Brevet FR3029996A1 — publié le 20160617

FUSIBLE MÉCANIQUE FRANGIBLE PAR TORSION ET GROUPE DE REFROIDISSEMENT D'UN TURBOMOTEUR ÉQUIPÉ D'UN TEL FUSIBLE 1. Domaine technique de l'invention L'invention concerne un fusible mécanique frangible par torsion. L'invention concerne également un groupe de refroidissement d'un turbomoteur équipé d'un tel fusible mécanique. 2. Arrière-plan technologique Dans de nombreux domaines techniques, en particulier pour des applications aéronautiques, il est souvent nécessaire de disposer d'accouplements d'arbres mécaniques qui peuvent se rompre lorsque ces accouplements sont soumis à des couples de forces opposées qui dépassent une valeur prédéterminée. Cette fonctionnalité permet de protéger les pièces en aval de ces accouplements. Pour ce faire, il est connu de ménager des sections frangibles par torsion sur les lignes d'arbre. Une telle section frangible par torsion présente la particularité de pouvoir se rompre lorsqu'elle est soumise à l'action d'un couple de forces opposées supérieur à une valeur prédéterminée. Une solution connue pour former une section frangible par torsion sur une ligne d'arbre consiste à utiliser un arbre plein qui présente une réduction locale de son diamètre de telle sorte que cette partie de petit diamètre puisse se rompre lorsque le couple dépasse une valeur prédéterminée. L'un des inconvénients de cette solution est que lorsque la section frangible se rompt, il est nécessaire de remplacer tout l'arbre, ce qui nécessite, pour certaines applications, de démonter tous les organes reliés à cet arbre. C'est particulièrement le cas pour les groupes de refroidissement de turbomoteurs. Un groupe de refroidissement comprend un pignon et un rouet monté en porte à faux sur l'arbre portant le pignon. Si la section frangible formée sur l'arbre par réduction locale du diamètre se casse, il est nécessaire de démonter le rouet et le module réducteur relié au groupe de refroidissement pour pouvoir remplacer l'arbre d'entrainement. Cela rend la maintenance et le remplacement d'une telle 3029996 2 section frangible compliquée et peu pratique à mettre en oeuvre. En outre, si le couple maximal est relativement faible, ce qui est le cas par exemple des rouets des groupes de refroidissement, la section frangible peut être de petite dimension, ce qui peut imposer des contraintes de montage (pour ne pas 5 la solliciter) et des contraintes de fonctionnement (dynamique de la ligne d'arbre, déplacement sous charge des manoeuvres) importantes. Une autre solution pour ménager une section frangible par torsion sur une ligne d'arbre consiste à utiliser un arbre creux avec une réduction locale de matière sur sa paroi interne ou externe. Les inconvénients de la solution 10 précédente sont toujours présents avec cette solution. De plus, le dimensionnement en couple de rupture de cette solution donne des épaisseurs trop faibles pour être bien maîtrisées. Une autre solution consiste à fretter un organe mécanique sur l'autre et à maitriser l'effort de glissement. L'un des inconvénients de cette solution est la 15 difficulté de bien maitriser le glissement dans la plage de fonctionnement en température des organes concernés. Cet inconvénient rend cette solution particulièrement peu adaptée aux groupes de refroidissement de turbomoteurs. Il existe donc un besoin de disposer d'une solution améliorée pour ménager une section frangible en torsion au sein d'un accouplement mécanique 20 d'organes. Un tel besoin s'exprime notamment, mais pas uniquement, pour des utilisations au sein des groupes de refroidissement de turbomoteurs. En particulier, il existe un besoin de disposer d'une solution qui permet un remplacement de cette section frangible sans difficultés particulières et notamment sans nécessiter un démontage complet des organes mécaniques 25 concernés par cet accouplement. 3. Objectifs de l'invention L'invention vise à pallier au moins certains des inconvénients des solutions connues pour ménager des sections frangibles par torsion au sein d'accouplement mécaniques. 30 L'invention vise aussi, dans au moins un mode de réalisation de l'invention, à fournir une section frangible intrinsèquement plus robuste au 3029996 3 montage et aux efforts en flexion. L'invention vise aussi à fournir, dans au moins un mode de réalisation de l'invention, une section frangible qui peut être remplacée sans difficultés particulières, par un opérateur. 