Brevet FR2912794A1 — publié le 20080822

VARIATEUR CONTINU A ROULEMENT 5 Domaine technique de l'invention. Le présent brevet est relatif aux dispositifs permettant d'entraîner en 10 rotation un arbre mené à partir d'un arbre menant, en introduisant entre les vitesses de rotation de ces deux arbres un rapport qu'on peut faire varier de façon continue, sur une plage donnée. II concerne la famille particulière de dispositifs dans lesquels les pièces en présence ont entre elles des mouvements relatifs de roulement. 15 Etat de la technique. Les variateurs à roulement se présentent généralement sous la forme de deux pièces en rotation respectivement liées à l'arbre menant et à l'arbre mené, désignées ci-après planétaires. Ces pièces présentent des 20 surfaces actives de roulement placées en vis-à-vis. Entre ces surfaces de roulement, et co-opérant avec elles, se trouvent un ou plusieurs galets désignés ci-après satellites, organisés pour transmettre le mouvement d'un planétaire à l'autre par roulement, et dont on peut faire varier la position afin de modifier à volonté et de façon continue le rapport de transmission. 25 Le dispositif le plus anciennement connu est le variateur à disques, dans lequel les planétaires sont des disques plans à axes décalés, et le satellite un galet pouvant se déplacer selon une ligne passant par les axes des planétaires, de telle sorte que lorsque le rayon actif du disque menant augmente, celui du disque mené diminue, et inversement. 30 Notons qu'on désigne par rayon actif d'un organe en rotation (planétaire ou satellite) la distance du point de contact à l'axe de cet organe. Le défaut de ce variateur se situe dans son incapacité à transmettre des couples importants. En effet, le glissement entre planétaires et satellite 35 n'étant pas admis, son efficacité est proportionnelle au produit de la force de contact par le coefficient de frottement des matériaux en présence. Ce dernier étant forcément limité, il faut donc faire appel à une force très élevée, ce qui pose le problème de la contrainte de matage apparaissant au niveau des points de contact. 40 Rappelons à ce sujet que cette contrainte varie sensiblement en raison inverse du rayon réduit, qui se calcule en fonction des rayons de courbure R1 et R2 des surfaces en contact. Pour deux surfaces convexes, le rayon réduit Rr se calcule par : 1/Rr = 1/R1 + 1/R2 (1) 45 Quand on a une surface concave et une surface convexe, la formule devient : 1/Rr = 1/R1 û 1/R2 (2) (R1 étant relatif à la surface convexe) Cette deuxième formule devient particulièrement intéressante si R1 et R2 sont assez proches. Rr peut alors devenir très grand, diminuant ainsi 50 fortement les contraintes de matage. Notons que les rayons de courbure apparaissent sur des coupes par des plans passant par le point de contact et perpendiculaires à la surface de contact au voisinage de ce point. Il existe une infinité de ces plans, les plus significatifs étant : - Le plan P1 passant par les axes des planétaires et des satellites. - Le plan P2 perpendiculaire à P1. Le principe du variateur à disques a été sensiblement amélioré par des dispositifs dans lesquels les planétaires sont coaxiaux et de forme toroïdale à profil concave, les satellites étant des galets à profil convexe pivotant autour d'axes orthogonaux à celui des planétaires, de façon à maintenir le contact en faisant varier en sens inverse les rayons actifs des planétaires amont et aval. On peut toutefois faire à ces variateurs le reproche suivant : si la formule (2) s'applique bien dans le plan P1, elle ne s'applique pas dans le plan P2 où on met en présence deux profils convexes, ce qui fait retomber dans la formule (1), beaucoup moins favorable. On ne tire donc pas le maximum de bénéfice de la formule (2). Objet de l'invention. La présente invention vise à exploiter la formule (2) dans toutes les orientations. (Plans P1 et P2 ainsi que les plans intermédiaires). On est ainsi conduit en première analyse à rechercher des surfaces sphériques, ou proches de surfaces sphériques. La zone de contact autour du point théorique se présente alors sensiblement comme un cercle dont on peut maîtriser la dimension, ce qui permet de maîtriser la pression de contact, donc la contrainte de matage. On est cependant limité dans l'exploitation de la formule (2) par un problème de rendement mécanique : si R1 et R2 sont trop proches, la dimension de la zone de