Brevet FR2880395A1 — publié le 20060707

Dispositif de couplage mécanique entre deux éléments. La présente invention concerne le domaine des couplages mécaniques utilisés pour transmettre un couple entre un élément menant et un élément mené. Ce genre de dispositif est utilisé par exemple dans le cas des ventilateurs de refroidissement des alternateurs de véhicules automobiles. Or, on cherche de plus en plus, pour des raisons de confort, à réduire les bruits de toutes origines dans les moteurs thermiques et leurs accessoires. Un ventilateur de refroidissement d'alternateur de moteur thermique est en général entraîné en rotation par l'arbre de l'alternateur, lui-même entraîné par une poulie coopérant avec une courroie d'entraînement. La vitesse de rotation de l'arbre de l'alternateur est directement proportionnelle à la vitesse de rotation du moteur. Il en résulte que si le rotor de ventilateur est couplé rigidement à l'arbre d'alternateur, le bruit aérodynamique généré par le ventilateur devient extrêmement important à haute vitesse de rotation. D'autre part, le débit d'air du ventilateur à haute vitesse est souvent trop élevé par rapport au débit nécessaire pour assurer un refroidissement efficace. Il en résulte un gaspillage d'énergie non négligeable. Certains dispositifs de couplage mécanique entre le ventilateur et l'organe menant du ventilateur permettent, au-delà d'une certaine vitesse de rotation de la partie menante liée au moteur, de découpler partiellement le ventilateur, de telle sorte que la vitesse de rotation du ventilateur est limitée, tandis que la vitesse de rotation de la partie menante continue à croître. Un tel découplage partiel du ventilateur se produit lorsque le couple de traînée aérodynamique du ventilateur devient supérieur au couple mécanique d'entraînement entre l'élément menant et le ventilateur. Il se produit alors une rotation relative entre le ventilateur et l'arbre d'alternateur, ce qui permet au moteur de tourner à haut régime sans que le ventilateur ne tourne trop vite et ne produise un bruit aérodynamique trop important. De tels dispositifs sont connus notamment par les documents US 4 437 846 et DE 28 22 638. Le principal inconvénient de ces dispositifs réside dans leur encombrement et dans le nombre important d'éléments à assembler par le fabriquant de l'alternateur sur le rotor et sur le ventilateur, ce qui s'avère néfaste en termes de coût et de durée de production. L'invention se propose de remédier à ces inconvénients. L'invention propose un dispositif de couplage mécanique compact, de structure simple, dont la production peut être aisément automatisée et de prix de revient raisonnable. Le dispositif de couplage entre un élément menant et un élément mené est destiné à entraîner en rotation l'élément mené, monté sur l'élément menant au moyen d'un roulement. Le roulement comprend deux bagues concentriques entre lesquelles est disposée au moins une rangée d'éléments roulants en contact avec des chemins de roulement ménagés sur lesdites bagues. Le passage du couple entre l'élément menant et l'élément mené s'effectue par un couplage mécanique. Le roulement comprend un élément annulaire de friction assurant le passage d'un couple calibré limité à une valeur prédéfinie entre l'élément menant et l'élément mené, ledit élément de friction coopérant avec une portée annulaire de l'élément menant et présentant un diamètre inférieur ou égal au diamètre extérieur dudit roulement. L'élément annulaire de friction est ainsi très compact. Avantageusement, l'élément de friction se présente sous la forme d'un joint d'étanchéité. Un même élément assure ainsi la fonction de friction et la fonction d'étanchéité. Dans un mode de réalisation, l'élément de friction est supporté par l'une des bagues du roulement et est en contact de frottement avec l'autre bague du roulement. Dans un mode de réalisation, le dispositif comprend deux éléments de friction disposés à l'intérieur du roulement. Alternativement, l'élément de friction est solidaire de l'élément mené et vient en contact de frottement avec une portée annulaire de l'élément menant. L'élément de friction peut être solidaire de la bague intérieure du roulement. L'élément de friction peut être en contact de frottement avec une portée de la bague tournante d'un autre roulement. Dans un mode de réalisation, l'une des bagues du roulement est