Brevet FR2801361A1 — publié le 20010525

La présente invention a pour un objet un variateur de couple et de vitesse mécanique constitué d'un ensemble de butées à billes ou à rouleaux à pression variable et commandée recevant le mouvement moteur et entraînant en rotation un ensemble d'engrenages, qui communique le mouvement transformé à un arbre de transmission selon l'interaction de ces deux ensembles. Ce dispositif pouvant croître d'une vitesse nulle à une vitesse rapide sélectionnée est adaptable à des machines de toute sorte et à des véhicules roulants tels que : Automobiles, véhicules lourds, tracteurs agricoles, motocyclette et même la bicyclette. Il existe actuellement plusieurs systèmes de variateurs de vitesse. Tout d'abord les réducteurs à engrenages dont le rapport de couple et de vitesse, est défini et ne peut être modifié. Ces réducteurs sont ensuite perfectionnés et transformés en boîtes de vitesse permettant d'obtenir une gamme de vitesses sélectionnées nécessitant pour toutes ces variations l'interaction d'un mécanisme de débrayage et d'embrayage. Puis nous arrivons aux variateurs plus spécifiques avec lesquels il est possible d'obtenir dans certaines limites une modification continue du couple et de la vitesse, tels les variateurs à courroies trapézoïdales fonctionnant par l'écartement et le resserrement des deux poulies opposées modifiant leur diamètre respectif de poulies menantes et menées. II existe également les variateurs hydrauliques fonctionnant selon le principe d'un fluide circulant entre deux disques à ailettes s'entraînant d'une façon différentielle selon la pression des fluides. Ces deux types de variateurs ont pour inconvénient d'être gros consommateurs d'énergie. Le système faisant l'objet du présent brevet ajustement pour avantage de permettre une variation de vitesse très progressive en partant d'une vitesse nulle, permettant de supprimer le mécanisme de débrayage et d'embrayage ; de plus l'ensemble des organes de transformation du couple et de la vitesse et le mécanisme de commande intermittent, sont selon le principe de montage soumis à rotation et contribuent à la transmission de la force d'entraînement permettant un excellent rendement mécanique. Afin de bien comprendre l'invention, le mécanisme général est présenté selon un montage coaxial se décomposant comme suit: un carter support fixe en deux parties comportant à sa jointure les deux paliers à roulement d'entrée et de sortie d'arbre,et servant de réservoir d'huile ; puis, sur l'arbre moteur est installé le bloc variateur de couple constitué d'une série de butées à billes ou à rouleaux dont les cages une sur deux en alternance depuis la première, sont montées coulissantes sur un axe cannelé solidaire de l'arbre et soumises à pression sur la cage d'extrémité qui est solidaire de celui-ci et qui entraîne en rotation les cages intercalaires clavetées coulissantes en périphérie extérieure dans une chambre cylindrique solidarisée au bloc réducteur lequel est aussi animé en rotation variable par rapport à l'arbre moteur. Le bloc réducteur est constitué de deux flasques cylindriques disposées face à face entre lesquelles sont implantées symétriquement à l'axe de rotation deux couples de pignons satellites monoblocs et coaxiaux, de diamètre différent en rotation libre et engrenant respectivement, en amont avec un petit pignon claveté en extrémité de l'arbre moteur et en aval avec un grand pignon en alignement coaxial avec ce dernier et entraînant en rotation indépendante de celui-ci, l'arbre de transmission à la sortie de l'appareil. Tel que décrit le bloc réducteur est animé de deux rotations variables et simultanées ; une rotation centrale directe par l'arbre moteur, et une rotation globale du bloc réducteur par le relais du bloc variateur. Cette dernière rotation impose un bon équilibre de la structure des organes, ce qui nécessite de doubler en symétrie par rapport à l'axe de rotation les engrenages satellites qui ont rigoureusement la même fonction. L'ensemble des deux organes : variateur de couple et blocs réducteurs aménagés dans le carter, nécessite un dispositif de mise en pression qui peut être mécanique, hydraulique ou de tout autre moyen adapté. A cette fin, et selon l'option mécanique, le dispositif est aménagé en amont du bloc variateur sur l'arbre moteur à l'entrée du carter. II est constitué d'une vis mécanique en rotation libre sur l'arbre mais solidaire de celui -ci en translation pour réagir aux efforts de son écrou coulissant dans un logement cylindrique de 1a première cage des butées à billes et verrouillées en rotation à