contact peut devenir excessive, ce qui accentue les pertes par frottement dans cette zone. En effet, il n'y a roulement pur qu'au point central de la zone de contact. Plus on s'écarte de ce point, plus on fait apparaître une composante de glissement génératrice de pertes. Les rayons R1 et R2 doivent donc être calculés pour fournir une surface de contact compatible avec une contrainte de matage acceptable, mais sans excès, sous peine de rnauvais rendement. Le variateur selon l'invention utilise la formule (2) en réalisant les planétaires sous la forme de cloches à surfaces concaves, et les satellites sous la forme de galets à surfaces convexes, lesdites surfaces étant sphériques ou sensiblement sphériques, présentant des courbures raisonnablement proches, et ceci dans toutes les conditions de fonctionnement. Description sommaire des dessins. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention ressortiront plus clairement des dessins annexés donnés à titre d'exemples non lirnitatifs, et dans lesquels : - La figure 1 représente un variateur à disques selon l'art antérieur. - La figure 2 représente un variateur à planétaires toroïdaux, selon l'art antérieur. -La figure 3 représente le mode de réalisation le plus simple de l'invention, dans lequel les surfaces planétaires appartiennent à une même sphère S de centre O, les satellites étant deux galets solidaires disposés sous la forme d'un diabolo, la variation étant obtenue par une rotation du support du diabolo autour d'un axe passant par O et perpendiculaire au plan de la figure. - La figure 4 est une variante clans laquelle le diabolo est remplacé par deux galets distincts qui se répartissent la transmission, la variation étant obtenue par rotations symétriques des supports respectifs de ces galets. - La figure 5 est une vue schématique pouvant découler d'une des figures précédentes, et présentant une distorsion des surfaces actives des planétaires, en vue d'améliorer le rendement, ainsi que l'endurance. Ces figures sont des coupes longitudinales passant par l'axe principal du mouvement. Elles ont aussi en commun d'être symétriques ou approximativement symétriques par rapport à un plan perpendiculaire à l'axe de rotation des planétaires. Ce dernier point n'est pas une condition impérative, et on pourrait, sans sortir du cadre de l'invention, ne pas le respecter si on y trouvait avantage, par exemple : - Avoir des planétaires ou des satellites de dimensions différentes. - Ne pas avoir des axes de planétaires alignés, mais décalés linéairement ou angulairement l'un par rapport à l'autre. Description détaillée de l'invention. La figure 1 représente schématiquement un variateur à disques selon un principe très anciennement connu. Les disques 1 et 1' sont montés respectivement sur l'axe menant 2 et l'axe mené 2', avec lesquels ils sont solidarisés en rotation. Entre les faces actives des disques est placé un galet 3 dont l'axe de rotation est perpendiculaire à celui des disques, et dont la fonction est de transmettre le mouvement de 1 à 1'. Les disques sont plaqués contre le galet par les forces F, F', obtenues par tout moyen approprié non représenté. Le galet 3 peut être déplacé en translation le long de son axe, ce qui a pour effet de faire varier en sens inverse les rayons actifs r et r' sur les disques 1, 1'. Le rapport de transmission étant égal au quotient r / r', on voit que ce rapport peut varier dans une plage très large, qui peut même si nécessaire partir de zéro. Concernant les rayons de courbure en présence dans les zones de contact, ils sont : En ce qui concerne les disques, infinis, ce qui conduit à avoir des rayons réduits qui ne sont autres que les rayons du galet. En ce qui concerne le galet, on peut prévoir, dans le plan P1 (plan de la figure), un rayon R1 assez important, afin de dilater la zone de contact dans le sens radial des disques, mais on est limité dans cette voie par le fait que les rayons actifs des disques varieraient alors fortement le long de la zone, introduisant ainsi des frottements importants. Dans le plan P2 (perpendiculaire à P1), le rayon de courbure n'est autre que le rayon du galet qui pour des raisons d'encombrement, ne peut pas être fortement augmenté. La zone de contact est donc obligatoirement très étroite dans le sens circonférentiel, ce qui limite beaucoup les forces de contact F, F' possibles, donc le couple pouvant être transmis. La figure 