à l'arbre mené, caractérisé en ce qu'il comporte, pour obtenir le débattement angulaire des masselottes des bielles de commande de même longueur, fixées respectivement d'une part à l'une de leurs extrémités, sur des seconds pivots solidaires des débattements angulaires des masselottes, et d'autre part, à leur autre extrémité, sur des troisièmes pivots articulés autour du maneton d'un vilebrequin central constituant l'arbre mené. De préférence, une lame élastique est fixée à l'une de ses extrémités, sur la partie avant de chaque masselotte et elle est articulée, à son autre extrémité, sur un second pivot porté par une bielle de commande.De préférence, les troisièmes pivots sont portés par un moyeu mené, monté à rotation autour du maneton du vilebrequin central constituant l'arbre mené, les troisièmes pivots étant régulièrement répartis à égale distance de l'axe du maneton en parallèles entre eux et parallèles à cet axe. Le fait que les bielles de commande sont articulées sur des pivots portés par un moyeu entourant le maneton, et non pas directement articulées sur le maneton lui-même, constitue bien un mode de réalisation particulier de l'invention. Selon une autre caractéristique de l'invention, chaque masselotte est élargie et alourdie dans sa partie périphérique la plus éloignée de son articulation sur le premier pivot, et la lame élastique associée à la masselotte est disposée à l'extérieur de cette masselotte, son extrémité avant est attachée à la partie avant de la masselotte et son extrémité arrière est articulée sur le deuxième pivot porté par l'extrémité de la bielle de commande. Suivant une autre caractéristique générale complémentaire de l'invention, chaque ensemble constitué d'une masselotte, d'une lame élastique et d'une bielle de commande est réalisé de telle sorte que, lorsque le centre de gravité de l'ensemble est dans sa position la plus éloignée de l'axe commun central dans le mouvement relatif de l'arbre mené par rapport à l'arbre menant, ce centre de gravité de l'ensemble est dans sa position la plus éloignée de l'axe commun dans le mouvement relatif de l'arbre mené par rapport à l'arbre menant, ce centre de gravité se situe, compte tenu du sens de rotation de l'appareil, un peu en arrière du prolongement du segment joignant l'axe central et l'axe d'articulation de la masselotte, afin que les forces centrifuges qui s'exercent sur ce centre de gravité produisent toujours des forces de traction sur la bielle de commande. Suivant une autre caractéristique de l'invention, un deuxième plateau, parallèle au plateau menant, centré sur l'arbre central du vilebrequin, est destiné à maintenir les autres extrémités des premiers pivots, et il constitue ainsi, avec le premier plateau menant et les premiers pivots, un ensemble très rigide et résistant destiné à subir les forces centrifuges appliquées aux masselottes, qui peuvent prendre des valeurs importantes aux régimes de rotation élevés. L'appareil suivant l'invention présente un certain nombre d'avantages. En premier lieu, il permet d'obtenir une large plage de variation continue procurant une adaptation automatique des rapports de vitesse et de couples aux meilleures conditions de fonctionnement. Le rapport de transmission varie depuis la vitesse nulle de sortie (ou rapport infini) jusqu'au rapport 1/1, évitant tout recours à un quelconque dispositif d'embrayage ou de couplage. Par ailleurs, pour chaque régime d'entrée, les couples produits sont beaucoup plus importants au démarrage que sur le rapport 1/1, et ils décroissent régulièrement entre ces deux limites. I1 est bien entendu que ces couples croissent en fonction du carré des régimes moteurs, des masses utilisées, des rayons des trajectoires circulaires de ces masses, de l'excentricité des manetons par rapport à l'axe central, et des fréquences des débattements angulaires des masselottes sur leurs pivots. Ces couples peuvent alors atteindre, au démarrage et sur les grands rapports de réduction, des valeurs très supérieures au couple nominal du moteur. Il faut signaler encore que le moteur entraînant l'arbre menant peut continuer à fonctionner, même lorsque l'arbre mené est bloqué. Dans ce cas, le couple transmis est maximal, mais le travail est nul, et compte tenu des très faibles pertes mécaniques par friction dans les articulations, cette situation n'entraîne aucune fatigue ni échauffement anormal de l'appareil. De conception très simple, robuste, fiable, bien équilibré, silencieux et très facile à monter et à démonter, l'appareil suivant l'invention