Palier à billes radial et utilisation de ce palier L'un des objets du présent brevet est un palier à billes radial destiné à pivoter un arbre, notamment un palier de petites dimensions, destiné à compenser, sans perte d'énergie notable, les erreurs dues, soit à l'excentricité du palier par rapport à l'arbre qu'il est destiné à supporter, soit au défaut de parallélisme entre l'arbre et les surfaces de roulement du palier,
en particulier dans le cas où l'arbre n'est destiné à être soumis qu'à de petits couples d'entraînement.
Le palier défini par la revendication I est carac térisé par le fait que sa bague extérieure de roule ment est supportée par un organe de suspension relativement rigide dans le plan du palier, mais élas tique dans les autres directions, afin de constituer un système oscillant n'absorbant pratiquement aucune énergie, et de compenser ainsi les imprécisions d'usi nage des éléments du palier.
Les éléments des paliers de petites dimensions, qui sont connus, doivent habituellement être usinés avec une grande précision. De plus, l'assemblage de ces éléments doit être effectué avec grand soin si l'on veut que le palier soit coaxial et perpendiculaire à l'arbre avec une tolérance de l'ordre du micron. Far ailleurs, pour qu'un arbre entraîné par un faible couple puisse tourner librement dans un roulement à billes, celui-ci doit être fixé dans son corps de palier de manière extrêmement précise, et les che mins de roulement des billes doivent être usinés avec le plus grand soin, afin qu'ils soient exacte ment coaxiaux à l'arbre destiné à pivoter dans ces paliers.
Il est toutefois extrêmement difficile d'usiner un palier de petites dimensions avec la précision vou lue et l'on constate, si l'on tient les tolérances des chemins de roulement très serrées, que l'arbre ne tourne plus librement dans son palier et que, si on laisse un certain jeu dans le palier, l'arbre n'est plus pivoté dans celui-ci avec grande précision.
Dans le cas d'un palier destiné à travailler sans huile, en vue de pivoter un arbre soumis à un faible couple d'entraînement, les conditions de pivotement ne sont pas stables, parce que la plus petite excentri cité du palier par rapport à l'arbre provoque une friction supplémentaire, du fait que la lubrification est assurée par le contact direct de l'arbre avec la surface de palier. En d'autres termes, les paliers connus ont l'inconvénient d'être très difficiles à usi ner et à monter, si l'on veut que l'arbre qu'ils sont destinés à supporter soit tenu dans une position pré cise.
Il s'ensuit que ces paliers ne peuvent guère être fabriqués en grandes séries sans retouches.
Le but du palier selon la revendication I est de remédier à ces inconvénients.
Un autre objet du présent brevet est constitué par une utilisation d'une paire desdits paliers dans un moteur électrique de très petites dimensions, pour pivoter le rotor de ce moteur.
Le dessin annexé représente, à titre d'exemple, une forme d'exécution d'un tel palier et il illustre un exemple d'utilisation de ce palier dans un moteur électrique.
Les fig. 1 à 5 illustrent, sous forme exagérée, certains phénomènes observés dans des paliers à billes, et dus aux défauts de parallélisme et aux im précisions de forme du chemin intérieur de roule ment.
La fig. 6 est une coupe axiale de ladite forme d'exécution du palier. La fig. 7 en est une vue de face.
La fig. 8 est une coupe axiale d'un moteur élec trique de très petites dimensions, dont le rotor est monté dans deux paliers selon la forme d'exécution des fig. 6 et 7.
La fig. 9 illustre la façon dont le palier des fig. 6 et 7 constitue un système oscillant libre.
La fig. 10-A montre le circuit électrique équi valent qui correspond audit système oscillant, et la fig. 10-B est un diagramme représentant la caractéristique de la fréquence dudit système oscil lant.
La fig. 1 montre une bague intérieure 6 d'un palier à billes, dont le chemin de roulement des bil les a une forme idéale. Avec une telle bague 6, les billes du roulement se déplaceraient le long d'un chemin perpendiculaire à l'axe de la bague, quand celle-ci tournerait avec l'arbre auquel elle serait des tinée à être fixée.