2 représente schématiquement un variateur de l'art antérieur à planétaires toroïdaux 4, 4', montés et solidaires en rotation avec les axes menant et mené 5, 5'. Entre les planétaires est placé un galet satellite 6 monté sur un support 7 sur lequel il tourillonne librement. Cette configuration permet de disposer avantageusement un second galet (non représenté), disposé symétriquement au galet 6 par rapport à l'axe des planétaires. Comme avec les disques, les forces de contact planétaires ù satellite sont créées par les forces F, F' appliquées axialement sur les planétaires par tout moyen approprié non représenté. Le support 7 peut tourner autour de l'axe 8, dont le centre est sensiblement confondu avec celui de la circonférence génératrice du profil actif des planétaires. Les rayons actifs r et r' sur planétaires varient en sens inverse l'un de l'autre, ce qui permet d'obtenir une plage de variation assez large, moins toutefois qu'avec les disques, car les très petits rapports ne sont pas accessibles. Concernant les rayons de courbure, on peut voir que la formule (2) vue plus haut s'applique très bien dans le plan P1 (rayons de courbure en présence pouvant être très proches), ce qui permet un grand étirement de la zone de contact dans le plan P1. Un avantage important sur les disques est que les rayons actifs sur les planétaires et sur le satellite varient dans le même sens le long de la zone, ce qui limite les frottements. On reste quand même assez loin du roulement pur, qui nécessiterait que les surfaces actives puissent être assimilées à celles d'un couple conique. Les choses sont beaucoup moins favorables dans le plan P2, où les surfaces en présence sont toutes les deux convexes, ce qui conduit à se trouver dans le cas de la formule (1) qui donne un rayon réduit beaucoup plus faible. La zone de contact est donc là aussi très réduite dans le sens circonférentiel, ce qui limite encore les forces applicables. L'avantage de cette géométrie n'est donc pas décisif. La figure 3 fait apparaître le variateur selon l'invention, avec les planétaires 11, 11' respectivement engagés sur les arbres menant 15 et mené 15', avec lesquels ils sont solidaires en rotation, mais non en translation, afin de pouvoir appliquer sur les planétaires des forces F, F' qui les sollicitent vers le centre. A l'intérieur de la sphère S commune aux planétaires, se trouvent les galets 12, 12' réunis par l'axe 13 avec lequel ils forment un ensemble monobloc, ou diabolo. Les galets comportent des surfaces de contact sphériques centrées en I, l', donc de rayon de courbure légèrement inférieur à celui des planétaires. La condition d'obtention d'un rayon réduit important est donc bien remplie, et ceci dans toutes les orientations. L'axe 13 tourillonne dans un corps rotatif 14 pouvant tourner dans les deux sens autour de l'axe O. C'est la commande en rotation de ce corps 14 qui fournit la variation du rapport de transmission : Dans le cas de la figure, les axes XX' des planétaires et YY' des satellites sont parallèles. Les points de contact M, M' correspondent à des 50 rayons actifs sur planétaires égaux. Le rapport de transmission est égal à 1. En effet, les rayons actifs sur satellites. sont aussi égaux, et n'entraînent donc aucune variation. Si le corps 14 tourne dans le sens horaire, les points de contact se déplacent sur les planétaires, par exemple jusqu'aux positions P, P'. Le dispositif est alors démultiplicateur dans un rapport correspondant aux rayons actifs des points P, P'. Si le corps 14 tourne dans le sens anti-horaire, on passe aux points de contact N, N'. Le dispositif devient alors multiplicateur. Le potentiel de ce dispositif en termes de plage de variation est infini. On peut notamment rapprocher le point P de l'axe XX' jusqu'à obtenir un rapport de transmission voisin de zéro. On peut même, en amenant P au-delà de XX', obtenir une inversion du mouvement (mais seulement avec des rapports de transmission faibles, le point P' ne pouvant pas remonter trop loin). Il est intéressant d'analyser les efforts au niveau des points de contact, notamment pour des cas éloignés comme N et N'. Si on considère que les planétaires reçoivent des forces axiales F, F' égales, on voit que ces deux points donnent lieu à des schémas statiques très différents, qui appellent les remarques suivantes : - En N, la réaction normale G au point de contact, ainsi que sa composante radiale