Brevet FR2767163A1 — publié le 19990212

MONTAGE SUR PALIER A COUCHE DE GAZ D'UN ARBRE A GRANDE VITESSE DE ROTATION La demande de brevet JP 59-99112 (A) décrit le principe de base de la stabilisation d'un montage dynamique sur palier à couche de gaz. Les paliers à couche de gaz sont agencés de façon à avoir des axes décalés les uns par rapport aux autres, ce qui entraine une déformation et donc une stabilisation de l'arbre tournant à grande vitesse. Les alésages des paliers dont les axes sont décalés les uns par rapport aux autres sont très coûteux à fabriquer car les tolérances de fabrication à respecter sont très petites. C'est pourquoi la demande de brevet DE-197 25 784.4-12 décrit une méthode plus intéressante dans laquelle on effectue un réglage du décalage des axes des paliers à couche de gaz au moyen d'un dispositif de réglage spécial sans avoir à respecter de petites tolérances de fabrication. Le but de l'invention est de fournir un montage sur palier qui permette de faire tourner une partie de machine, constituée d'un arbre et d'un outil, à la vitesse maximale, avec la plus grande précision de marche et la meilleure régularité de marche possible tout en consommant peu d'énergie, et qui soit en outre moins coûteux et facile à fabriquer. Conformément à l'invention, ce but est atteint grâce à un montage sur palier à couche de gaz d'un arbre tournant à grande vitesse de rotation avec un outil agencé à une extrémité, dans lequel au moins trois paliers à couche de gaz sont prévus le long de l'arbre pour le supporter radialement, ces trois paliers étant agencés dans un boîtier fixe, les alésages du premier et du troisième palier étant disposés de telle manière que leurs axes soient colinéires, et l'alésage du deuxième palier, qui se trouve au milieu, ayant un axe décalé par rapport aux axes des alésages du premier et du troisième palier, caractérisé en ce que le décalage des axes est provoqué par un dispositif de réglage. De préférence, la valeur de la rigidité radiale du deuxième palier médian par rapport au boîtier est au moins 4,3 fois inférieure à la valeur de la rigidité radiale du premier et du troisième palier par rapport audit boîtier, les rigidités radiales du premier et du troisième palier étant approximativement égales. De préférence, les trois paliers à couche de gaz sont reliés entre eux par de minces traverses sur le corps de palier. De préférence, le produit de la densité et du module d'élasticité du matériau de l'arbre est égal à au moins 6,7 fois le produit de la densité et du module d'élasticité du matériau des paliers. De préférence, il est prévu, pour le décalage des axes, une ou plusieurs vis qui s'appuient sur le corps du palier médian. De préférence, pour une fixation supplémentaire, la ou lesdites vis et le corps de palier sont collés audit boîtier. De préférence, la somme des masses du premier et du troisième palier, rapportée au module d'élasticité du premier ou du troisième palier, est égale à au moins 1, 5 fois le rapport de la masse au module d'élasticité du deuxième palier médian. De préférence, le produit du module d'élasticité et de la rigidité du deuxième palier médian par rapport au boîtier est au moins 2,7 fois supérieur au produit du module d'élasticité et de la rigidité du premier et du troisième palier par rapport au boîtier. De préférence, le rapport du coefficient de dilatation thermique linéaire à la conductibilité thermique du deuxième palier médian est au plus 2 fois supérieur au rapport du coefficient de dilatation thermique linéaire à la conductibilité thermique du premier ou du troisième palier. De préférence, le premier et le troisième palier sont collés dans le bottier. De préférence, le rapport du diamètre à la longueur du deuxième palier médian est égal à au moins 0,3 fois et au plus 1,5 fois le rapport du diamètre à la longueur du premier ou du troisième palier. De préférence, le rapport du diamètre à la plus petite hauteur de jeu du deuxième palier médian est au plus 3,7 fois plus grand que le rapport du diamètre à la plus petite hauteur de jeu du premier ou du troisième palier. De préférence, le produit de la longueur et de la plus petite hauteur de jeu du deuxième palier médian est égal à au plus 4,5 fois le produit de la longueur et de la plus petite hauteur de jeu du premier ou du troisième palier. De préférence, le rapport de la plus grande hauteur de jeu à la plus petite hauteur de jeu pour les trois paliers ne dépasse pas la valeur 3,3. De préférence, le produit de la plus grande hauteur de jeu et de la plus petite hauteur de jeu du premier ou du troisième palier est au