5 L'invention vise aussi à fournir un groupe de refroidissement équipé d'une section frangible selon l'invention. 4. Exposé de l'invention Pour ce faire, l'invention concerne un fusible mécanique destiné à être monté solidairement entre un organe mécanique entrainant, dit organe moteur, et 10 un organe mécanique entrainé, dit organe récepteur, tournant chacun autour d'un même axe de rotation. Le fusible selon l'invention comprend un corps s'étendant selon une direction longitudinale parallèle audit axe de rotation, une fois le fusible monté entre lesdits organes moteur et récepteur. 15 Le fusible selon l'invention est caractérisé en ce que ledit corps comprend une pluralité de barrettes longitudinales, chaque barrette étant adaptée pour être déformée en flexion, sous l'action d'un couple de torsion appliqué à l'ensemble des barrettes, de sorte à former un fusible mécanique frangible. L'invention propose donc une nouvelle solution pour ménager une section 20 frangible par torsion au sein d'un accouplement d'organes mécaniques. Cette solution consiste à utiliser un fusible mécanique qui est une pièce rapportée qui va relier les deux organes mécaniques l'un avec l'autre. Cette pièce rapportée peut donc être remplacée en cas de rupture de la section frangible. Ce fusible mécanique présente la particularité de comprendre une pluralité de barrettes 25 déformables chacune en flexion sous l'action d'un couple de torsion. Cet ensemble de barrettes ménagées longitudinalement dans l'axe de rotation des organes mécaniques reliés par ce fusible, forme un fusible frangible par torsion. En d'autres termes, la résistance à la torsion du fusible est fonction de la résistance à la flexion des barrettes. Un fusible selon l'invention permet 30 d'augmenter la raideur en flexion, ce qui diminue la sensibilité au balourd. En d'autres termes, un fusible selon l'invention permet de former une section 3029996 4 frangible par torsion qui est moins susceptible que les sections frangibles de l'art antérieur de se rompre de manière inappropriée. En outre, un fusible selon l'invention permet un dimensionnement amélioré de la section frangible par la détermination du nombre de barrettes, de la 5 longueur des barrettes, de la largeur des barrettes, de l'épaisseur des barrettes, de la section droite transversale des barrettes, et de manière générale, de toutes les caractéristiques dimensionnelles et géométriques des barrettes. Avantageusement, un fusible mécanique selon l'invention comprend des moyens d'accouplement réversible du fusible audit organe moteur agencés à une 10 extrémité longitudinale dudit corps, dite extrémité distale. Avantageusement et selon l'invention, ladite extrémité distale dudit corps présente une portion cylindrique ou une portion conique, conformée à une portion cylindrique ou conique dudit organe moteur. Ces portions forment les moyens d'accouplement réversible. 15 Une liaison conique ou cylindrique entre le fusible mécanique et l'organe moteur permet d'assurer une excentration minimale, ce qui permet de limiter le balourd de l'organe récepteur. En particulier, dans le cas d'une utilisation du fusible mécanique selon cette variante comme pièce de liaison entre un pignon d'un groupe de refroidissement et un rouet monté en porte à faux sur le pignon par 20 le biais du fusible mécanique, la liaison conique forme une référence d'équilibrage. Cela permet de garantir que la liaison entre le pignon et le rouet peut être répétée de manière identique lors de chaque montage. Avantageusement, un fusible selon l'invention comprend des moyens d'accouplement réversible du fusible audit organe récepteur, agencés à une 25 extrémité longitudinale dudit corps, dite extrémité proximale. Avantageusement et selon l'invention, ladite extrémité proximale dudit corps comprend une platine de fixation adaptée pour être fixée sur ledit organe récepteur. Cette platine de fixation forme les moyens d'accouplement réversible. Le montage et le démontage d'un fusible mécanique selon cette variante 30 est donc particulièrement aisé. En outre, dans le cadre d'une utilisation sur un groupe de refroidissement d'un turbomoteur, le fusible peut être démonté et 3029996 5 remplacé sans nécessiter