H sont sensiblement plus élevées que F. - En N', la composante norrnale G' est du même ordre que F'. Quant à H', elle est négligeable. - Les composantes normales G et G' sont dirigées vers O. Elles ne créent donc aucun couple sur le corps 14, ce qui est favorable pour le pilotage du dispositif. Par contre, H et H' créent des réactions radiales sur les planétaires ainsi que sur le corps 14, qui doivent être dimensionnés et soutenus pour les supporter. Par contre, les valeurs de ces composantes G, G' sont très inégales, ce qui ne correspond pas au besoin. En effet, l'équilibre du diabolo veut que les efforts tangentiels en N et N' soient les mêmes. Comme il faut respecter la condition de non glissement, il serait logique que les composantes G, G' soient aussi égales. Il est donc souhaitable que les forces F, F' puissent être modulées en fonction de la position angulaire du corps 14, pour compenser la distorsion introduite par les diagrammes d'efforts. Un autre motif important pour cette modulation est la valeur du couple à transmettre. Si ce couple est variable, F et F' doivent en toute logique lui être proportionnelles, afin d'éviter toute fatigue ou déperdition inutile quand ce couple n'est pas à son maximum. Un troisième motif est que, pour un couple donné, l'effort tangentiel sur un planétaire est inversement proportionnel au rayon actif. Sur le planétaire 11, par exernple, il est donc beaucoup plus important en P qu'en N. Il est donc logique que la force de contact varie dans les mêmes proportions. Ces différents impératifs militent en faveur d'un pilotage hydraulique des forces F, F', le plus capable d'optimiser en temps réel leurs valeurs. Il n'est toutefois pas inenvisageable, dans les cas où les problèmes de rendement et d'usure ne sont pas prépondérants, de créer ces forces par de simples dispositifs .élastiques (ressorts ou rondelles élastiques). Dans les deux cas, les forces F, F' sont appliquées sur les faces 17, 17' des planétaires. Si le pilotage est hydraulique, ces forces sont créées par des vérins (non représentés). Si le pilotage est simplement élastique, les ressorts ou empilages de rondelles sont placés entre les faces 17, 17' des planétaires, et les faces 18, 18' des arbres menant et mené. Un autre avantage intéressant du pilotage hydraulique est de pouvoir fournir une fonction embrayage / débrayage : le point de contact P étant amené sur l'axe X, X', il y a débrayage si on annule la pression hydraulique, donc la force F. L'embrayage est obtenu en remettant la pression et en démarrant la rotation du corps 14 dans le sens voulu, selon qu'on veut embrayer sur une marche avant ou une marche arrière. On peut ainsi passer de la vitesse zéro à une vitesse finie sans aucune phase de friction. Notons toutefois que lorsque le rayon actif du planétaire menant 11 est très faible, l'effort tangentiel pourrait devenir prohibitif. Il existe donc une fraction de la plage de variation dite des faibles rapports , dans laquelle il est nécessaire de brider le couple pour maintenir l'effort tangentiel à l'intérieur de sa valeur maximum admissible. La figure 4 rappelle la figure 3 en ce qui concerne la forme des planétaires et celle des arcs de contact des galets satellites. Elle s'en différencie par le fait que les galets 32, 32' sont indépendants l'un de l'autre, et montés sur des supports 37, 37' articulés tous les deux autour du centre O, et organisés pour pivoter autour de ce centre de façon symétrique par rapport à l'axe XX', grâce à une cinématique appropriée (non représentée). Ainsi, en position médiane (rapport de transmission égal à 1), les deux galets ont pour axe de rotation UU'. En multiplication maximum, le galet 32 a pour axe WW et le galet 32' W'(galets représentés en traits discontinus faisant apparaître un jeu minimum e). En démultiplication maximum, on a l'inverse. Par rapport au précédent, ce principe présente l'avantage de répartir le couple à transmettre sur deux galets au lieu d'un. Il présente par contre certains inconvénients : - Les axes de rotation des planétaires et des satellites sont proches de la perpendicularité au lieu d'être proches du parallélisme. II en résulte des frottements plus intenses vers la périphérie des zones de contact, d'où un affaiblissement possible du rendement et une source d'échauffement. - Le schéma ne permet pas de réaliser des rapports de transmission très faibles, ni la fonction