Brevet FR2794207A1 — publié le 20001201

La présente invention se rapporte à un dispositif de variation continue de vitesse relié à une source unique de puissance. On sait que tout moteur thermique soumis à des ef forts variables, doit être associé à un dispositif de démultiplication permettant de maintenir son régime dans une plage d'utilisation optimale, ainsi les groupes moto- propulseurs classiques comprennent un embrayage et une boîte mécanique à plu sieurs rapports à commande manuelle ou automatique, qui remplit cette fonction de démultiplication. Un premier inconvénient de ce type de transmission réside dans les fréquentes ruptures d'effort que subit le moteur lors des changements de rapport, ce phénomène s'appliquant aussi bien aux boîtes à commande manuelle qu'aux boîtes à commande automatique. De plus, une telle solution entraîne une perte de rendement. L'adjonction de coupleurs ou convertisseurs hydrocinétiques n'a pas permis de résoudre ces problèmes de façon réellement satisfaisante. Des ensembles hydrostatiques, comprenant une pompe et un moteur hydrauliques, constituent des variateurs qui malgré leur sou plesse d'utilisation sont d'un rendement peu satisfaisant, pour faire face à des cou ples élevés. Dans un variateur de vitesse connu, un mécanisme différentiel comportant trois émergences, deux organes d'entrée et un organe de sor tie, est mis en oeuvre, chacun des organes d'entrée étant relié à une source de puis sance et l'organe de sortie à un organe récepteur. Ce brevet décrit deux modes de réalisation comportant application pour l'un d'un mécanisme différentiel à train plané taire et, pour l'autre, d'un mécanisme différentiel à pignons coniques. Dans chacun de ces modes de réalisation d'un variateur de vitesse un premier organe d'entrée, c'est-à-dire un planétaire du mécanisme différentiel est relié à une source de puis sance principale, un deuxième organe d'entrée c'est-à-dire le porte-satellites étant re lié à la source de puissance auxiliaire, destinée à faire varier le rapport entre les vi tesses de l'organe de sortie du mécanisme différentiel et de la source de puissance principale. Dans un autre variateur de vitesse connu, ayant fait l'objet de la Demande de brevet FR-8700175 au nom du présent Demandeur, deux sources de puissance l'une principale, l'autre auxiliaire sont aussi associées à un mé- canisme différentiel à trois émergences affectées présentant deux modes de réalisa tion , dans lesquelles le moteur auxiliaire est toujours relié par une vis sans fin au premier planétaire du mécanisme différentiel, lui évitant ainsi de fonctionner en ré cepteur. Dans les deux brevets précités, la source de puis sance auxiliaire fournit une énergie d'appoint permettant, en particulier, de gérer la variation. Il apparaît qu'avec de tels variateurs de vitesse, le rendement obtenu n'est pas satisfaisant. On connaît également un agencement dans lequel une transmission à courroies et poulies de diamètre variable permet de réaliser une variation continue de vitesse de l'arbre de sortie de l'ensemble moto-propulseur. Toutefois cet agencement ne permet pas de supporter des couples importants, ce qui en limite les applications à des groupes de faible puissance. Enfin des recherches ont été effectuées sur des dis positifs variateurs à friction et pression de contact, mais les résultats obtenus ont été dans l'ensemble décevants, notam ment en ce qui concerne la tenue et la fiabilité de ces dispositifs. L'invention a donc pour but de réaliser un dispositif à variation continue de vitesse permettant de remédier à ces divers inconvénients et en particulier d'obtenir des rendements de transmission de puissance satisfaisants, en ayant recours à une source unique de puissance. A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif à va riation continue de vitesse comprenant un mécanisme différentiel à trois émergences affectées à un organe d'entrée et deux organes de sortie qui tournent dans le même sens ; un des organes de sortie dit sortie secondaire est habituellement coaxial de l'organe d'entrée auquel il est