le démontage du réducteur du groupe notamment. Avantageusement et selon l'invention, le corps est creux. Un corps creux permet notamment de passer des éléments de fixation au centre du corps. L'utilisation de barrettes permet de conserver des épaisseurs de 5 matière aisément usinables et dont les dimensions permettent de maitriser la plage de rupture en couple de la section frangible. Ces éléments de fixation comprennent par exemple un écrou ou une vis qui vient se loger dans le corps creux jusqu'à l'extrémité distale du fusible. Ces éléments de fixation concourent à l'assemblage du fusible sur l'organe moteur, en lien avec les portions coniques. 10 Avantageusement et selon cette variante, le fusible mécanique comprend une entretoise adaptée pour être logée dans ledit corps creux par ladite extrémité proximale et pour pouvoir mettre en appui ladite portion conique de l'extrémité distale sur ladite portion conique conjuguée dudit organe moteur, L'utilisation d'une entretoise permet de limiter le diamètre interne du 15 fusible mécanique et facilite l'accès aux éléments de fixation du type vis/écrou. En outre, cet appui de la portion conique de l'extrémité distale sur la portion conique de l'organe moteur permet d'assurer l'entrainement en rotation de l'organe récepteur par l'organe moteur par le biais du fusible mécanique. Avantageusement et selon cette variante, ladite entretoise présente un 20 épaulement permettant de limiter le déplacement axial dudit organe récepteur en cas de rupture mécanique du fusible. Un épaulement ménagé sur l'entretoise permet de bloquer le déplacement axial de l'organe récepteur en cas de rupture de la section frangible formée par le fusible mécanique. 25 Selon une autre variante, le fusible mécanique comprend une vis logée directement dans ledit corps creux pour mettre en appui ladite portion conique de l'extrémité distale sur la portion conique conjuguée dudit organe moteur. Avantageusement et selon l'invention, le corps est cylindrique et le fusible comprend trois barrettes réparties uniformément autour dudit corps. 30 Bien entendu, selon d'autres variantes, le fusible mécanique peut comprendre plus de trois barrettes. 3029996 6 L'invention concerne également un groupe de refroidissement d'un turbomoteur comprenant un arbre moteur et un rouet monté en porte à faux sur ledit arbre, caractérisé en ce qu'il comprend un fusible mécanique selon l'invention. 5 L'invention concerne également un fusible mécanique et un groupe de refroidissement d'un turbomoteur caractérisés en combinaison par tout ou partie des caractéristiques mentionnées ci-dessus ou ci-après. 5. Liste des figures D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la 10 lecture de la description suivante donnée à titre uniquement non limitatif et qui se réfère aux figures annexées dans lesquelles : la figure 1 est une vue schématique en coupe d'un groupe de refroidissement d'un turbomoteur selon l'art antérieur comprenant un arbre moteur, un rouet monté en porte à faux sur cet arbre et une 15 section frangible par torsion formée par une réduction de diamètre de l'arbre moteur, la figure 2 est une vue schématique en coupe d'un groupe de refroidissement d'un turbomoteur selon un mode de réalisation de l'invention comprenant un arbre moteur, un rouet monté en porte à 20 faux sur cet arbre, et une section frangible par torsion formée par un fusible mécanique selon un mode de réalisation de l'invention, la figure 3 est une vue en perspective d'un fusible mécanique selon un mode de réalisation de l'invention, les figures 4a et 4b sont des vues schématiques respectivement en 25 coupe et de dessus d'une barrette d'un fusible mécanique selon un mode de réalisation de l'invention. 