embrayage sans friction, ni la fonction marche arrière. - L'ensemble des supports 37, 37' est à la fois plus complexe et moins rigide. Notons qu'une autre réalisation possible consisterait à ne conserver de ce schéma qu'un seul galet. On perdrait l'avantage de la répartition du couple, mais on ferait disparaître le deuxième et le troisième inconvénients précités. Par contre, on conserverait le premier inconvénient de perpendicularité, ce qui constitue un bilan a priori peu favorable. Notons aussi que le système devient inverseur de sens de rotation, ce qui n'est a priori ni un avantage ni un inconvénient. Selon l'importance relative de ces différents aspects, on pourra être amené à choisir un schéma où un autre. La figure 5 présente un exemple de modification de la géométrie de 5 certaines surfaces actives, notamment celles des planétaires, qui ne sont plus des sphères centrées en O. Un premier objectif de cette modification vise à remédier à l'ïnconvénient suivant du dispositif de départ : si les points de contact M, M' se déplacent sur les planétaires, conduisant à une bonne répartition de leur 10 usure, ils sont invariables sur les satellites. L'usure de ces derniers est donc concentrée sur une étroite bande de roulement entourant les points M, M'. On peut y remédier dans une certaine mesure en faisant en sorte que le rayon de courbure des planétaires soit différent du rayon 0M mesuré sur les satellites. Il en résulte les effets suivants : 15 - Lors de la rotation du corps 14, les planétaires s'écartent ou se rapprochent légèrement. Cet effet n'est pas recherché, mais n'est pas nuisible, notamment si on a le pilotage hydraulique des forces F, F'. Si on a des ressorts, on peut même l'utiliser judicieusement pour adapter leur compression et faire ainsi varier ces forces dans le sens souhaité. 20 - Les points de contact M, M' ne sont plus invariables sur les satellites, mais se déplacent légèrement autour de leur position centrale. La bande soumise à l'usure se trouve élargie d'autant, améliorant ainsi la tenue des satellites dans le temps. Dans cette réalisation, il faut bien noter que les rayons actifs sur satellites ne sont plus invariables, et interviennent 25 donc dans le rapport de transmission, modifiant la loi mathématique de pilotage qui existe entre ce rapport et la position angulaire du corps 14. Pour cette adaptation, les surfaces actives des planétaires peuvent ou non rester sphériques. Un deuxième objectif possible est une amélioration du rendement 30 recherchée à travers aune modulation de la dimension et de la forme des zones de contact. Quand les surfaces en contact sont sphériques, ces zones sont circulaires, et leur dimension ne dépend que des forces d'appui G, G'. En abandonnant la forme sphérique, donc en jouant sur le rayon de courbure de la ligne rnéridienne des planétaires, on peut faire évoluer le 35 rayon réduit en fonction de la position du point de contact, et de l'effort de pression qu'on y rencontre. En se plaçant dans l'hypothèse du couple maximal, on peut faire les constatations suivantes : Sur le planétaire menant, l'effort tangentiel, et donc l'effort de 40 pression G à appliquer sont inversement proportionnels aux rayons actifs. Si on considère le rayon actif en P comme le minimum de la zone de travail normale (hors zone des faibles rapports), la valeur maximale de la force de pression sera donc Gp. Si on passe à l'autre point extrême N, la force Gn à appliquer sera logiquement très inférieure. A égalité de rayon réduit, on 45 aurait donc en N une contrainte de matage également très inférieure, ce qui n'est pas un objectif en soi. Par contre, en diminuant le rayon réduit en N, on peut diminuer la dimension de la zone de contact en remontant la contrainte de matage au voisinage de sa valeur admissible. Les pertes par frottement étant très liées à la dimension de la zone de contact, on réalise 50 ainsi un gain sur ces pertes. La diminution du rayon réduit, s'obtient ici en augmentant le rayon de courbure du planétaire quand on va de P à N, selon la loi qui colle le mieux au besoin. Sur le planétaire mené, le problème se présente de façon exactement inverse : l'équilibre du satellite conduit à avoir des efforts identiques en P et en P', ainsi qu'en N et en N'. Quand on va des petits rayons actifs vers les grands, il faut donc diminuer le rayon de courbure au lieu de l'augmenter. Sur la figure, les surfaces