offre une grande facilité de fabrication, un très faible encombrement, un rendement mécanique élevé atteignant pratiquement 100% sur le rapport 1/1, pour un prix de revient particulièrement réduit. L'appareil peut être fixé directement en bout du vilebrequin des moteurs thermiques, en remplacement du volant d'inertie habituel, et il permet ainsi un gain de poids considérable par rapport au dispositif classique comportant un embrayage et une boîte de vitesse. En dehors de son utilisation comme variateur automatique des rapports de transmission et des couples, cet appareil peut plus simplement, pour certaines applications, tenir lieu d'embrayage automatique (sans friction ni usure, ni échauffement) ou de coupleur automatique, ou de limiteur de couple. On décrira ci-après à titre d'exemple non limitatif diverses formes d'exécution de la présente invention en référence au dessin annexé sur lequel - la figure 1 est une vue en coupe transversale de l'appareil faite suivant la ligne I-I de la figure 2, - la figure 2 est une vue en coupe axiale de l'appareil faite suivant la ligne II-II de la figure 1. L'appareil représenté sur les figures 1 et 2 comporte plusieurs masselottes 1, généralement au nombre de quatre ou six, articulées chacune sur un premier pivot 2 fixé perpendiculairement par ses deux extrémités, entre un premier plateau menant 3 et un second plateau 4 parallèle et coaxial avec le premier plateau menant 3, lui-même entraîné en rotation par un arbre menant 5 d'axe central O. Les premiers pivots 2 sont uniformément répartis angulairement sur un cercle centré sur l'axe central O. A l'intérieur de cet ensemble rigide constitué par les plateaux 3 et 4 et les pivots 2, est disposé un vilebrequin 8 constituant l'arbre mené 6, d'axe central o, coaxial avec l'arbre menant 5.Autour d'un maneton 7, d'axe 0,, du vilebrequin 8 est monté à rotation un moyeu 9 traversé par des troisièmes pivots 10 régulièrement répartis sur une circonférence entourant l'axe O du maneton 7, parallèles entre eux et à l'axe o; du maneton 7. Compte tenu du sens de rotation de l'appareil, qui est le sens des aiguilles d'une montre, comme il est indiqué sur la figure 1, sur la partie avant de chaque masselotte 1 est fixée l'extrémité avant d'une large lame élastique 11 qui contourne la masselotte par sa partie extérieure et dépasse la partie arrière de la masselotte pour se terminer, à son extrémité arrière, par une boucle 12 articulée sur une second pivot 13.A chaque masselotte 1 est également associée une bielle de commande 14, qui est articulée, à chacune de ses extrémités d'une part sur un second pivot 13 disposé à l'extrémité arrière de la lame élastique 11, et d'autre part sur un troisième pivot 10 monté sur le moyeu 9 entourant le maneton 7 du vilebrequin 8. Chaque bielle 14 est constituée de deux barrettes dont les parties extrêmes sont fixées respectivement de part et d'autre sur les extrémités des pivots 10 et 13, et dont les parties médianes sont incurvées pour être adjacentes, fixées et serrées au contact lune de l'autre, par exemple par le moyen d'un boulon 15. Pour mieux faire comprendre le fonctionnement de l'appareil, on a partagé la figure 1 suivant un grand axe diamétral et vertical AA' passant par l'axe central O et par l'axe -1 du maneton 7, et qui partage la trajectoire des masselottes 1 en deux zones A-A' à droite et A'-A à gauche de l'axe AA'. Les deux axes O et 1 étant excentrés l'un par rapport à l'autre, on comprend bien que, lorsque l'arbre menant 5 et l'arbre mené 6 tournent à des vitesses différentes, les bielles de commande 14 produisent des débattements angulaires des masselottes 1 autour de leurs premiers pivots respectifs 2, qui se traduisent par des accélérations de leurs centres de gravité G dans la zone A'-A, et des décélérations dans la zone A-A'.Dans la zone d'accélération A'-A, l'inertie de chaque masselotte 1 provoque une force résultante transmise à la bielle de commande 14 qui exerce en retour une poussée vers la droite, c'est-à-dire dans le sens positif, sur le troisième pivot 10 et donc sur le moyeu 9 et sur le maneton 7, le sens positif étant celui des aiguilles d'une montre, comme représenté sur la figure 1. Par contre, dans la zone de décélération A-A' les forces résultantes dues à l'énergie cinétique des masselottes 1 exercent une force de traction sur les bielles de commande 14 qui se transmet sur le moyeu 9 et sur le maneton 7 vers la droite, c'està-dire là encore, dans le sens positif. Ces deux actions positives successives produites par les accélérations