En réalité, le chemin de roulement des billes, pratiqué autour de cette bague intérieure 6, n'a cependant jamais la forme idéale de la fig. 1, mais plutôt celle de la fig. 2. Ledit chemin n'est pas paral lèle aux faces de la bague 6 ; il fait au contraire un angle 1# avec un plan perpendiculaire à l'axe de cette bague 6. De plus, ce chemin présente des irr6gula- rités a.
L'angle -a et les irrégularités a sont exagérés pour mieux illustrer les phénomènes qui en résultent. Le chemin extérieur de roulement des billes présente naturellement aussi un défaut de parallélisme, ainsi que des irrégularités analogues aux irrégularités a.
Pour simplifier les explications, seuls les défauts du chemin intérieur de roulement sont considérés ci- après. Ces défauts sont d'ailleurs ceux qui influencent les caractéristiques dynamiques du palier de la façon la plus défavorable.
La fig. 3 représente un roulement à billes com plet, dont la bague intérieure 6 est fixée à un arbre 4 et dont la bague extérieure 5 est engagée dans une capsule 1. Cette figure montre que la bague exté rieure 5 et la capsule 1 prennent une position incli née par rapport à l'arbre 4, en raison du défaut de parallélisme du chemin intérieur de roulement des billes, l'inclinaison de ces éléments extérieurs étant égale à -a.
La fig. 4 représente la bague extérieure 5 et la capsule 1 dans leurs positions respectives, après que l'arbre 4 et la bague intérieure 6 aient tourné de 180o par rapport à la bague 5 et à la capsule 1, à partir de la position S-F (fig. 3) jusque dans la posi tion F-S (fig. 4).
Une rotation subséquente de 180o de l'arbre 4 et de la bague intérieure 6 ramène la bague extérieure 5 et la capsule 1 de la position de la fig. 4 à celle de la fig. 3. Cette bague 5 et la cap sule 1 oscillent ainsi entre deux positions extrêmes, représentées en traits interrompus à la fig. 5. Ce mou vement des pièces 1 et 5 du palier pendant une rota- tion de l'arbre 4 sera appelé ci-après mouvement méridien.
Il est dû au défaut de parallélisme de la bague extérieure du roulement.
Comme une période de cette oscillation méri dienne correspond à un tour de l'arbre 4, la fré quence de l'oscillation provoquée par une certaine irrégularité a du chemin intérieur de roulement est égale à la vitesse de rotation de l'arbre multipliée par le nombre de billes. Quant à l'amplitude de cette oscillation, elle dépend du diamètre du chemin inté rieur de roulement. Vu que l'énergie nécessaire pour provoquer ladite oscillation méridienne doit prove nir de l'arbre, c'est finalement le couple moteur de celui-ci qui la fournit.
Dès lors, si la capsule 1 du palier était montée rigidement dans une partie du bâti, comme c'est le cas dans les paliers usuels, les oscillations décrites ci-dessus ne seraient pas possi bles. L'arbre serait alors freiné. Il tournerait par conséquent d'autant moins régulièrement que son couple moteur serait petit. De plus, dans les moteurs électriques, non seulement la puissance du moteur serait variable, mais. aussi le courant d'alimentation, ce qui rendrait les caractéristiques dynamiques de ce moteur très mauvaises.
Le palier représenté aux fig. 6 et 7 est monté de façon que l'arbre 4 soit tenu normalement dans l'axe Z-Z'. Pour cela, la capsule 1 du palier à billes 7 est engagée dans un organe élastique 2 dont la périphé rie est fixée à un support de palier 3. L'organe 2 est constitué par une plaque dans laquelle des ouvertures symétriques sont découpées. Ces ouvertures sont en arc de cercle et elles sont disposées de façon que l'organe 2 soit relativement rigide dans son plan, mais très souple dans les autres directions.
Ainsi, l'arbre 4 ne peut pratiquement pas se déplacer laté ralement, tandis que la capsule 1 peut effectuer son mouvement d'oscillation méridienne presque sans résistance.
La forme des découpures de l'organe 2 ne doit pas nécessairement être en arc de cercle, comme on le voit à la fig. 7. On obtiendrait aussi les résultats décrits ci-dessus,, si le palier à billes était monté dans le support 3 par l'intermédiaire de plusieurs bras radiaux constitués chacun par des plaques relative ment larges et très minces.