sphériques initiales ont été représentées en traits interrompus, afin de visualiser plus clairement les distorsions de courbure introduites. Notons que cette adaptation conduit également à l'objectif cité plus haut, à savoir l'amélioration de la répartition de l'usure sur les satellites. Notons aussi que la surface d'un planétaire ainsi réalisé peut s'assimiler, au voisinage du point de contact, à un élément de surface torique. La zone de contact n'est donc plus circulaire, mais sensiblement elliptique, le grand axe de l'ellipse correspondant au plan de coupe dans lequel le rayon réduit est le plus grand. Or, une analyse fine des phénomènes de glissement peut montrer que cette forme elliptique agit sur lesdits phénomènes, qui conditionnent étroitement le rendement du variateur. On a donc intérêt à tenir compte de cet aspect dans la définition de la courbe méridienne des planétaires. Les effets précités peuvent également être recherchés par une distorsion de la courbure des satellites, mais on peut en escompter une moindre efficacité, le déplacement du point de contact sur la courbe méridienne d'un satellite étant trop faible pour un effet important. 9 Revendications. 1 - Variateur continu à roulement pur, comportant : - un planétaire (11) menant et un planétaire (11') mené disposés en vis-à-vis et présentant des surfaces actives concaves, - au moins un organe satellite (12, 12') en forme de galet présentant une surface active convexe, et porté par au moins un corps (14) pouvant être piloté en rotation autour d'un axe perpendiculaire aux axes de rotation des planétaires, cette rotation permettant de déplacer les points de contact sur les planétaires, de telle sorte que le rayon actif de l'un diminue quand celui de l'autre augmente, caractérisé en ce que toutes les surfaces actives sont de forme sphérique ou proches d'une forme sphérique, et que les rayons de courbure apparaissant sur les satellites sont inférieurs à ceux apparaissant sur les planétaires, mais d'un ordre de grandeur voisin. 2 - Variateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les 20 forces de contact entre planétaires et satellites sont créées par des éléments élastiques sollicitant les planétaires vers le centre du variateur. 3 - Variateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les forces de contact entre planétaires et satellites sont créées par des vérins 25 hydrauliques, la pression du fluide hydraulique étant utilisée pour moduler lesdites forces de contact au plus près des besoins de telle sorte qu'elles soient toujours suffisantes pour éliminer les risques de patinage, sans marge de sécurité excessive, et quelles que soient les conditions de fonctionnement. 30 4 - Variateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'organe satellite se compose de deux galets (12, 12') dont chacun est en contact avec un des planétaires, lesdits galets étant reliés par un axe (13) avec lequel ils forment un ensemble monobloc tourillonnant librement dans le 35 corps de pilotage (14). 5 - Variateur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un organe satellite (32) SE? compose d'un seul galet dont la surface active est en contact avec les deux planétaires. 40 6 - Variateur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte deux galets satellites (32), (32') dont les surfaces actives sont en contact avec les deux planétaires, et tourillonnant sur deux corps de pillotage coaxiaux (37), (37') pilotés en sens inverse l'un de l'autre de telle 45 sorte que les axes des deux galets soient constamment symétriques par rapport à l'axe de rotation des planétaires, ainsi que les points de contact planétaires / satellites. 7 - Variateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les 50 surfaces actives des planétaires s'inscrivent sur une sphère unique. 8 - Variateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les surfaces actives des planétaires ne s'inscrivent pas sur une sphère unique, en vue d'obtenir un déplacement de la ligne de roulement sur la surface active des galets. 9 - Variateur selon la revendication 8, caractérisé en ce que la courbure de certaines surfaces actives est variable de façon à donner aux zones de contact des dimensions et des formes optimisées en fonction des différentes positions des points de contact, en vue d'obtenir une amélioration du rendement mécanique, tout en respectant la contrainte de matage admissible.15