cette cage par deux ergots disposés en symétrie et coulissants dans deux gorges longitudinales usinées dans le logement cylindriques. Cet écrou comporte sur sa face de poussée une série de rondelles élastiques permettant d'obtenir plus de souplesse de pression sur les butées à billes. Selon l'option hydraulique, le dispositif de pression fonctionnant sous la poussée du liquide hydraulique selon deux chambres volumiques qui font partie de l'axe moteur. La première chambre de petit diamètre se situe en extrémité de l'arbre moteur qui comporte sur sa périphérie extérieure une partie cannelée sur laquelle s'emboîte le pignon moteur, puis suivent en aval le palier du carter recevant le roulement de rotation de l'arbre avec de part et d'autre deux butées à billes supportant la charge due à la poussée axiale du piston de la chambre d'extrémité. Ce premier vérin ci-dessus décrit propulse le liquide hydraulique vers une deuxième chambre coaxiale et solidaire de grand diamètre, constituant un deuxième vérin dont le piston agit directement sur le bloc variateur par l'intermédiaire de rondelles élastiques. L'interaction de ces deux vérins est commandée par un clapet central comportant une tige de poussée qui traverse le milieu du premier piston faisant l'un et l'autre saillie en extrémité d'arbre pour être actionner par deux poussoirs indépendants. Lorsque la poussée extérieure est exercée sur le vérin d'extrémité, le piston extérieur entraîne avec lui le clapet coulissant dont la tige de guidage est tubulaire et perforée dans sa partie immergée conduisant le liquide hydraulique à un orifice débouchant sur le vérin consécutif de grands diamètres qui se met en action selon une poussée axiale plus puissante proportionnée au rapport des diamètres des deux vérins. Lorsque s'interrompt la pression sur le piston d'extrémité, celui-ci s'immobilise car le clapet, poussé par un ressort coulisse en sens inverse et obture les orifices de circulation du liquide hydraulique entre les deux vérins. La pression sur le variateur est ainsi maintenue en circuit fermé et pour la modifier, il suffit d'agir sur le clapet seul par sa tige traversante qui rétablit le circuit hydraulique ; les rondelles élastiques refoulent alors le piston du grand vérin et consécutivement du petit vérin libérant la pression selon le temps d'ouverture du clapet. Le variateur faisant l'objet de présent brevet et selon le descriptif général ci dessus fonctionne selon un rapport d'équilibre entre la puissance de l'arbre moteur à l'entrée du variateur et celle de l'arbre de transmission à la sortie de celui ci. C'est ainsi que l'arbre moteur mis en rotation met en mouvement directement le pignon central du réducteur qui le transmet à vitesse réduite à l'arbre de transmission. C'est alors que le bloc variateur en rotation libre agit comme un différentiel et tourné fou en sens inverse sur l'arbre de transmission annulant à une vitesse équivalente à sa rotation. Le bloc réducteur relié au bloc de butées à billes variateur de couple attend sa mise en pression par le dispositif à vis pour provoquer un couple de freinage qui se transforme en couple actif sur le bloc réducteur et qui permet une rotation progressive de l'arbre de transmission selon l'interaction de ces deux organes. II est à noter que la puissance de freinage du bloc variateur due à la pression sur les butées à billes est transformée en une puissance active sur le bloc réducteur dont l'importance est fonction, du nombre des butées disposées en série, de leur diamètre, de leur coefficient de roulement, de la différence de vitesse de rotation entre les cages menantes et menées et de la force de pression exercée sur elles. II est à noter que pour éviter des pertes de puissance, le dispositif de pression doit être monté sur l'axe du bloc variateur en rotation libre mais bloqué en translation sur lui pour neutraliser les efforts de réaction coaxiaux dus à la poussée sur les butées, les seules impulsions de commandes extérieures à l'appareil freinant la puissance de transmission par intermittence. II est à noter également que le dispositif présenté selon un montage coaxial monolithique peut être dissocié en deux blocs juxtaposés : l'un comprenant le mécanisme de pression accouplé au bloc variateur monté sur l'arbre moteur et l'autre comprenant le bloc réducteur monté sur deux arbres coaxiaux; les deux ensembles étant en liaison rotative par deux couples de pignons : le premier couple reliant respectivement la cage extérieure des butées à celle du bloc réducteur et le deuxième couple reliant respectivement l'arbre moteur de l'ensemble