relié par l'intermédiaire d'un variateur, l'autre organe de sortie ou sortie principale est relié au récepteur, l'organe d'entrée étant relié à la source unique de puissance ; le variateur reçoit sa puissance du mécanisme différen tiel par son organe de sortie secondaire toujours relié au premier planétaire non cou plé du mécanisme différentiel. Dans l'exemple qui va suivre: Le variateur (3) est un variateur à courroie, d'un type connu, comprenant deux poulies à diamètre variable, constituées chacune d'un flas que mobile et d'un flasque fixe, l'ensemble pour les deux poulies étant monté en op position ; une des poulies est la poulie motrice qui reçoit sa puissance Pv du méca nisme différentiel (5) par son organe de sortie secondaire, cette puissance est récu pérée au rendement prés par l'intermédiaire de la poulie réceptrice du variateur (3) sur l'organe d'entrée du mécanisme différentiel auquel elle est reliée. Le mécanisme différentiel à trois émergences est - soit un train épicycloïdal simple de type 1, - soit une association obtenue par couplage d'organes de deux trains épicycloïdaux simples de type 1, un train épicycloïdal pouvant être remplacé par un différentiel simple donc de raison égale à +1, l'entemble donnant un mécanisme différentiel composé conforme aux montages contenu dans les figures 1 ou 2 du bre vet FR-8700175, à quatre émergences, dont trois seulement sont affectées. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre d'un mode de réalisation, donné à titre d'exemple, fait en référence aux dessins annexés La figure 1 est un schéma de l'exemple de réalisation choisi. La figure 2 est un rappel du mécanisme différentiel de la figure 2 du brevet FR-8700175 uti.lisé dans l'exemple choisi avec les trains d'engrenage actuel de liaison. La figure 3 est une vue d'ensemble et en coupe qui illustre le mode de réalisation d'un dispositif de l'invention qui va être décrit à titre d'exemple. Le dispositif est relié à une source unique de puis sance, constituée par exemple par un moteur à combustion interne, comportant son arbre de sortie 1 qui est relié par le train d'engrenage (20b) à l'arbre d'entrée (6) du mécanisme différentiel, solidaire du porte-satellites (51) d'un premier train épicycloïdal simple et du planétaire (35) d'un deuxième train épicycloïdal simple, il les entraîne. Le porte-satellite (54) du deuxième train épicycloïdal est solidaire de l'arbre de sortie principal (2) relié à un récepteur ; le couple résistant de ce dernier contribue à ren voyer une partie de la puissance motrice sous forme de puissance de variation vers l'arbre de sortie secondaire (26), coaxial de l'arbre d'entrée(6) et toumant dans le même sens. Dans le premier train épicycloïdai simple les pignons satellites (18) du porte-satellites (51) d'axes parallèles à celui de ce dernier sont en prise d'une part avec la couronne (47) solidaire de la couronne (48) du deuxième train épicycloïdal, donnant ainsi le carter toumant (40), et d'autre part avec le planétaire (31), solidaire de l'arbre de sortie secondaire (26). Dans le deuxième train épicycloïdal, les pignons sa tellites (36) du porte-satellites (54) d'axes parallèles à ce dernier engrènent d'une part avec la couronne (48) d'autre part avec le planétaire (35). Le mécanisme différentiel fournit la puissance de va riation Pv par son arbre de sortie secondaire (26) à un train de deux poulies de dia mètre vahable reliée par courroie, cet ensemble à commande incorporée (27) avec moto-réduction à vis et boîtier électrique de fin de course est connu, il comprend -, une poulie motrice (25), composé de deux flasques (25a) et (25b) dont l'un (25a) est mobile longitudinalement suivant l'axe de rotation de la pièce son déplacement est impulsé par la commande incorporée (27) à laquelle il est relié, cette dernière transmetta nt les ordres de déplacements latéraux par exem ple en fonctlion de la vitesse de rotation de l'arbre de sortie (1), de la source unique de puissance. Une poulie réceptrice (30), comporte elle aussi un flasque mobile (30a), mobile longitudinalement suivant l'axe de