et décélérations des masselottes sur le maneton 7 engendrent ainsi un couple de rotation positif du maneton 7 autour de l'arbre mené 6. Plus l'arbre menant 5 tourne vite par rapport à l'arbre mené 6, et plus on aura d'oscillations des masselottes dans un temps donné, et donc plus le couple transmis à l'arbre mené 6 sera grand. C'est ce phénomène qui procure le caractère auto-adaptatif de l'appareil selon l'invention. De plus, pour une différence de vitesse donnée entre 11 arbre menant 5 et l'arbre mené 6, plus l'arbre menant 5 tourne vite, et plus les masselottes 1 tourneront vite autour de l'axe central O, et donc plus grande sera leur inertie. Leur inertie étant plus grande, elles pourront transmettre à l'arbre mené 6 un couple plus important. On retrouve là une caractéristique fondamentale de l'invention selon laquelle les couples transmissibles sont d'autant plus importants que la vitesse de l'arbre menant 5 est grande. Les plus grandes vitesses circonférencielles des masselottes 1 se produisent quand elles passent au voisinage de la position A, car elles sont alors dans la position la plus éloignée par rapport à l'axe central O de l'arbre menant 5. Il importe alors que le centre de gravité G des masselottes 1 se situe assez proche mais en arrière du prolongement du rayon R joignant l'axe central O de l'arbre menant 5 à l'axe du premier pivot 2 ceci afin que les forces centrifuges qui prennent alors leur plus forte valeur s'exercent en très grande partie sur ce pivot 2 et ne provoquent pas de contre-couple important sur les éléments menés.Il en résultera d'autre part que tous les centres de gravité G des autres masselottes se situeront également en arrière du prolongement du rayon précédemment défini, et que toutes les forces centrifuges appliquées à ces centres de gravité G exerceront des forces de traction sur toutes les bielles 14, sur les pivots 10 et sur le moyeu 9. Quand le rapport de transmission atteint 1/1, les accélérations et décélérations des masselottes 1 n'existent plus car les arbres menant 5 et mené 6 sont immobiles l'un par rapport à l'autre, bien que tournant ensemble à la vitesse d'entraînement, mais des couples positifs suffisamment importants sont encore produits par les seules forces centrifuges, du fait des positions angulaires des bielles de commande 14 qui exercent globalement des forces de traction sur le moyeu 9 et sur le maneton 7, beaucoup plus favorables dans le sens positif que dans le sens négatif.En effet, il faut bien comprendre, en observant la figure 1, que les forces de traction sur les bielles 14 produisent des effets positifs sur le maneton 7 quand, à un instant donné, ces bielles présentent un angle inférieur à 90" avec la direction positive O1-X tangente en O, à la trajectoire circulaire de l'axe Q1 du maneton 7 autour de l'axe central O. Par contre, les bielles 14 produisent des effets négatifs quand elles présentent un angle supérieur à 90" avec la direction O1-X précédemment définie.La figure 1 montre que, sur les six bielles 14 représentées, quatre produisent des effets positifs, et deux autres seulement des effets négatifs. I1 en résulte que, globalement, les actions des forces centrifuges produisent toujours des couples positifs importants sur l'arbre mené 6, non seulement sur le rapport de transmission 1/1, mais aussi sur toute la plage de variation depuis le rapport infini jusqu'au rapport 1/1. Ces couples positifs produits par les forces centrifuges s'ajoutent aux couples positifs produits par les accélérations et décélérations des masselottes, précédemment expliqués, et contribuent à procurer un automatisme parfaitement auto-adaptatif de l'appareil. Pour éviter d'éventuelles vibrations qui pourraient se produire en phase d'accélérations et de décélérations, principalement sur les grands rapports de réduction, l'invention prévoit, comme représenté sur la figure 1 de disposer une large lame élastique 11, fixée, à son extrémité avant dans la partie avant de la masselotte 1, et articulée, à son extrémité arrière, sur le deuxième pivot 13 porté par la bielle de commande 14. Un intervalle est prévu entre la partie arrière de la lame 11, et la masselotte 1 pour permettre, grâce à la déformation élastique de la lame 11 d'amortir d'éventuelles vibrations et de régulariser les couples transmis à l'arbre mené 6. Pour transmettre des puissances et des couples plus importants et pour assurer un parfait équilibrage dynamique de l'appareil, l'invention prévoit, suivant l'exécution représentée sur la figure 2, de disposer un second