moins 1, 2 fois supérieur au produit de la plus grande hauteur de jeu et de la plus petite hauteur de jeu du deuxième palier médian. Selon une variante de réalisation, le palier médian est monté fixe et le premier et le troisième palier sont disposés de telle manière que leurs axes soient décalés à l'aide d'un dispositif de réglage. Selon une autre variante de réalisation, il comporte plusieurs paliers dont les axes sont décalés les uns par rapport aux autres à l'aide de plusieurs dispositifs de réglage. A cause du montage désaxé des paliers à couche de gaz les uns par rapport aux autres, il se forme, entre les paliers et l'arbre, de plus petites hauteurs de jeu à la circonférence du jeu de palier à couche de gaz. Ces plus petites hauteurs de jeu sont, pour l'essentiel, responsables de la stabilité et de la rigidité du montage sur palier à couche de gaz. Plus ces plus petites hauteurs de jeu sont faibles, plus le montage sur palier est rigide et plus les vitesses pouvant être atteintes par l'arbre avant que des instabilités gênantes apparaissent au niveau du palier sont grandes. En outre, le rendement du montage sur palier augmente de manière continue avec la diminution des plus petites hauteurs de jeu, c'est-à-dire que le montage sur palier a besoin de moins en moins de puissance motrice pour obtenir une certaine rigidité et faire tourner ainsi de manière stable une masse prédéterminée à une certaine vitesse. Par conséquent, on peut en conclure que l'optimum du palier est atteint lorsque les plus petites hauteurs de jeu sont de plus en plus petites. Une réalisation statique de très petites hauteurs de jeu au moyen d'un usinage par enlèvement de copeaux ou d'un réglage à l'aide d'arbres d'ajustement est toujours liée à de très petites tolérances de fabrication et on arrive alors rapidement aux limites de la faisabilité. Pour réaliser par exemple de très petites hauteurs de jeu de 1 à 3 pm, les tolérances de fabrication pour l'arbre et le palier sont de 0,1 à 0,5 mn. Il s'est avéré qu'il est plus avantageux de régler les plus petites hauteurs de jeu directement au cours du fonctionnement du palier à couche de gaz et d'exploiter alors le comportement oscillatoire du montage sur palier. Cependant, cette réalisation dynamique de très petites hauteurs de jeu n'est possible qu'avec un dispositif de réglage précis pour décaler les axes des paliers. Le réglage dynamique des plus petites hauteurs de jeu de palier s'effectue de telle sorte que le montage sur palier est amené jusqu'à la vitesse à laquelle l'instabilité vibratoire (aussi appelée turbulence à demi-fréquence) apparaît. Les paliers sont alors décalés de manière à être excentrés à l'aide du dispositif de réglage afin d'obtenir des plus petites hauteurs de jeu et à stabiliser ainsi le montage sur palier. La vitesse peut ensuite encore être augmentée jusqu'à ce que le montage sur palier redevienne instable, à la suite de quoi les hauteurs de jeu les plus petites doivent être encore réduites à l'aide du dispositif de réglage jusqu'à obtenir une nouvelle stabilité de marche. Ces étapes doivent être répétées jusqu'à ce que la vitesse finale de fonctionnement soit atteinte. Deux à trois étapes suffisent souvent à atteindre la vitesse de fonctionnement du montage sur palier. Pour des raisons de sécurité, le montage sur palier doit être réglé de telle sorte que la vitesse utilisée pour le réglage lors de la turbulence à demi-fréquence soit environ 20 % supérieure à la vitesse de fonctionnement. Si le dispositif de réglage est trop grossier, les hauteurs de jeu les plus petites risquent de devenir trop petites lors du réglage et l'arbre risque donc de se bloquer ou d'être freiné, ce qui n'entraîne toutefois aucun endommagement du palier ou de l'arbre dans le cas des matériaux de palier utilisés. Il existe pour le dispositif de réglage des paliers à couche de gaz un grand nombre de possibilités de mise en oeuvre qui se divisent en deux groupes. Le premier groupe correspond aux dispositifs de réglage actionnés par une source d'énergie extérieure, au moyen desquels une force exercée sur les paliers provoque ledit décalage des axes des paliers. Une augmentation de la force de réglage conduit alors à une diminution des hauteurs de jeu les plus petites et donc à une augmentation de la rigidité du montage sur palier. Les dispositifs de réglage actionnés par une source d'énergie extérieure peuvent fonctionner par exemple de façon pneumatique, hydraulique ou électromagnétique. Le deuxième groupe des possibilités de mise en oeuvre correspond aux dispositifs de réglage actionnés par déplacement. Le