rotation, et un flasque fixe (30b), tous deux montés en opposition par rapport à chacun des deux (25a) et (25b) de la poulie motrice (25). La poulie réceptrice (30) comprend aussi un ressort de rappel (29) qui relié au flasque mobile (30a) assure automatiquement son dépla cement et la tension de la courroie (28). La poulie réceptrice (30) est reliée à l'arbre d'entrée (6) du mécanisme différentiel, par le train d'engrenages (24b) dont la réduction est fonction des caractéristiques du train de poulies choisi et de l'application souhaitée ; la puissance de variation est ainsi récupérée au rendement près sur l'arbre d'entrée (6) Les vitesses de rotation de différents organes de l'exemple illustré par la figure 3 sont données par la relation suivante : elle est la for mule résultante obtenue par résolution des deux relations de WILLIS internes Ne (1 + R) - N, R - N, 0 avec dans ce cas R (R, +Rl R2)IR2 de telle sorte que R>+l R, >+1 R2 _> + 1 R, est la raison du premier train épicycloïdal simple, soit le rapport du nombre de dents de la première couronne (47) au nombre de dents du premier planétaire (31) R2 est la raison du second train épicycloïdal simple, soit le rapport du nombre de dents de la seconde couronne (48) au nombre de dents du second planétaire (35), et comme dans cet exemple - Rl=3etR2=2; R=4,5. Ne est la vitesse de rotation de l'arbre d'entrée (6) du mécanisme différentiel, N, la vitesse de rotation de l'arbre de sortie principal (2) de ce dernier. N, la vitesse de rotation de son arbre de sortie se condaire (26). Diverses données de la variation sont inscrites dans le tableau suivant à partir d'une variation du régime moteur donnant sur l'arbre d'en trée (6), du mécanisme différentiel composé, une variation de régime comprise entre 800 et 3000 tours/minute. N,(trs/mn) : + 800 + 1.000 + 2.000 + 3.000 + Nl trsimn): + 4.985 + 5.500 + 4.000 + 3.000 + N, (trs/m n) -130 - 0 - 1.555,55 + 3.000 + Ns/N -0,16 - 0 + 0,78 + 1 + (1 +R)IR e La variation comporte ainsi des phases négatives nulles et positives : La vitesse de rotation de l'arbre de sortie (2) telle que N, = (x, appelée vitesse de référence est obtenue lorsque la vitesse N, de l'arbre de sortie secondaire (26) est supposée nulle, à ce moment la vitesse N, de l'arbre d'en trée (6) est telle que NJN, l+R) / R) > +1; plus R a une valeur élevée plus celle du rapport NJN, correspondant à la vitesse de référence est proche par excès de la valeur +1. La puissance de variation P, qui emprunte l'arbre de sortie secondaire (26), a pour expression en fonction du couple C, correspondant à l'arbre de sortie principale (2), de sa vitesse de rotation N, et de la valeur de sa vi tesse de référence a PV Cr, (Nz, - a) Lorsque N., cc, Pv a une valeur négative, c'est le mécanisme différentiel composé qui fournit par son arbre de sortie secondaire (26) de la puissance au train de poulie, c'est le cas de l'invention, et donc celui de l'exemple choisi. Lorsque N. > (x, c'est le train de poulie qui fournit de la puissance au mécanisme différentiel et l'émergence constitué par son arbre (26), de sortie secondaire devient entrée secondaire et le train de poulie n'a pas selon l'in vention a être prévu pour cette phase de la variation, il serait alors traversée directe ment par de la puissance émise par la source unique de puissance, cela conduirait éventuellement à le recalculer. Il peut paraître suffisant dans la pratique de limiter la variation de telle sorte que nous ayons : 0 NJN, +1 De plus, les diverses équations d'équilibre et le théo rème de conservation de l'énergie applicables au mécanisme différentiel composé permettent aussi d'aboutir à l'expression suivante , C, étant le couple de variation sur la sortie secondaire (26) :C, = Cr,/ R Le variateur à courroie est ainsi protégé par la raison R du mécanisme différentiel composé des effets négatifs d'un couple résistant trop élevé, tels que glissements, usure prématurée, ce qui serait le cas avec des engins porte-outils tels que tracteurs et même motoculteurs ainsi, plus la valeur de R est élevée suivant l'application