montée sur un support non tournant. Ledit support non tournant peut comprendre la bague non tournante d'un autre roulement. Dans un mode de réalisation, l'élément de couplage est supporté par l'élément mené et est en contact de frottement avec un anneau appartenant à l'élément menant. Un ventilateur peut comprendre un moyeu pourvu de pales et un dispositif de couplage tel que décrit ci-dessus fixé sur ledit moyen. La bague extérieure du roulement peut être emmanchée dans un alésage de la roue pourvue de pales. Un alternateur peut comprendre une partie tournante, une partie non tournante et un ventilateur monté par l'intermédiaire dudit dispositif de couplage sur ladite partie tournante. Un tel palier à roulement peut s'appliquer à tout type d'organe mécanique, dans lequel on souhaite transmettre un couple et un mouvement de rotation entre un élément menant et un élément mené, avec un différentiel de vitesse possible entre les deux éléments et une limitation de vitesse possible de l'élément mené. Ceci est assuré de façon simple et particulièrement compacte avec ledit palier à roulement. La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée de quelques modes de réalisation pris à titre d'exemples nullement limitatifs et illustrés par les dessins annexés, sur lesquels: la figure 1 est une vue en coupe axiale d'une partie d'un alternateur; -la figure 2 est une vue de détail de la figure 1; -les figures 3 à 6 sont des vues en coupe axiale de différents modes de réalisation du palier à roulement; et - la figure 7 est une courbe de la vitesse du ventilateur en fonction de la vitesse de l'alternateur. Comme on peut le voir sur la figure 1, l'alternateur 1, dont seule une partie d'extrémité est représentée, comprend une partie tournante 2 et une partie non tournante 3. La partie tournante 2 comprend un arbre 4, un rotor non visible sur le dessin et une poulie 6 à gorge dans laquelle passe une courroie 7 d'entraînement prévue pour être entraînée par une poulie menante solidaire du vilebrequin à moteur thermique non représenté. Une entretoise 5 montée sur l'arbre 4 assure le positionnement axial précis du rotor par rapport aux paliers qui le supportent. La partie non tournante 3 comprend un carter 8, par exemple réalisé en alliage léger. Entre l'arbre 4 et le carter 8, est disposé un palier à roulement 9, de type conventionnel, pourvu d'une bague intérieure tournante 10 dont l'alésage est emmanché avec serrage sur l'arbre 4, d'une bague extérieure non tournante 11 dont la surface extérieure cylindrique est emmanchée dans un alésage cylindrique du carter 8, d'une rangée d'éléments roulants 12, ici des billes, disposés entre des chemins de roulement des bagues intérieure 10 et extérieure 11, d'une cage 13 de maintien de l'espacement circonférentiel des éléments roulants 12, ici réalisée en tôle, et de deux joints d'étanchéité 14 et 15 montés dans des rainures annulaires de la bague extérieure 11 et venant frotter par des lèvres souples sur une portée cylindrique extérieure de la bague intérieure 10. Les joints d'étanchéité 14 et 15 sont symétriques par rapport à un plan radial passant par le centre des éléments roulants 12 et sont pourvus d'une armature recouverte d'un matériau souple, par exemple un élastomère. Les chemins de roulement des bagues intérieure 10 et extérieure 11 sont formés par usinage avec enlèvement de copeaux pour leur conférer la profondeur souhaitée. La bague extérieure 11 est maintenue axialement par rapport au carter 8, dans un sens par un bourrelet radial 16 en saillie vers l'intérieur faisant partie du carter 8, et dans l'autre sens par un flasque 17 fixé au carter 8 par des moyens appropriés tels que des vis (non représentés). La partie tournante 2 comprend en outre un ventilateur 18 se présentant sous la forme d'une couronne de pales 19 s'étendant vers l'extérieur et inclinées sensiblement en hélice, et un moyeu annulaire supportant les pales 19. Le moyeu 20 comprend une portion axiale annulaire de petit diamètre 21 pourvue d'un alésage. Un dispositif de couplage 22 est disposé radialement entre l'arbre 4 et la portion axiale 21 de la partie centrale 20 du ventilateur 18 et axialement entre l'entretoise 5 et une rondelle entretoise annulaire 23 en contact avec une surface radiale frontale de la bague intérieure 10 du roulement 9. Un serrage axial peut être assuré. Comme on le voit mieux