décalage des axes des paliers s'effectue alors directement par l'intermédiaire d'un déplacement, des possibilités de transmission mécanique supplémentaires permettant toutefois un réglage très précis. Les plus importants dispositifs de réglage actionnés par déplacement fonctionnent selon le principe du plan incliné (vis, cône, came, etc.), selon le principe du levier ou au moyen de transmissions par engrenages. Les dispositifs de réglage actionnés par une source d'énergie extérieure sont surtout bien adaptés à un actionnement par l'intermédiaire d'une technique active de commande ou de régulation. Cette solution a l'avantage de permettre une adaptation du décalage des axes des paliers à chaque état de charge du montage sur palier (forces extérieures, vitesse de rotation, échauffement, puissance, etc.) de sorte qu'il n'apparaît pas d'états vibratoires critiques. Ce montage actif sur palier à couche de gaz convient pour supporter des forces extérieures plus grandes et pour garantir malgré tout la stabilité de la marche. Pour l'acquisition des grandeurs d'état des paliers destinées à la technique de commande ou de régulation, on peut utiliser par exemple des capteurs de pression, de vitesse et de température. Dans d'autres formes de réalisation de l'invention, on a recherché des possibilités et des idées de conception permettant d'améliorer encore le dispositif de réglage existant pour mettre en oeuvre sans problème le réglage très précis du décalage des axes des paliers à couche de gaz. Comme un grand nombre de propriétés et de valeurs d'influence agissent sur le système mécanique du dispositif de réglage, un grand nombre de dispositifs de réglage peuvent être utilisés, la plupart ne convenant toutefois pas à satisfaire suffisamment aux exigences voulues. Il s'est avéré que ce ne sont pas les valeurs absolues mais surtout les valeurs relatives et les rapports des grandeurs géométriques et des propriétés physiques qui sont importants pour le fonctionnement sûr et optimal du dispositif de réglage, et que tout doit être considéré sous une forme relative. On a indiqué plus haut des rapports et relations qui limitent à chaque fois de manière univoque un domaine de valeurs avantageux. Les trois paliers du montage sur palier à couche de gaz selon l'invention sont agencés et fixés dans un boîtier fixe de telle sorte que le premier et le troisième palier ont chacun approximativement la même rigidité radiale par rapport au boîtier. Le deuxième palier, médian, à couche de gaz doit avoir une rigidité radiale nettement plus petite, au moins d'un facteur 4,3. Cette propriété mécanique du dispositif de réglage offre l'avantage que, lors du réglage du décalage des axes des paliers les uns par rapport aux autres, il n'apparaît pas de grande déformation par flexion du palier et que, par conséquent, la précision de la forme du jeu de palier, qui est formé entre l'arbre et le palier, est conservée. On a constaté de plus un effet avantageux sur le comportement vibratoire de l'ensemble du montage sur palier car les fréquences de résonance propre des paliers dans le boîtier ne donnent pas d'interférences défavorables. En outre, on peut ainsi améliorer l'atténuation de la vribration synchrone à la vitesse de rotation de l'arbre tournant à grande vitesse. Un autre avantage décisif est la réduction de l'effet de glissementadhérence (effet "Slip-Stick") lors du réglage du décalage des axes des paliers avec une précision de quelques micromètres et donc l'impossibilité d'un blocage du montage sur palier lorsque le réglage est effectué lors du fonctionnement. Un plus grand effet de glissement- adhérence conduit à un réglage par à-coups du décalage des axes et pose des problèmes difficiles & résoudre. Les propriétés thermiques et thermodynamiques sont d'une grande importance pour le fonctionnement parfait du dispositif de réglage en relation avec l'ensemble du montage sur palier. Comme les géométries des jeux de palier sont de l'ordre du micromètre et comme une utilisation à grande vitesse du montage sur palier fait apparaître des pertes notables par frottement, les propriétés des pièces utilisées, par exemple le coefficient de dilatation thermique, la conductibilité thermique et la capacité de chaleur massique, sont & prendre en compte. Le bon choix des matériaux à partir de ces propriétés ainsi que l'adaptation des dimensions des pièces à ces propriétés sont indispensables. Si les rapports proposés ne sont pas respectés, il se produit un blocage de l'arbre dans le palier, ce qui peut provoquer une panne et des dommages considérables au niveau de l'ensemble