envisagée, mieux ce type de protection est assuré. Concernant les mécanismes différentiels composés utilisés dans l'invention, si R>+l est la raison résultante de l'un d'eux, et Ri R2= 2, les raisons du premier et du second train planétaire le composant, il est pos sible d'avoir: R R,+RIR2 le mécanisme différentiel correspondant au montage de la figure 1 du brevet FR-8700175 ; où R Ri + R2 + R,R2 (autre exemple), et R - (Ri +Rl.R2)/R2= 4,5 (exemple choisi), le mécanisme différentiel composé correspondant au montage de la figure 2, du bre vet précité. De très nombreuses autres valeurs peuvent être ob tenues suivant l'application demandée, elles sont fonction de la valeur de RI et de R2 et de l'affectation des émergences du mécanisme différentiel composé ; il est ainsi possible d'atteindre pour R des valeurs difficiles et/ou impossibles à obtenir par cons truction sur un seul train épicycloïdal simple de type 1. Les deux types de mécanisme différentiel proposés comportent quatre émergences dont deux sont couplés par les organes de chacun des deux trains épicycloïdaux simples les composant. L'affectation de trois des quatre émergences pour l'entrée, la sortie secondaire, et la sortie principale du mécanisme différentiel se fera conformément à la règle suivante : # La sortie secondaire est toujours solidaire dans les deux types de mécanismes différentiels composés du planétaire du train épicycloïdal simple, qui n'est jamais couplé avec un des organes de l'autre train épicycldidal sim ple ; soit le planétaire (31) dans l'exemple choisi, ceci afin de faire bénéficier le train de poulie de la protection déjà citée. L'entrée et la sortie principale seront solidaires des deux autres émergences affectées indiquées par les paramètres de chacune des deux équations résultantes, correspondant à chacun des deux types de mécanisme différentiel composé considérés. (Figures 1 et 2 du Brevet FR-8700175) sachant que L'équation résultante est obtenue après résolution du système de deux équations données chacune par la formule de Willis applicable à chacun des deux trains épicycloïdaux simples composants, par élimination du para mètre correspondant à une de leur deux émergences couplés. Chaque formule ré sultante des deux types de mécanisme différentiel composé proposé est identifiable membre à membre et terme à terme à chaque formule de Willis correspondant à cha cun des trains épicycloïdaux simples de type 1 qui le composent, ils fonctionnent donc chacun comme un train épicycloïdal simple de type 1 de même raison R > +1, dont - la sortie secondaire serait toujours solidaire du pla nétaire, l'entrée et la sortie principale solidaires respective ment du porte--satellites et de la couronne. La difficulté réside pour le train épicycloïdal simple en particulier dans le fait que, plus la raison R augmente, plus le train épicycloïdal simple est difficile, puis impossible à réaliser, ce qui n'est pas le cas des mécanismes diffé rentiels composés proposés avec qui une gamme de raisons résultantes dont certai nes très importantes, sont faciles à obtenir par construction ; de plus concernant ces derniers pour des couples résistants importants, ils sont plus robustes, plus compacts d'un rendement au moins équivalent. Dans l'exemple choisi la formule résultante peut s'écrire- NJN, 1/R.(I+R-(Ni/N, ainsi NJN, est une fonction linéaire décroissante de N,/N,-, pour que NJN, soit déterminé par exemple par le régime moteur, il suffit que Ni/N, donc le positionnement des flasques mobiles (25a) et (30a) soit défini par un programme intermédiaire préétabli en fonction de l'application, des moyens étant prévus à cet effet. Il est donc ainsi possible d'obtenir que plus N, donc le régime moteur, est élevé plus la réduction est faible, et inversement, moins le ré gime moteur est élevé plus la réduction de la combinaison est importante comme l'indique le tableau qui précède. Dans le cas où la source de puissance est un moteur thermique par exemple sur un véhicule de tourisme : Le régime moteur dépend de l'intervention humaine et du couple résistant il est, suivant ce qui