variateur à billes à l'arbre moteur du bloc réducteur. II est à noter enfin que le variateur faisant l'objet du présent brevet et selon son montage mécanique ne présente aucun point de blocage et de ce fait il peut être adapté selon un ensemble mécanique comprenant plusieurs petits variateurs engrenant à l'entrée et à la sortie de leur arbre respectif avec un pignon collecteur central moteur et un pignon collecteur central de transmission. Ce type de montage permet de réaliser un ensemble dont la puissance est multipliée par le nombre d'appareils implantés. L'invention sera mieux comprise par la description ci-après faite en référence aux dessins annexés. Bien entendu la description et les dessins sont donnés qu'à titre d'exemple non limitatif. La figure 1 représente une coupe longitudinale du dispositif selon l'invention avec le mécanisme de pression à vis. Les figures 2 et 3 représentent deux coupes longitudinales du dispositif de pression hydraulique seul proposé en variante du système précédent. En référence au dessin fig. 1, le dispositif comporte un carter en deux parties 1 et 1' assemblés selon un plan de joint 2 emprisonnant les deux roulements 3 .et 4 emboîtés respectivement sur l'arbre moteur 5 et l'arbre de transmission . Sur l'arbre moteur 5 est monté une vis 6 en rotation libre sur lui sur laquelle translate un écrou de pression 7 solidarisé en rotation à la première cage de butées à billes 8 par deux ergots symétriques 9 et 9' coulissants dans deux gorges 10 et 10' de la cage 8. Cette première cage 8 met en pression l'ensemble des cages centrales 12 et des cages périphériques intercalaires 11 clavetées en périphérie dans un boîtier cylindrique 11 bis, cette poussée s'effectuant par réaction sur la cage d'extrémité opposée 13 comportant un moyeu cannelé 15 verrouillant en rotation les mêmes cages 8 et 12 et solidarisés à l'arbre moteur par une goupille 14. L'écrou de pression 7 comporte à son extrémité des rondelles élastiques 16 en contact avec la première cage 8 et transmettant la poussée. Puis en suivant, sur l'arbre moteur 5 est emmanché un roulement 17 isolé par une bague intercalaire 18 sur lequel est emboîtée une flasque cylindrique 19 solidaire du boîtier de butée 11 bis assemblée à une flasque opposée 20 par des vis et entretoises 21 et 22 et supportant par des roulements 23 et 23' deux pignons coaxiaux et monoblocs 24 et 24' comportant chacun un grand pignon 25 et 25' engrenant avec un petit pignon central 26 solidaire de l'arbre moteur 5 lequel est guidé en rotation respective sur l'arbre de transmission 30 par le roulement 31, sur la flasque 20 par le roulement 32 et sur le carter 1 et I bis par le roulement 4. La vis de pression 6 comporte une embase cylindrique de grand diamètre 33 emprisonnant entre sa face aval et l'écrou 7 une rondelle fin de course élastique 34 évitant le coincement au dévissage. L'embase 33 comporte en périphérie deux bandes de freinage 35 avec des striures d'élimination d'huile sur lesquelles un frein à mâchoires 36 ralentit par impulsion la rotation de la vis 6 par rapport à l'arbre moteur 5 provoquant la translation de l'écrou 7 et la compression du bloc variateur. L'embase 33 de la vis 6 comporte solidairement en amont un pignon 37 en butée transversale sur un pignon 38 de diamètre plus important solidaire de l'arbre moteur par une goupille39. Ce pignon38 prolongé par un petit moyeu 40 servant d'axe de rotation à un plateau cylindrique 41 immobilisé en translation par une rondelle 42 elle-même en butée sur le roulement du carter 3. Ce plateau 41 comporte également en périphérie deux bandes de freinage 43 striées sur lesquelles agit un frein à mâchoires 44 qui ralentit sa rotation en provoquant l'accélération de l'embase 33 de la vis 6 par le relais de deux couples de pignon satellite 45 et 45' coaxiaux engrenant respectivement: les petits pignons 46 et 46' avec le pignon 38 solidaire de l'arbre et les grands pignons 47 et 47' avec le pignon 37 solidaire de la vis 6.Ces pignons satellites 45 et 45' pivotant sur des roulements 48 et 48' appartenant au plateau 41 qui provoque l'accélération de l'embase 33 et de la vis 6 et la translation arrière de l'écrou 7 pour une décompression du bloc variateur à butées. En référence au dessin fig. 2 et 3 qui concerne spécifiquement le dispositif par pression hydraulique se substituant au dispositif à vis représenté en fig1, lequel est implanté en amont des cages de butées à billes centrales 12 clavetées sur le moyeu cannelé 15 solidaire de l'arbre moteur 5 et entraînant par pression variable les cages de butées extérieures 11. L'ensemble