Dispositif de maintien radial sans frottement mécanique d'un arbre rotatif dans une pièce fixe
solidaire d'un bâti
La présente invention a pour objet un dispositif de maintien radial sans frottement mécanique d'un arbre rotatif dans une pièce fixe solidaire d'un bâti.
Un tel dispositif peut tre utilisé comme palier sans frottement mécanique. Il peut de plus tre utilisé comme détecteur de la position d'un arbre rotatif par rapport à une pièce fixe, et servir alors par exemple à piloter un système de correction automatique du balourd. Dans les formes d'exécution les plus avantageuses de l'invention, le dispositif sert à la fois de palier et de détecteur de balourd, ce qui permet de réaliser des paliers-auto-équi- libreurs sans frottement mécanique.
Le dispositif suivant l'invention est caractérisé en ce que la pièce fixe est creusée, d'un alésage lisse dans lequel est logé ledit arbre rotatif, et d'au moins une chambre annulaire alimentée en fluide sous pression, cette chambre étant en communication avec un passage annulaire étranglé distribuant ledit fluide autour d'au moins une partie dudit arbre.
Le dessin annexé représente, à titre d'exemple, plusieurs formes d'exécution et variantes du dispositif objet de l'invention.
La fig. 1 est une vue en coupe longitudinale d'une forme d'exécution dans laquelle le dispositif sert de palier sans frottement mécanique pour un arbre.
La fig. 2 est une vue en coupe radiale suivant la ligne 11-11 de la fig. 1.
La fig. 3 est un diagramme de répartition des pressions dans le dispositif de la fig. 1.
La fig. 4 est une vue en coupe longitudinale d'une autre forme d'exécution, dans laquelle le dispositif sert de détecteur pour un compensateur automatique de balourd.
Les fig. 5 et 6 sont des vues en coupe radiale respectivement suivant les lignes V-V et VI-VI de la fig. 4.
Les fig. 7 et 8 montrent en coupe radiale le fonctionnement du détecteur de balourd.
La fig. 9 est une vue partielle longitudinale en coupe d'une variante de la fig. 4.
Les fig. 10,11 et 12 représentent respectivement en coupe longitudinale, en coupe radiale et en vue partielle développée, une autre forme d'exécution.
La fig. 13 est une autre variante du dispositif, utilisable comme palier et comme détecteur de balourd.
La fig. 14 est un diagramme de la répartition des pressions dans le dispositif de la fig. 13.
La fig. 15 illustre la répartition des pressions dans un dispositif dans lequel l'épaisseur de la fente d'écoulement du fluide n'est pas constante.
Les fig. 16 et 17 représentent encore une autre variante ainsi que le diagramme des pressions correspondant.
Dans la forme d'exécution simple représentée sur la fig. 1, la pièce fixe est composée de deux éléments 101-102 assujettis l'un à l'autre par exemple au moyen de vis 103, et dans lesquels est percé un alésage lisse 104 recevant l'arbre 105. L'alésage comporte un évidement annulaire 107 qui est alimenté en fluide sous pression et qui entoure l'arbre 105. Cet évidement 107 forme un passage annulaire étranglé du fluide qui est constitué par l'intervalle étroit, en forme de rondelle mince, délimité par les deux faces planes parallèles en regard 109 et 110 des pièces fixes 101-102.
Le passage étranglé 107 débouche vers l'intérieur dans l'alésage en regard de l'arbre 105 et, sur sa périphérie, dans une chambre annulaire d'alimentation 106 raccordée à une source de fluide sous pression par un orifice 108.
On voit que la largeur du passage étranglé 107, c'est-à-dire l'épaisseur de la rondelle fluide, dépend du jeu existant entre les éléments 101,102 et que ce jeu peut tre ajusté à la valeur que l'on veut par rectification de ces éléments.
L'huile sous pression admise par l'orifice 108 se répartit dans la chambre d'alimentation 106, passe ensuite radialement dans le passage étranglé 107 où elle subit une perte de charge et s'évacue par le jeu existant entre l'alésage 104 et l'arbre 105 vers deux gorges de retour 111 et 112 creusées dans les éléments 101 et 102.
Ces deux gorges de retour communiquent avec une bâche à la pression atmosphérique (non représentée) par des canalisations 113 et 114.
Si l'arbre 105 est décentré, par exemple vers le bas, le débit possible dans le jeu existant entre l'alésage 104 et l'arbre 105, est, dans un plan radial vertical, plus faible vers le bas que vers le haut. Sur la fig. 2, qui représente cette coupe radiale, on a indiqué les débits d'huile radiaux plus ou moins forts dans le passage étranglé 107 par des flèches 115 plus ou moins épaisses. Il en résulte que les pertes de charge dans le passage étranglé sont plus faibles vers le bas, où le débit est faible, que vers le haut où le débit est plus important, c'est-à-dire qu'il s'établit un gradient de pression tendant à soulever l'ar- bre et par conséquent à le recentrer.
On a représenté sur la fig. 3 la répartition des pressions sur les deux généra trices diamétralement opposées, en haut et en bas de l'arbre.
Si Po est la pression d'alimentation de l'huile et si P et p sont respectivement les pertes de charge sur les rayons supérieur et inférieur 1071 1072 du passage étranglé les pressions aux sorties 1161-1162 de ce mme passage seront respectivement :
P, = PO-P et P2 = P , p où P2 > P. Comme les gorges 111 et 112 sont à la pression atmosphérique (ou au moins à une pression égale), la pression décroît régu- lièrement depuis les points 1161-1162 jusqu'à ces gorges et la surface du triangle de force de la génératrice inférieure est plus grande que celle du triangle de force de la génératrice supérieure.