sur la figure 2, le dispositif de couplage 22 se présente sous la forme d'un palier à roulement pourvu d'une bague intérieure 24, d'une bague extérieure 25, d'une rangée d'éléments roulants 26, ici des billes, d'une cage 27 de maintien de l'espacement circonférentiel des éléments roulants 26 et de joints de couplage 28 et 29. Les bagues intérieure 24 et extérieure 25 présentent des chemins de roulement sous la forme de gorge profonde pour les éléments roulants 26 et sont pourvues de surfaces frontales radiales. L'alésage de la bague intérieure 24 est emmanché sur l'arbre 4 et en contact d'un côté avec l'entretoise 5 et du côté opposé avec la rondelle entretoise 23. La bague intérieure 24 présente une surface extérieure sous la forme d'une portée cylindrique, d'un côté et de l'autre du chemin de roulement. La bague extérieure 25 présente une surface extérieure axiale emmanchée dans la portion axiale 21 de la partie centrale 20 du ventilateur 18. Les surfaces radiales frontales de la bague extérieure 25 sont alignées sur les surfaces frontales radiales de la bague intérieure 24. La bague extérieure 25 présente un alésage cylindrique, de part et d'autre du chemin de roulement. La cage 27 comprend un talon disposé d'un côté des éléments roulants, tandis que les joints de couplage 28 et 29 sont disposés du côté opposé. Les joints de couplage 28 et 29 sont identiques, chacun comprenant une armature 30 et une partie souple 31. L'armature 30 comprend une partie axiale emmanchée dans l'alésage de la bague extérieure 25 et une partie dirigée vers l'intérieur à partir du bord de la partie axiale voisin des surfaces frontales des bagues intérieure 24 et extérieure 25 et se rapprochant légèrement des éléments roulants 26 vers son extrémité libre. Les armatures 30 et les parties souples 31 sont annulaires et entièrement disposées dans l'espace radial défini entre les bagues intérieure 24 et extérieure 25 et dans l'espace axial défini entre la cage 27 et le plan de la surface frontale radiale des bagues 24 et 25. Les joints de couplage 28 et 29 n'ont donc pas d'influence significative sur l'encombrement du dispositif de couplage 22. La partie souple 31 peut être réalisée par surmoulage d'un matériau synthétique, par exemple de l'élastomère, sur l'armature métallique 30. La partie souple 31 recouvre partiellement la partie dirigée vers l'intérieur de l'armature 30 et s'étend vers l'intérieur jusqu'à venir en contact avec une portée axiale de la bague intérieure 24. La partie souple 31 comprend deux lèvres de contact 32 et 33 espacées axialement et en contact avec la même portée de la bague intérieure 24 sur laquelle elles frottent, assurant ainsi une transmission de couple de façon économique. Le dispositif de couplage présente le même encombrement qu'un roulement de caractéristiques mécaniques égales, grâce à l'insertion des joints de couplage 28 et 29 entre les bagues 24 et 25. Dans le mode de réalisation illustré sur la figure 3, le flasque 17 comprend deux parties 34 et 35 soudées l'une à l'autre, la partie extérieure 34 étant vissée au carter 8 et pourvue d'une portion radiale en contact avec ledit carter 8 et d'une portion axiale dirigée à l'opposé du bourrelet 16. La partie intérieure 35 comprend une portion axiale de grand diamètre soudée à la portion axiale de la partie extérieure 34, une portion radiale dirigée vers l'intérieur à l'opposé des extrémité libres soudées entre elles des portions axiales des parties 34 et 35 et un rebord axial dirigé en direction des éléments roulants 12 du palier à roulement 9 et emmanché sur une portée axiale 36 de la bague extérieure 11 du palier à roulement 9. Le dispositif de couplage 22 comprend un palier à roulement 37, de type semblable au palier à roulement 9, mais présentant un diamètre d'éléments roulants nettement plus faible avec une bague extérieure 38 emmanchée dans l'alésage de la portion de grand diamètre de la partie intérieure 35 du flasque 17. Le dispositif de couplage 22 comprend également un joint de couplage 40, visible plus en détail sur la figure 4, emmanché dans l'alésage de la bague intérieure 39 du roulement 37 et pourvu d'une lèvre 44 venant frotter sur une portée cylindrique extérieure de la bague intérieure 10 du palier à roulement 9. La portion axiale 21 du moyeu 20 est emmanchée dans l'alésage du joint de couplage 40 au droit du palier à roulement 