du dispositif est constitué de deux chambres volumiques. La chambre 50 de grand diamètre traversée par un noyau central 51 rattaché solidairement à l'arbre moteur 5 et comportant en amont une excroissance pour constituer la chambre volumique 52 de petit diamètre et son embase 53 permettant un assemblage mécanique de la chambre 50 pour rendre possible son usinage intérieur. Les parties extérieures de la chambre 52 constituant l'axe de rotation moteur rattaché à l'arbre 5 comporte extérieurement des usinages destinés à recevoir le roulement de carter 54 prisonnier de part et d'autre de deux butées à billes 55 et 56 supportant les efforts de poussée extérieurs à l'ensemble du dispositif, et, en amont une partie cannelée 57 pour l'emboîtement du pignon moteur 58 non représenté dans le montage de la fig. 1. Ce pignon est immobilisé à un ensemble rondelle et écrou 59 et 60. Le noyau central 51 traverses le piston central 61 coulissant sur lui et à l'intérieur de la chambre 50 comprimant le bloc des butées à billes par le relais des rondelles élastiques 61 bis. Un alésage 62 est réalisé dans le noyau central 51 permettant le coulissement d'un clapet 63 comportant lui-même un alésage 64 se terminant par un perçage transversal 65 qui par translation s'aligne à un autre perçage transversal 66 pratiqué dans le noyau central 51 pour le passage du liquide hydraulique entre les deux chambres volumiques 50 et 52. Le clapet 63 est stoppé dans son coulissement aval par une butée 67 permettant le bon alignement des orifices de circulation hydraulique et est refoulé par un ressort 68 pour son mouvement d'obturation, ces deux organes 67 et 68 étant encastré dans l'alésage 62 du noyau central 51. Le clapet 63 est prolongé par une tige creuse 69 qui lui est solidaire comportant une zone de perçages transversaux 70 limitée à sa partie immergée, conduisant le liquide hydraulique au clapet. Cette tige de clapet 70 obturée en partie haute par un axe 71 traverse le piston 72 de la chambre d'extrémité 52 lui-même prolongé en bout d'arbre et se terminant par un embout rotatif 73 à double butées à billes 74 recevant sans contrainte la poussée de compression. La tige 70 traverse l'embout rotatif et se termine par un renflement 75 destiné à la manoeuvre du clapet 63. Enfin une rondelle bague 76 emprisonne en translation la tige de piston 77, verrouille l'écrou de blocage du pignon moteur par les vis 78 et verrouille en rotation le piston 72 et le clapet 63 par une goupille transversale 79 tout en permettant leur coulissement respectif par les rainures 80 pratiquées sur la tige de piston 77 et la rainure 81 pratiquée sur la rondelle bague 76. REVENDICATIONS 1) Variateur de couple et de vitesse mécanique caractérisé en ce que la rotation d'un arbre moteur 5 pénétrant dans un carter 1 et 1' qui transmet son mouvement à un boîtier réducteur rotatif 19 et 20 à engrenages 25 26 28 29 qui freiné par un bloc variateur 11 bis constitué de butées à billes ou à rou leaux menantes 8 12 et 13 et menées 11 soumises à pression par un dispositif coaxial à vis et écrou 6 et 7 ou hydraulique par des vérins 50 et 52 qui, par leur interaction transmettent une vitesse et un couple modifié à l'arbre de transmission 6. 2) Dispositif selon la revendication 1 en ce que les dispositifs de pression mécanique à vis et écrou 6 et 7 ou hydraulique à vérin 50 et 52 sont intégrés dans la rotation de l'arbre moteur 5 et bloqué sur lui en translation pour neutraliser les efforts coaxiaux et transformer la puissance de frei nage du bloc des butées 8 11 12 13 en puissance active. 3) Dispositif selon la revendication 2 caractérisé en ce que la puissance active transmise par le bloc variateur à butées à billes 8 11 12 13 est fonction du nombre de butées, de leur diamètre, de leur coefficient de roulement, de la différence de vitesse de rotation entre les cages de butées menantes et menées et de la force de pression exercée sur elles. 4) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'appareil présenté selon un montage coaxial monolithique peut être dissocié en deux blocs juxtaposés qui sont en liaison permanente par deux couples d'engrenages qui reconstituent les fonctions du montage coaxial. 5) Dispositif selon l'une quelconque des revendications caractérisé en ce que plusieurs appareils peuvent être utilisés dans un même ensemble variateur, les dispositifs étant répartis autour d'un arbre moteur et d'un arbre de transmission muni chacun d'un pignon collecteur engrenant respec tivement avec ceux des appareils disposés en périphérie, la puissance globale s'additionnant selon leur nombre.