Dans le palier décrit, les inconvénients des paliers à bague extérieure fixe sont éliminés. Ce palier n'op pose qu'une petite résistance à la rotation de l'arbre 4. Cette résistance dépend de la masse de la bague 5 et de la capsule 1, ainsi que de l'élasticité de l'or gane 2.
La fig. 8 représente une paire de paliers, identi ques à celui qui est représenté aux fig. 6 et 7, mon tés dans des couvercles 3' d'un moteur électrique de très petites dimensions, l'arbre 4 de ce moteur ayant moins de 3 mm de diamètre. Les déplacements axiaux de cet arbre et du rotor 9 qu'il porte sont limités par deux manchons 8 solidaires des couver cles 3'.
Ces derniers sont eux-mêmes fixés à l'enve loppe 10 du moteur. La fig. 9 représente la façon dont travaille cha cun des deux paliers de ce moteur, les déformations dues aux imprécisions de fabrication du palier 7 étant exagérées. Dans chacun de ces paliers, la masse totale de la bague 5 et de la capsule 1 est égale à 0,17 g et l'équivalent de la rigidité de l'organe 2 est égal à 0.36 # 10-7 dyne cm.
Ce palier travaille convenablement pour des vitesses de l'arbre 4 infé rieures à 500 tours par seconde. A 5000 tours! minute, chacun desdits paliers cause une perte de puissance de 2,2 mW.
Le système oscillant constitué par chacun desdits paliers peut être assimilé à une masse mo suspendue librement à un ressort, mo étant la somme des mas ses ml et m2 respectivement de la capsule 1 et de la bague 5, et l'organe 2 constituant le ressort.
Il peut aussi être assimilé à un circuit électrique oscillant (fig. 10-A) composé d'une self, dont l'induction cor respond à la masse mo, et d'un condensateur dont la capacité correspond à l'élasticité de l'organe 2. Le diagramme de la fig. 10-B illustre l'action d'un tel système oscillant. Dans ce diagramme, les, dépla cements E sont reportés. en fonction de la fréquence, c'est-à-dire de la vitesse de rotation du moteur et wp est la fréquence de résonance.
Il en ressort que, pour des fréquences inférieures à wo' , les paliers cor respondants absorbent une quantité d'énergie t,, dé pendant de la masse mo et des caractéristiques So de l'organe 2, qui est pratiquement négligeable. Grâce aux paliers décrits, il est ainsi possible de construire un moteur à grande vitesse de rotation et dont le couple est très petit.
Les conditions de roulement dans le palier décrit sont absolument stables et il ne se produit pas de choc notable dû aux irrégularités de la gorge du rou lement à billes, lorsque l'arbre tourne à des vitesses relativement grandes. De plus, ce palier n'absorbe pas une quantité d'énergie notable par friction. Par ailleurs, en se contentant de fabriquer le palier décrit avec des tolérances courantes., il est possible d'obte nir la précision de l'alignement des centres de deux tels paliers destinés à pivoter un arbre, et les qualités dynamiques qu'on ne peut habituellement obtenir avec les roulements à billes connus qu'en les usinant et en les montant avec une très haute précision.
En effet, si les axes des deux paliers destinés à suppor ter l'arbre 4 ne sont pas alignés, cet arbre peut néan moins tourner librement grâce à la flexibilité des organes 2.
Radial ball bearing and use of this bearing One of the subjects of the present patent is a radial ball bearing intended to pivot a shaft, in particular a bearing of small dimensions, intended to compensate, without significant loss of energy, the errors due , either to the eccentricity of the bearing relative to the shaft it is intended to support, or to the lack of parallelism between the shaft and the rolling surfaces of the bearing,
in particular in the case where the shaft is intended to be subjected only to small driving torques.
The bearing defined by claim I is characterized in that its outer rolling ring is supported by a suspension member which is relatively rigid in the plane of the bearing, but elastic in the other directions, in order to constitute an oscillating system n 'absorbing practically no energy, and thus compensate for machining inaccuracies of the bearing elements.