37. L'entretoise 5 est en contact direct avec la bague intérieure 10 du palier à roulement 9, le joint 40 présentant un diamètre supérieur à celui de ladite entretoise 5. Plus précisément, le joint 40, de forme annulaire, comprend une armature 41 sous la forme d'une coupelle en section en L pourvue d'une portion axiale et d'une portion radiale s'étendant vers l'intérieur, et d'une partie souple 42 recouvrant en grande partie l'armature 41, notamment sur les deux faces extérieure et intérieure de la portion axiale de l'armature 41 pour assurer une excellente solidarisation en rotation du joint 40 avec la bague intérieure 39, d'une part, et avec le moyeu 20, d'autre part. La portion souple 42 s'étend également vers l'intérieur et en direction des éléments roulants 12 du palier à roulement 9 et est pourvue d'une lèvre en contact de frottement avec la bague intérieure 10. Le joint de couplage 40 se complète par un ressort 43 annulaire, assurant le serrage radial de la lèvre 44 de la partie souple 42 sur la bague intérieure 10 du palier à roulement 9 et par conséquent la transmission d'un couple de frottement entre ladite bague intérieure 10 et le moyeu 20. La présence d'un ressort 43 est particulièrement bien adaptée pour la transmission de couple de frottement calibré, le ressort maintenant un effort radial de serrage constant de la lèvre 44 sur la bague intérieure 10, quelle que soit l'usure de la lèvre 44. La partie intérieure 35 du flasque 17, d'une part, assure en coopération avec la partie extérieure 34, le maintien axial de la bague extérieure 11 du palier à roulement 9 et, d'autre part, supporte la bague extérieure 38 du palier à roulement 37 en assurant son maintien axial et radial par rapport à la bague extérieure 11 du palier à roulement 9, évitant ainsi que la partie souple 42 du joint de couplage 40 ne se rapproche excessivement de la cage 13 du palier à roulement 9, ou encore que le couple de frottement ne varie en raison d'une éventuelle excentration du joint de couplage 40 par rapport à la bague intérieure 10. Le joint de couplage 40 présente un diamètre extérieur sensiblement égal à l'alésage de la bague intérieure 39 et est donc peu encombrant radialement. Le mode de réalisation illustré sur la figure 5 se rapproche du précédent, à ceci près que la bague extérieure 38 du palier à roulement 37 est en contact direct avec la bague extérieure 11 du palier à roulement 9 par leurs surfaces frontales radiales respectives et y est fixée par un cordon de soudure 44. Le flasque 17 présente une portion radiale de grand diamètre vissée au carter 8, une portion axiale dans l'alésage de laquelle est disposée la bague extérieure 38 du palier à roulement 37 et un rebord radial dirigé vers l'intérieur à partir de l'extrémité de la portion axiale opposée à la portion radiale et qui assure le maintien en position axiale des bagues extérieures 11 et 38 des paliers à roulement 9 et 37. Une partie du palier à roulement 37 et de la portion axiale du flasque 17 sont en saillie dans un creux annulaire formé par le moyeu 20, ce qui garantit une excellente utilisation de l'espace axial disponible. L'on voit également que le palier à roulement 37 est pourvu du côté du moyeu 20 d'un joint d'étanchéité 45. Comme illustré sur les figures, le palier à roulement 37 peut être dépourvu de joint d'étanchéité du côté opposé en raison de l'étanchéité offerte par le joint de couplage 40 et par le joint d'étanchéité 14 du palier à roulement 9. Dans le mode de réalisation illustré sur la figure 6, le flasque 17 et le palier à roulement 37 sont semblables à ceux illustrés sur la figure 5. La portion axiale 21 du moyeu 20 est directement emmanchée dans l'alésage de la bague intérieure 39 du palier à roulement 37, tandis que le joint de couplage 40 est emmanché dans l'alésage de la portion axiale 21 dudit moyeu 20. Le joint de couplage 40 présente une forme légèrement différente de celle illustrée sur les figures 4 et 5, avec une partie souple 42 présentant une forme générale d'U dont une branche axiale est emmanchée dans le moyeu 20 et l'extrémité d'une branche sensiblement axiale est équipée du ressort 43 et vient frotter sur un anneau 46 de section droite mince et rectangulaire emmanché sur une partie de sa longueur axiale sur une portée axiale extérieure de la bague intérieure 10 du palier à roulement 9 et entourant axialement une