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.