The elements of the bearings of small dimensions, which are known, usually have to be machined with great precision. In addition, the assembly of these elements must be carried out with great care if we want the bearing to be coaxial and perpendicular to the shaft with a tolerance of the order of a micron. Far moreover, for a shaft driven by a low torque to be able to rotate freely in a ball bearing, the latter must be fixed in its bearing housing extremely precisely, and the raceways of the balls must be machined with precision. the greatest care, so that they are exactly coaxial with the shaft intended to pivot in these bearings.
However, it is extremely difficult to machine a small bearing with the desired precision and it is observed, if the tolerances of the raceways are very tight, that the shaft no longer turns freely in its bearing and that, if a certain play is left in the bearing, the shaft is no longer pivoted in it with great precision.
In the case of a bearing intended to work without oil, in order to pivot a shaft subjected to a low driving torque, the pivoting conditions are not stable, because the smallest eccentricity of the bearing relative to the The shaft causes additional friction, since lubrication is provided by the direct contact of the shaft with the bearing surface. In other words, the known bearings have the drawback of being very difficult to machine and to assemble, if one wants the shaft which they are intended to support to be held in a precise position.
It follows that these bearings can hardly be manufactured in large series without retouching.
The aim of the bearing according to claim I is to remedy these drawbacks.
Another object of the present patent is constituted by the use of a pair of said bearings in an electric motor of very small dimensions, to pivot the rotor of this motor.
The appended drawing represents, by way of example, an embodiment of such a bearing and it illustrates an example of use of this bearing in an electric motor.
Figs. 1 to 5 illustrate, in exaggerated form, certain phenomena observed in ball bearings, and due to defects in parallelism and to imprecisions in the shape of the internal rolling path.
Fig. 6 is an axial section of said embodiment of the bearing. Fig. 7 is a front view.
Fig. 8 is an axial section of an electric motor of very small dimensions, the rotor of which is mounted in two bearings according to the embodiment of FIGS. 6 and 7.
Fig. 9 illustrates the way in which the bearing of FIGS. 6 and 7 constitute a free oscillating system.
Fig. 10-A shows the equivalent electric circuit which corresponds to said oscillating system, and fig. 10-B is a diagram showing the characteristic of the frequency of said oscillating system.
Fig. 1 shows an inner ring 6 of a ball bearing, the raceway of the bil them having an ideal shape. With such a ring 6, the balls of the bearing would move along a path perpendicular to the axis of the ring, when the latter would rotate with the shaft to which it would have to be fixed.
In reality, the raceway of the balls, formed around this inner ring 6, however, never has the ideal shape of FIG. 1, but rather that of FIG. 2. Said path is not parallel to the faces of the ring 6; on the contrary, it makes an angle 1 # with a plane perpendicular to the axis of this ring 6. Moreover, this path presents irregularities a.
The angle -a and the irregularities a are exaggerated to better illustrate the resulting phenomena. The outer raceway of the balls naturally also has a parallelism defect, as well as irregularities similar to the irregularities a.
To simplify the explanations, only the defects of the inner raceway are considered below. These defects are moreover those which influence the dynamic characteristics of the bearing in the most unfavorable manner.
Fig. 3 shows a complete ball bearing, the inner ring 6 of which is fixed to a shaft 4 and the outer ring 5 of which is engaged in a capsule 1. This figure shows that the outer ring 5 and the capsule 1 take an inclined position. born relative to the shaft 4, due to the lack of parallelism of the inner raceway of the balls, the inclination of these outer elements being equal to -a.
Fig. 4 shows the outer ring 5 and the capsule 1 in their respective positions, after the shaft 4 and the inner ring 6 have rotated 180o with respect to the ring 5 and the capsule 1, from position SF (fig. . 3) to the FS position (fig. 4).
A subsequent 180o rotation of the shaft 4 and of the inner ring 6 returns the outer ring 5 and the capsule 1 to the position of FIG. 4 to that of FIG. 3. This ring 5 and the cap sule 1 thus oscillate between two extreme positions, shown in broken lines in FIG. 5. This movement of the parts 1 and 5 of the bearing during a rotation of the shaft 4 will hereinafter be called meridian movement.
It is due to the lack of parallelism of the outer race of the bearing.