partie de l'entretoise 5, offrant ainsi une surface extérieure de frottement au joint de couplage 40. Le joint de couplage 40 est particulièrement compact radialement et axialement en occupant un espace axial inférieur ou égal à la longueur axiale de la bague intérieure 39 tout en présentant un diamètre extérieur inférieur à l'alésage de la bague intérieure 39. L'anneau 46 peut consister en une portion de tube de faible épaisseur et de longueur adaptée, par exemple inférieure à la longueur de la bague intérieure 10. Comme on peut le voir sur la figure 7, la vitesse de rotation du ventilateur croît moins vite que celle de l'alternateur à partir d'une certaine vitesse, par exemple 4000 t/minute, présente une forme monotone de pente décroissante dans une plage de vitesses intermédiaire, par exemple entre 4000 et 14000 t/minute, puis présente une faible pente relativement constante au-delà. Le couple maximum transmissible par le dispositif de couplage dépend du matériau choisi pour réaliser la partie souple de la précontrainte exercée et de l'aire des surfaces en regard. On peut ainsi calibrer, par construction ou par réglage, le couple maximum transmissible entre l'élément menant et l'élément mené. Le couple maximum peut être prédéfini, de telle sorte qu'à une vitesse de rotation donnée du ventilateur, le couple de traînée aérodynamique du ventilateur dépassera le couple maximum transmissible. Il se produira alors une rotation relative entre le rotor du ventilateur et l'arbre d'entraînement. La vitesse du ventilateur pourra croître lentement en fonction de la courbe couple-vitesse de rotation d'un ventilateur qui est monotone croissante. Le dispositif de couplage est compact et peut être disposé aisément à l'intérieur d'un alternateur. Il assure à la fois une réduction du bruit du ventilateur et une réduction de la consommation d'énergie en limitant le couple transmis au ventilateur. Le dispositif de couplage se présente sous la forme d'un simple roulement à bagues à gorges profondes ou encore à bagues en tôle équipées de joints de couplage. 11 REVENDICATIONS 1-Dispositif de couplage (22) entre un élément menant destiné à entraîner en rotation un élément mené, l'élément mené étant monté sur l'élément menant au moyen d'un roulement comportant deux bagues concentriques (24, 25) entre lesquelles est disposée au moins une rangée d'éléments roulants (26) en contact avec des chemins de roulement ménagés sur lesdites bagues, le passage du couple entre l'élément menant et l'élément mené s'effectuant par un couplage mécanique, caractérisé en ce qu'il comprend un élément annulaire de friction assurant le passage d'un couple calibré limité à une valeur prédéfinie entre l'élément menant et l'élément mené, ledit élément de friction coopérant avec une portée annulaire de l'élément menant et présentant un diamètre inférieur ou égal au diamètre extérieur dudit roulement. 2-Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'élément de friction se présente sous la forme d'un joint d'étanchéité (28). 3-Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que l'élément de friction est supporté par l'une des bagues (25) du roulement et est en contact de frottement avec l'autre bague (24) dudit roulement. 4-Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il comprend deux éléments de friction disposés à l'intérieur dudit roulement. 5-Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que l'élément de friction est solidaire de l'élément mené et vient en contact de frottement avec une portée annulaire de l'élément menant. 6-Dispositif selon la revendication 5, caractérisé par le fait que l'élément de friction est solidaire de la bague intérieure (39) du roulement. 7-Dispositif selon la revendication 5 ou 6, caractérisé par le fait que l'élément de friction est en contact de frottement avec une portée de la bague tournante d'un autre roulement (9). 8-Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que l'une des bagues dudit roulement est montée sur un support non tournant (17). 9-Dispositif selon la revendication 8, caractérisé par le fait que ledit support non tournant comprend la bague non tournante d'un autre roulement (9). 10-Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que l'élément de couplage est supporté par l'élément mené et est en contact de frottement avec un anneau (46) appartenant à l'élément menant.