6. Description détaillée d'un mode de réalisation de l'invention Sur la figure, les échelles et les proportions ne sont pas strictement respectées et ce, à des fins d'illustration et de clarté. Dans toute la description 30 détaillée qui suit en référence aux figures, sauf indication contraire, chaque élément du fusible mécanique est décrit tel qu'il est agencé lorsque le fusible est 3029996 7 monté dans un groupe de refroidissement d'un turbomoteur, entre le pignon moteur du groupe et le rouet du groupe de refroidissement monté en porte à faux sur le pignon. Cet agencement est représenté sur la figure 2. Un groupe de refroidissement de l'art antérieur est partiellement 5 représenté sur la figure 1. Ce groupe de refroidissement comprend un pignon 8 monté sur un arbre 9 et un rouet 10 monté en porte à faux sur l'arbre 9. Le pignon 8 et l'arbre 9 sont formés d'un seul tenant de sorte qu'on désigne dans toute la description qui suit, indifféremment, le pignon 8 ou l'arbre 9, pour désigner l'ensemble formé du pignon 8 et de l'arbre 9. Cet accouplement mécanique entre 10 l'arbre 9 et le rouet 10 comprend une section 11 frangible par torsion, formée par une réduction du diamètre de l'arbre 9. Cette section frangible est typiquement matérialisée par une réduction locale du diamètre de l'arbre 9 à environ 5 mm. 11 ressort clairement de la figure 1 que si la section frangible 11 se rompt, il est nécessaire de remplacer l'arbre 9. En outre, pour accéder à l'arbre 9, il est 15 nécessaire de démonter les organes mécaniques reliés en amont de ce pignon, tel qu'un réducteur, non représenté sur les figures à des fins de clarté, et le rouet 10. La figure 2 est une vue schématique du même groupe de refroidissement dans lequel la section 11 frangible a été remplacée par un fusible 12 mécanique selon un mode de réalisation de l'invention. La forme du rouet 10 et la forme de 20 l'arbre 9 ont été légèrement modifiées pour permettre le montage du fusible mécanique selon l'invention. En particulier, ce fusible mécanique comprend un corps creux 13, une extrémité 20 distale configurée pour être mise en appui contre une extrémité de l'arbre 9, et une extrémité 21 proximale configurée pour être assemblée au rouet 25 10. Pour ce faire, l'extrémité 20 distale comprend une portion conique interne (cette portion conique est visible sur la figure 2) qui est conformée à une portion 22 conique ménagée à l'extrémité de l'arbre 9. En outre, une vis 23 peut être logée dans le corps 13 creux par l'extrémité 21 proximale pour pouvoir fixer 30 solidairement le fusible mécanique 12 et l'arbre 9. Pour ce faire, la portion 22 conique de l'arbre 9 présente un alésage fileté adapté pour recevoir la vis 23. 3029996 8 La vis 23 et les portions coniques 20, 22 forment les moyens d'assemblage du fusible 13 sur l'arbre 9. L'extrémité 21 proximale du fusible comprend une platine 25 de fixation. Cette platine comprend quatre alésages 26, chaque alésage pouvant recevoir un 5 pion fretté 27 permettant de fixer le rouet 10 sur la platine de fixation. Pour ce faire, le rouet 10 comprend également des alésages agencés en regard des alésages 26 de la platine de fixation. Pour faciliter la mise en appui des portions coniques, le fusible comprend en outre une entretoise 29 logée dans le corps 13. Le logement de cette entretoise 10 29 se fait par l'extrémité proximale du fusible mécanique. Cette entretoise permet de maintenir en appui la portion conique 22 de l'arbre 9 par l'extrémité distale 20 de forme conique du fusible. Un jeu radial est prévu entre l'entretoise 29 et le corps 13 du fusible mécanique 12 pour éviter les frottements et assurer la rupture au couple souhaité du fusible. 15 Cette entretoise 29 présente en outre un épaulement 30 permettant de limiter le déplacement axial du rouet 10 en cas de rupture mécanique du fusible. Un jeu axial est également prévu entre l'épaulement 30 de l'entretoise 29 et la platine 25 du fusible mécanique pour éviter les frottements et assurer la rupture au couple souhaité du fusible. 20 Le fusible mécanique selon le mode de réalisation des figures comprend en outre, et tel que représenté plus en détail sur la figure 3, trois barrettes 14 longitudinales réparties uniformément autour du corps creux 13, chaque barrette 14 étant adaptée pour être déformée en flexion. Les barrettes 14 reprennent le couple lié à l'entrainement du rouet 10 par le pignon 8 et travaillent en flexion. 