As a period of this meridian oscillation corresponds to one revolution of the shaft 4, the frequency of the oscillation caused by a certain irregularity a of the internal raceway is equal to the speed of rotation of the shaft multiplied by the number of balls. As for the amplitude of this oscillation, it depends on the diameter of the inner raceway. Since the energy necessary to cause said meridional oscillation must come from the shaft, it is ultimately the motor torque of the latter which supplies it.
Therefore, if the capsule 1 of the bearing were mounted rigidly in a part of the frame, as is the case in the usual bearings, the oscillations described above would not be possible. The shaft would then be braked. It would therefore turn less regularly the smaller its engine torque. Further, in electric motors, not only would the motor power be variable, but. also the supply current, which would make the dynamic characteristics of this motor very bad.
The bearing shown in fig. 6 and 7 is mounted so that the shaft 4 is held normally in the Z-Z 'axis. For this, the capsule 1 of the ball bearing 7 is engaged in an elastic member 2, the periphery of which is fixed to a bearing support 3. The member 2 is formed by a plate in which symmetrical openings are cut. These openings are in an arc of a circle and they are arranged so that the member 2 is relatively rigid in its plane, but very flexible in the other directions.
Thus, the shaft 4 can hardly move laterally, while the capsule 1 can perform its meridional oscillation movement almost without resistance.
The shape of the cutouts of the member 2 need not necessarily be in an arc of a circle, as can be seen in FIG. 7. The results described above would also be obtained if the ball bearing were mounted in the support 3 by means of several radial arms each consisting of relatively wide and very thin plates.
In the described bearing, the drawbacks of bearings with a fixed outer ring are eliminated. This bearing only op poses a small resistance to the rotation of the shaft 4. This resistance depends on the mass of the ring 5 and of the capsule 1, as well as on the elasticity of the organ 2.
Fig. 8 shows a pair of bearings, identical to that shown in FIGS. 6 and 7, mounted in covers 3 'of an electric motor of very small dimensions, the shaft 4 of this motor having less than 3 mm in diameter. The axial movements of this shaft and of the rotor 9 which it carries are limited by two sleeves 8 integral with the covers 3 '.
The latter are themselves fixed to the casing 10 of the motor. Fig. 9 represents the way in which each of the two bearings of this motor works, the deformations due to the manufacturing inaccuracies of the bearing 7 being exaggerated. In each of these bearings, the total mass of the ring 5 and of the capsule 1 is equal to 0.17 g and the equivalent of the rigidity of the member 2 is equal to 0.36 # 10-7 dyne cm.
This bearing works suitably for shaft speeds 4 lower than 500 revolutions per second. At 5000 turns! minute, each of said steps causes a power loss of 2.2 mW.
The oscillating system formed by each of said bearings can be likened to a mass mo freely suspended from a spring, mo being the sum of the mas ses ml and m2 respectively of the capsule 1 and of the ring 5, and the member 2 constituting the spring .
It can also be likened to an oscillating electric circuit (fig. 10-A) composed of an inductor, the induction of which corresponds to the mass mo, and of a capacitor whose capacity corresponds to the elasticity of the organ 2. The diagram of FIG. 10-B illustrates the action of such an oscillating system. In this diagram, the displacements E are shown. depending on the frequency, that is to say the rotational speed of the motor and wp is the resonant frequency.
It emerges from this that, for frequencies lower than wo ', the corresponding bearings absorb a quantity of energy t ,, dependent on the mass mo and the characteristics So of the member 2, which is practically negligible. By virtue of the bearings described, it is thus possible to construct a motor with high rotational speed and whose torque is very small.
The rolling conditions in the described bearing are absolutely stable and there is no appreciable shock due to the irregularities of the groove of the ball bearing when the shaft rotates at relatively high speeds. In addition, this bearing does not absorb a significant amount of energy by friction. Moreover, by being satisfied with manufacturing the bearing described with current tolerances, it is possible to obtain the precision of the alignment of the centers of two such bearings intended to pivot a shaft, and the dynamic qualities which cannot be obtained. can usually be achieved with known ball bearings only by machining and mounting them with very high precision.
Indeed, if the axes of the two bearings intended to support the shaft 4 are not aligned, this shaft can nevertheless rotate freely thanks to the flexibility of the members 2.