précède, limité par le système et donc le plus bas dans les phases de démarrage fréquentes en agglomérations, il n'émettra ainsi qu'un pourcentage réduit du volume de gaz habituellement émis, d'où une dimi nution appréciable de la pollution. Toujours dans le même cas, un moteur thermique ne pouvant démarrer en charge, il est indispensable que le point zéro (Ns soit obte nu pour un régime moteur dont la valeur est comprise par exemple entre 800 et 1500 trs/mn à ce moment nous avons suivant la formule résultante : NIIN, 1+R ces données sont à intégrer aux calculs et au pro gramme. L'importance de la plage de variation peut être déli mitée en fonction de l'application envisagée ainsi dans le cas présent - la course du flasque mobile (25a) peut être limité mécaniquement, des moyens étant prévus à cet effet, de telle sorte que selon la formule résultante pour 1+R > N, 1 N, > + 1 nous ayons 0 N,/ N, ##+1 Uinversion du mouvement de rotation de l'arbre de sortie (2) peut être obtenu en utilisant les capacités du mécanisme différentiel (5), ce pendant pour compléter la gamme de variation précitée, un boîtier inverseur, com portant donc aussi un point mort et une prise directe peut s'intercaler entre l'arbre de sortie 1 du moteur et l'arbre d'entrée (6) du mécanisme différentiel ; l'intéheur du bâti (4) renfermant le train d'engrenage (20b) pouvant être aménagé à cet effet ; un or gane de rupture même simplifié, situé entre le moteur et le boîtier inverseur peut être commandé suivant un procédé connu à partir d'un levier de commande à trois posi tions ( MAV - R'M - M.AR) ; dans le cas d'un véhicule cet organe de rupture n'est utile que pour introduire l'inversion, ou la prise directe ; les démarrages, redémarra- ges et arrêts ont lieu par utilisation de l'accélérateur et du frein sans utilisation de l'or gane de rupture, puisque en particulier la variation ne commence qu'au point 0 pour se développer jusqu'à 1 et vice-versa en fonction du régime moteur. Le frein moteur est normalement assuré sur les rap ports générés par le régime moteur, à ce moment la sortie secondaire (26) fonctionne toujours en sortie ; suivant ce qui a été écrit précédemment, la protection du train de poulie à courroie par rapport au couple résistant, devenu ici couple moteur, et s'exer çant sur l'arbre de sortie (2) est assurée. Il est possible, en cas de nécessité, d'interrompre la variation, par exemple avec l'aide d'un interrupteur, si le pilotage est électronique et d'obtenir ainsi momentanément pour le système un rapport de réduction fixe sur le quel il est possible de faire varier le régime moteur sans entraîner de variation du rapport de réduction. Le dispositif de commande peut être électronique ba sé sur le programme d'utilisation du matériel aboutissant à la commande incorporée (27) ; ce dispositif et le variateur intégré au système peuvent être de quelque nature que ce soit produisant le même type de résultats ; ils peuvent aussi permettre pour certaines applications une régulation de la vitesse de sortie, l'ensemble demeurant très compact. Il va sans dire que le variateur, objet de l'invention, peut s'appliquer à de nombreux domaines dans l'industrie, en particulier pour la trac tion des véhicules (véhicules de tourisme et de transport, bateaux, tracteurs, etc..) ou pour l'actionnement de machines (machines-outils, motoculteurs, escalators, ascen seurs, etc..) ei en général à tout dispositif requérant l'utilisation d'une force motrice. REVENDICATIONS 1.- Dispositif de variation de vitesse quasi positif relié à une source unique de puis sance, constitué d'un mécanisme différentiel composé de deux trains épicycloï- daux simples de type 1 disposés en série, le fonctionnement de ce mécanisme dif férentiel composé étant assimilable à celui d'un train épicycloïdal simple de type 1 qui admettrait pour raison la raison résultante de ce mécanisme différentiel-, Ca ractérisé .