du montage sur palier. En outre, il est important de fixer un rapport correct entre les grandeurs géométriques des trois paliers à couche de gaz. Comme grandeurs géométriques, on considère surtout le diamètre du palier, la largeur du palier, la hauteur du jeu et l'excentricité, c'est-à-dire le décalage des axes. Ces grandeurs sont décisives pour la formation de pressions maximales et de courbes de pression optimales dans le jeu du palier à couche de gaz. Parmi les possibilités de montage sur palier, le palier à couche de gaz est le système vibrant le plus étendu. Des instabilités peuvent apparaître sous forme de turbulences à demi-fréquence et de martèlements d'air. Dans les cas d'utilisation à grande vitesse de rotation, la fréquence propre du palier doit être atteinte et un déphasage doit être pris en compte. Toutes les grandeurs géométriques et les propriétés physiques mentionnées agissent sur ce système vibrant et c'est seulement avec une prise en compte de relations déterminées entre toutes les grandeurs d'influence et avec le respect de valeurs déterminées que le comportement vibratoire complexe de l'arbre avec l'outil et des trois paliers à couche de gaz dans le boîtier peut être maîtrisé. C'est seulement lorsque les enseignements techniques indiqués plus haut sont pris en compte que les exigences maximales imposées au montage sur palier en relation avec le dispositif de réglage peuvent être suffisamment satisfaites et qu'il est possible de progresser dans des domaines limites de la physique. L'exemple de réalisation donné plus loin permet de décrire plus en détail un dispositif de réglage simple et économique. Les paliers désaxés y sont reliés par de minces traverses qui opposent une résistance à la flexion au décalage produit par le dispositif de réglage actionné par déplacement à l'aide d'une vis, de telle sorte qu'une grande modification du couple sur la vis ne provoque qu'une petite course de réglage. Cette méthode permet un réglage précis des plus petites hauteurs de jeu. Un autre avantage réside dans le fait que, lors du réglage statique du montage sur palier à couche de gaz, l'alimentation en gaz des différents paliers peut s'effectuer par l'intermédiaire des minces traverses. Les figures 1 et 2 sont des vues respectivement en coupe axiale et en coupe transversale montrant un exemple de réalisation, à l'échelle, du montage sur palier d'un miroir polygonal tournant à grande vitesse. Un arbre 1 est supporté par des paliers à air, en direction radiale et axiale, dans un boîtier 2. Un disque, sur la surface périphérique duquel est agencé le miroir polygonal nécessaire à la déviation d'un faisceau laser dans des appareils optiques (par exemple scanner, imprimante, etc.), se trouve à une extrémité de l'arbre 1. A travers un trou 9 situé dans le couvercle de fermeture 8, le faisceau laser peut arriver sur le miroir polygonal et y être réfléchi. Le moteur qui est constitué d'un rotor 10 fixé sur l'arbre 1 et d'un stator 11 agencé dans le boîtier 2 se trouve à l'autre extrémité de l'arbre 1. La fixation entre l'arbre 1 et le rotor 10 est assurée ici par un ajustement serré. Pour le montage radial de l'arbre 1 sur palier à air, il y a trois paliers 3a, 3b, 3c. Le premier palier 3a et le troisième palier 3c sont collés dans le boîtier 2. Lors du collage, le corps de palier est fixé par une vis située dans le trou taraudé 7. Le palier médian 3b est relié par de minces traverses 4 au premier et au troisième palier et il peut être réglé en direction radiale par la vis 5. Après que le montage sur palier à air a été réglé de façon à avoir un comportement de marche stable de la façon décrite plus haut, le palier médian 3b peut être collé en plus au boîtier 2 à l'aide des trous 6. La coquille de palier 3 en graphite peut être enfoncée dans les paliers. Les surfaces transversales planes du disque situé à l'extrémité de l'arbre 1 servent de butée axiale, des deux côtés. La butée axiale entre l'arbre 1 et le palier 3a est alimentée en air comprimé par l'intermédiaire du palier radial. Pour obtenir une mise en oeuvre optimale, le spécialiste devra respecter lors de la construction de ce montage sur palier à couche de gaz avec dispositif de il réglage toutes les relations et tous les rapports, qui ont été indiqués plus haut, entre les grandeurs géométriques et les propriétés physiques. REVENDICATIONS 1. Montage sur palier & couche de gaz d'un arbre (1) tournant à grande vitesse de rotation avec un outil agencé à une extrémité, dans lequel au moins trois paliers (3a-3c) à couche de gaz sont prévus le long de l'arbre pour le supporter radialement, ces trois paliers étant agencés dans un boîtier (2) fixe, les alésages du premier et du troisième palier (3a et 3c) étant disposés de telle manière que leurs axes soient colinéires, et l'alésage du deuxième palier (3b), qui se trouve au milieu, ayant un axe décalé par rapport aux axes des alésages du premier et du troisième palier, caractérisé en ce que le décalage des axes est provoqué par un dispositif de réglage (5). 