25 Les figures 4a et 4b sont des vues schématiques d'une barrette 14 et de sa déformation en flexion. Comme on le constate, si un couple C est appliqué au fusible, alors chaque barrette est soumise à une force F tangente au corps 13 creux. Cette force F est tel que C=n.r.F, où r est le rayon de la fibre neutre par rapport à l'axe 7 de rotation et n est le nombre de barrettes (dans le cas présent, 30 n=3). Suivant la théorie des poutres bi-encastrée, le moment M de flexion maximal est défini par la relation M=F.L/2, où L est la longueur d'une barrette. La 3029996 9 figure 4b est une vue de dessus de la barrette 14 soumise à la force F. La barrette se déforme en flexion. On peut ensuite déterminer un critère de rupture des barrettes lorsque la valeur de la contrainte dans la section de la poutre est égale à la contrainte maximale quelle que soit la zone de la poutre. Cette valeur dépend de 5 la plastification de la barrette et de la dispersion des matériaux. Selon le mode de réalisation des figures, chaque barrette 14 présente une section droite transversale rectangulaire dont la longueur est de 2.95 mm et la largeur de 2.9 mm. La fibre neutre se situe sur un rayon de 6.475 mm par rapport à l'axe 7 de l'arbre. En outre, chaque barrette présente une longueur de 11.85 mm. 10 Bien entendu, ces dimensions sont données uniquement à titre d'exemple et l'invention ne se limite pas à ce seul mode de réalisation. Les calculs montrent avec des barrettes en acier inoxydable, une plage de couple de rupture de 18.3 Nm à 40.5 Nm. En outre, les expériences montrent que sous un effort radial de 100 N, on obtient une raideur en flexion de 15453 N/mm, bien meilleure que la raideur de 15 7545 N/mm de l'art antérieur. L'invention ne se limite pas aux seuls modes de réalisation décrits. En particulier, un fusible mécanique peut comprendre plus de trois barrettes et équiper d'autres accouplements que les accouplements de groupe de refroidissement de turbomoteurs. 20 REVENDICATIONS1. Fusible mécanique destiné à être monté solidairement entre un organe mécanique entrainant, dit organe moteur (8, 9), et un organe mécanique entrainé, dit organe récepteur (10), tournant chacun autour d'un même axe (7) de rotation, ledit fusible comprenant un corps (13) s'étendant selon une direction longitudinale parallèle audit axe (7) de rotation, une fois le fusible monté entre lesdits organes moteur (8, 9) et récepteur (10), caractérisé en ce que ledit corps (13) comprend une pluralité de barrettes (14) longitudinales, chaque barrette (14) étant adaptée pour être déformée en flexion, sous l'action d'un couple de torsion appliqué à l'ensemble des barrettes, de sorte à former un fusible mécanique frangible. 2. Fusible selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens d'accouplement réversible du fusible audit organe moteur (8, 9) agencés à une extrémité longitudinale dudit corps (13), dite extrémité distale (20). 3. Fusible mécanique selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite extrémité distale dudit corps (13) présente une portion conique ou une portion cylindrique, conformée à une portion conique (22) ou une portion cylindrique dudit organe moteur. 4. Fusible selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens d'accouplement réversible du fusible audit organe récepteur (10), agencés à une extrémité longitudinale dudit corps (13), dite extrémité proximale (21). 5. Fusible mécanique selon la revendication 4, caractérisé en ce que ladite extrémité proximale dudit corps (13) comprend une platine (25) de fixation adaptée pour être fixée sur ledit organe récepteur (10). 6. Fusible mécanique selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que ledit corps (13) est creux. 7. Fusible mécanique selon les revendications 3, 4 et 6 prises ensemble, caractérisé en ce qu'il comprend une entretoise (29) adaptée pour être logée dans ledit corps creux (13) par ladite extrémité proximale (21) et pour pouvoir mettre 3029996 11 en appui ladite portion conique de l'extrémité distale (20) sur ladite portion conique (22) conjuguée dudit organe moteur (8, 9). 8. Fusible selon la revendication 7, caractérisé en ce que ladite entretoise (29) présente un épaulement (30) permettant de limiter le déplacement axial dudit 5 organe récepteur (10) en cas de rupture mécanique du fusible. 9. Fusible selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que ledit corps (13) est cylindrique et en ce qu'il comprend trois barrettes (14) réparties uniformément autour dudit corps (13). 10. Groupe de refroidissement d'un turbomoteur comprenant un arbre moteur 10 (9) et un rouet (10) monté en porte à faux sur ledit arbre (9), caractérisé en ce qu'il comprend un fusible (12) mécanique selon l'une des revendications 1 à 9 agencé entre ledit arbre moteur (9) et ledit rouet (10). 15