ensemble de masselottes 1 articulées sur les mêmes premiers pivots 2 que les masselottes 1 du premier ensemble, de bielles de commande 14', de lames élastiques 11', de pivots 10 et 13' coopérant avec un deuxième moyeu 9' monté à rotation autour d'un second maneton 7' diamétralement opposé au premier maneton 7 par rapport à l'axe central O du vilebrequin 8. Tous ces éléments du second ensemble sont exactement semblables aux éléments homologues du premier ensemble. L'appareil peut être enfermé soit dans un carter fixe et étanche, soit dans un carter rotatif et étanche, obtenu en prolongeant et en reliant par leurs bords extérieurs les deux plateaux menants 3 et 4 REVENDICATIONS 1 - Appareil (1) automatique de transmission mécanique à variation continue des rapports de transmission depuis un rapport infini jusqu'au rapport 1/1, comportant un arbre menant (5) et un arbre mené (6) d'axes confondus, un plateau menant (3) solidaire de l'arbre menant (5) et portant, uniformément répartis angulairement sur un cercle centré sur l'arbre menant (5), des premiers pivots (2) sur lesquels sont articulées des masselottes (1), de telle façon que toute différence de vitesse de rotation entre l'arbre mené (6) et l'arbre menant (5) provoque un débattement angulaire des masselottes (1) autour de leurs pivots (2), entraînant un déplacement radial de leurs centres de gravité par rapport à 1 ' arbre menant, donc une variation de 1 ' énergie cinétique des masselottes (1) et par suite une augmentation du couple transmis à l'arbre mené, caractérisé en ce qu'il comporte, pour obtenir le débattement angulaire des masselottes (1), des bielles de commande (14) de même longueur, fixées respectivement d'une part à l'une de leurs extrémités, sur des seconds pivots (13) solidaires des débattements angulaires des masselottes (1), et d'autre part, à leur autre extrémité, sur des troisièmes pivots (10) articulés autour du maneton (7) d'un vilebrequin central (8) constituant l'arbre mené (6) 2 - Appareil automatique de transmission mécanique selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'une lame élastique (11) est fixée, à lune de ses extrémités, sur la partie avant de chaque masselotte (1) et est articulée, à son autre extrémité, sur un second pivot (13) porté par une bielle de commande (14). 3 - Appareil automatique de transmission mécanique selon la revendication 1 caractérisé en ce que les troisièmes pivots (10) sont portés par un moyeu mené (9) monté à rotation autour du maneton (7) du vilebrequin central (8) constituant l'arbre mené (6), les troisièmes pivots (10) étant régulièrement repartis à égale distance de l'axe (O1) du maneton (7), parallèles entre eux et parallèles à cet axe ( 1) 4 - Appareil automatique de transmission mécanique selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que chaque bielle de commande (14) est constituée de deux barrettes dont les parties extrêmes sont fixées respectivement, de part et d'autre, sur les extrémités des seconds et troisièmes pivots (10,13) et dont les parties médianes sont incurvées pour être adjacentes et fixées au contact l'une de l'autre, par exemple par le moyen d'un boulon (15). 5 - Appareil automatique de transmission mécanique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque masselotte (1) est élargie et alourdie dans sa partie périphérique la plus éloignée de son premier pivot (2), et son centre de gravité (G), lorsqu'il est dans sa position le plus éloignée de l'axe central (O), doit être situé un peu en arrière du prolongement du rayon (B) joignant l'axe central (O) à l'axe du premier pivot (2) d'articulation de la masselotte (1). 6 - Appareil automatique de transmission mécanique selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comporte un deuxième ensemble indépendant de masselottes (1') de lames élastiques (11') et de bielles de commande (14'), exactement semblable au premier ensemble, coopérant avec un second moyeu rotatif (9') monté sur un second maneton (7') aménagé sur le vilebrequin (8) et diamétralement opposé au premier maneton (7) par rapport à l'axe central (O) de l'arbre mené (6). 7 - Appareil automatique de transmission mécanique selon la revendication 6 caractérisé en ce que les masselottes (1,1'), de chaque ensemble, toutes semblables, sont articulées par paires sur un même premier pivot (2) parallèle à l'axe central (O) et fixé, à chacune de ses extrémités, entre deux plateaux parallèles et coaxiaux (3,4) solidaires en rotation de l'arbre menant (5) et centrés sur l'arbre central du vilebrequin (8).