- en ce que le dit mécanisme différentiel composé fournit de la puissance de variation avec réduction de couple par sa sortie secon daire (26) à un variateur (3) commandé de l'extérieur, des moyens étant prévus à cet effet, ce variateur (3) étant constitué par un train de poulies à diamètre varia ble, la puissance de variation qui le traverse étant récupérée (au rendement prés) sur l'arbre d'entrée (6) de la combinaison ainsi réalisée, la variation engendrée sur la sortie principale (2) en mode continu, en phase négative, nulle et positive per mettant une adaptation constante de la réduction au couple résistant, la combinai son permettant de stopper la variation en stationnant sur un rapport de réduction, d'utiliser I'e frein moteur, de positionner mécaniquement par exemple pour un mo teur thermique la réduction nulle dans l'évolution de son régime 2.- Dispositif de variation de vitesse quasi positif selon la revendication 1, caractérisé: en ce que le fonctionnement du mécanisme différen tiel composé est assimilable à celui d'un train épicycloïdal simple de type 1 compo sé d'un porte'-satellites, d'une couronne et d'un planétaire, dont - - l'organe d'entrée est solidaire du porte-satellites, - l'organe de sortie principale est solidaire de la couronne, - l'organe de sortie secondaire est solidaire du planétaire ; 3.- Dispositif de variation de vitesse quasi positif selon la revendication 2, caractérisé: en ce que son mécanisme différentiel composé (5) à quatre émergences représentées par les organes (6), (2), (40), (26) aura trois émergences affectées à l'entrée, la sortie et la sortie secondaire du mouvement soit respectivement (6), (2), (26), dans tous les cas, une des deux émergences is sue d'un couplage entre deux émergences respectives à chacun des deux trains épicycloïdaux simples n'est pas affectée, étant l'émergence (40) issue de (47) et (48); 4.- Dispositif de variation de vitesse quasi positif selon l'une quelconque des revendi cations 2 et 3, caractérisé : en ce que son organe d'entrée (6) est solidaire du porte-satellites (51) du mécanisme différentiel composé (5) ; 5.- Dispositif de variation de vitesse quasi positif selon l'une quelconque des revendi cations 2, 3 et 4, caractérisé : en ce que l'organe de sortie secondaire (26) du mé canisme différentiel composé (5) qui fournit la puissance sous couple réduit au va riateur (3) est toujours solidaire du seul planétaire (31) non couplé - 6.- Dispositif de variation de vitesse quasi positif selon l'une quelconque des revendi cations 1, 2, 3, 4, et 5, caractérisé en ce que la variation qui peut se situer dans une phase positive, nulle ou négative sur l'arbre de sortie principale (2) donne une ré duction qui croît et décroît en sens inve.rse du régime moteur, de la source unique de puissance. 7.- Dispositif de variation de vitesse quasi positif selon les revendications 1 et 2, ca ractérisé.- en ce que son mécanisme différentiel composé (5) à quatre émergences représentées par les organes (6), (2), (40), (26) aura trois émergences affectées à l'entrée, la sortie et la sortie secondaire du mouvement soit respectivement (2), (40), (26), dans tous les cas, une des deux émergences issue d'un couplage entre deux émergences respectives à chacun des deux trains épicycloïdaux simples n'est pas affectée, étant l'émergence (6) issue de (51) et (35); 8.- Dispositif de variation de vitesse quasi Positif selon les revendications 1, 2 et 7, ca ractérisé - en ce que son organe d'entrée (2) est solidaire d'un des deux porte-satellites (54) du mécanisme différentiel composé (5) ; 9.- Dispositif de variation de vitesse quasi positif selon l'une quelconque des revendi cations 1,2,7 et 8, caractérisé : en ce que Torgane de sortie secondaire (26) du mé canisme différentiel composé (5) qui fournit la puissance sous couple réduit au va riateur (3) est toujours solidaire du seul planétaire (31) non couplé 10.- Dispositif de variation de vitesse quasi positif selon l'une quelconque des reven dications 1, 2, 7, 8 et 9, caractérisé : en ce que la variation qui peut se situer dans une phase positive, nulle ou négative sur l'arbre de sortie principale (40) donne une ré duction qui croît et décroît en sens inverse du régime moteur, de la source unique de puissance.