2. Montage sur palier selon la revendication 1, caractérisé en ce que la valeur de la rigidité radiale du deuxième palier médian (3b) par rapport au boîtier (2) est au moins 4,3 fois inférieure à la valeur de la rigidité radiale du premier et du troisième palier (3a, 3c) par rapport audit boîtier, les rigidités radiales du premier et du troisième palier étant approximativement égales. 3. Montage sur palier selon la revendication 1, caractérisé en ce que les trois paliers (3a-3c) à couche de gaz sont reliés entre eux par de minces traverses (4) sur le corps de palier. 4. Montage sur palier selon la revendication 1, caractérisé en ce que le produit de la densité et du module d'élasticité du matériau de l'arbre (1) est égal à au moins 6,7 fois le produit de la densité et du module d'élasticité du matériau des paliers (3a-3c). 5. Montage sur palier selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est prévu, pour le décalage des axes, une ou plusieurs vis qui s'appuient sur le corps du palier médian (3b). 6. Montage sur palier selon la revendication 1, caractérisé en ce que la somme des masses du premier et du troisième palier (3a, 3c), rapportée au module d'élasticité du premier ou du troisième palier, est égale à au moins 1,5 fois le rapport de la masse au module d'élasticité du deuxième palier médian (3b). 7. Montage sur palier selon la revendication 1, caractérisé en ce que le produit du module d'élasticité et de la rigidité du deuxième palier médian (3b) par rapport au boîtier (2) est au moins 2,7 fois supérieur au produit du module d'élasticité et de la rigidité du premier et du troisième palier (3a, 3c) par rapport au boîtier. 8. Montage sur palier selon la revendication 1, caractérisé en ce que, pour une fixation supplémentaire, la ou lesdites vis et le corps de palier sont collés audit boîtier (2). 9. Montage sur palier selon la revendication 1, caractérisé en ce que le rapport du coefficient de dilatation thermique linéaire à la conductibilité thermique du deuxième palier médian (3b) est au plus 2 fois supérieur au rapport du coefficient de dilatation thermique linéaire à la conductibilité thermique du premier ou du troisième palier (3a, 3c). 10. Montage sur palier selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier et le troisième palier (3a, 3c) sont collés dans le boîtier (2). 11. Montage sur palier selon la revendication 1, caractérisé en ce que le rapport du diamètre à la longueur du deuxième palier médian (3b) est égal à au moins 0,3 fois et au plus 1,5 fois le rapport du diamètre à la longueur du premier ou du troisième palier (3a, 3c). 12. Montage sur palier selon la revendication 1, caractérisé en ce que le rapport du diamètre à la plus petite hauteur de jeu du deuxième palier médian (3b) est au plus 3,7 fois plus grand que le rapport du diamètre à la plus petite hauteur de jeu du premier ou du troisième palier (3a, 3c). 13. Montage sur palier selon la revendication 1, caractérisé en ce que le produit de la longueur et de la plus petite hauteur de jeu du deuxième palier médian (3b) est égal à au plus 4,5 fois le produit de la longueur et de la plus petite hauteur de jeu du premier ou du troisième palier (3a, 3c). 14. Montage sur palier selon la revendication 1, caractérisé en ce que le rapport de la plus grande hauteur de jeu à la plus petite hauteur de jeu pour les trois paliers ne dépasse pas la valeur 3,3. 15. Montage sur palier selon la revendication 1, caractérisé en ce que le produit de la plus grande hauteur de jeu et de la plus petite hauteur de jeu du premier ou du troisième palier (3a, 3c) est au moins 1,2 fois supérieur au produit de la plus grande hauteur de jeu et de la plus petite hauteur de jeu du deuxième palier médian (3b). 16. Montage sur palier selon la revendication 1, caractérisé en ce que le palier médian (3b) est monté fixe et le premier et le troisième palier (3a, 3c) sont disposés de telle manière que leurs axes soient décalés à l'aide d'un dispositif de réglage. 17. Montage sur palier selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs paliers dont les axes sont décalés les uns par rapport aux autres à l'aide de plusieurs dispositifs de réglage.