On voit donc que des que l'arbre est sollicité à se décentrer, qu'il soit immobile ou en rotation, il est aussitôt ramené vers le centre-de l'alésage ce qui constitue bien un palier sans frottement mécanique.
Le dispositif créant une perte de charge continue et variable autour de l'arbre suivant son décentrement peut tre utilisé comme source pour un capteur de pression pilotant un système auto-équilibreur.
Il suffit pour cela de percer dans l'arbre une série de canaux radiaux, par exemple 3 canaux à 120 tels que ceux indiqués en traits interrompus 22 sur la fig. 2 et qui débouchent en regard de la fente 107.
Un tel système d'auto-équilibrage ou compensateur de balourd, est représenté sur les fig. 4,5 et 6 et est dé- crit dans ce qui suit.
La pièce, dont on désire compenser le balourd, est représentée schématiquement sur le dessin par une pièce cylindrique annulaire 1 (fig. 4 et 5) solidaire d'un arbre 2 monté à rotation dans un palier 3 classique. L'axe de l'arbre rotatif est horizontal et la pièce annulaire 1 est montée sur l'extrémité dudit arbre, par l'intermédiaire d'une sorte de moyeu qui constitue la partie active du dispositif de compensation de balourd, désigné, dans son ensemble, par 4. Ce dispositif comporte deux rondelles égales 5,6 entre lesquelles est emprisonnée une bague 7, l'ensemble de ces trois pièces étant serré par un écrou 9 vissé sur l'extrémité filetée dudit arbre, contre une bague 8 rendue solidaire de l'arbre 2 par emmanchement à force.
L'espace annulaire délimité par la surface cylindri- que de l'extrémité de l'arbre 2, la surface cylindrique intérieure de la bague 7 et les deux faces en regard des deux rondelles 5,6, respectivement, forme une chambre annulaire de section rectangulaire, dans laquelle sont disposés trois corps de compensation constitués par trois galets cylindriques 11,12,13. Ces galets peuvent se déplacer librement dans la chambre annulaire, et, leur diamètre est très légèrement inférieur, de l'ordre de 2/100-de mm, à la demi-différence de diamètre de-l'ar- bre et de la bague 7 ; de mme, la longueur de chaque galet est très légèrement inférieure aussi, de l'ordre de 2/100 de mm, à la distance entre les deux faces. en regard des deux rondelles 5 et 6.
Les trois galets 11,12,13 délimitent, dans la chambre annulaire, trois espaces variables ou chambres de compensation 17,18,19 respectivement en communication avec trois conduits coudés 21,22,23 pratiqués à l'intérieur de l'arbre 2 et qui débouchent en des points équidistants sur la surface cylindrique de celui-ci. Des butées 14,15,16 disposées contre la face cylindrique intérieure de la bague 7 limitent, d'une façon positive, les déplacements des galets de compensation à un arc de 120 environ, afin qu'une mme chambre de compensation ne puisse pas tre alimentée en fluide sous pression, par deux conduits radiaux à la fois.
Une pièce fixe 27 (voir aussi fig. 5), entoure l'arbre avec un faible jeu. Les conduits coudés précités débou- chent dans un alésage 26 de l'organe 27 du droit d'une one annulaire continue constituée par le passage étran glé 28 délimité par deux faces planes annulaires parallèles 31,32 transversales à l'arbre et appartenant respectivement à deux pièces 33,34 assemblées contre une bague entretoise 35 par des vis 36, et dont l'ensemble constitue la pièce fixe 27.
Le passage étranglé 28 compris entre deux plans radiaux faisant un très petit angle a , (fig. 5) se comporte comme un étranglement radial élémentaire.
Le passage étranglé 28 débouche dans une chambre annulaire 38 en communication, par un conduit 39 avec une source de liquide sous pression constante (non représentée), par exemple de l'huile.
Deux gorges annulaires 41,42 pratiquées dans l'alésage des pièces 33,34, respectivement de part et d'autre du passage étranglé 28, recueillent l'huile qui s'échappe le long de l'arbre et la retournent au réservoir.
Le fonctionnement du dispositif est le suivant :
Si l'arbre 2 est soumis à un effort radial tournant avec lui, tel que par exemple, celui créé par un balourd
B, son axe 47 tourne autour d'un axe de rotation 46 (fig. 7) (excentré ou non, par rapport à l'axe 48 de l'alésage 26) qui n'est pas confondu avec l'axe 47 dudit arbre.
Au cours d'une révolution complète de l'arbre, tout point lié à la périphérie de celui-ci et situé au voisinage du demi-plan radial 49 (fig. 7) joignant l'axe de rotation 46 à l'axe 47 de l'arbre est, en moyenne, plus rapproché de l'alésage 26 de la pièce fixe, qu'un point situé au voi- sinage du demi-plan radial opposé.
Le pression qui règne dans le conduit 22 et dans le compartiment correspondant 18 entre les deux galets d'équilibrage 11,12 augmente, tandis que celle qui règne dans les conduits 21,23 et dans les compartiments correspondants 19 et 17 diminue, car la section de fuite du fluide entre l'arbre 2 et les alésages des pièces 33,34 vers les gorges annulaires 41,42, diminue au voisinage du conduit 22, pendant qu'elle augmente progressivement au voisinage des deux autres conduits 21,23. Les galets 11 et 12 se rapprochent du galet 13, c'est-à-dire se déplacent dans le sens qui tend à produire une compensation du balourd.
Tant qu'un balourd subsistera, les galets seront déplacés dans le sens qui tend à compenser ledit balourd.
Lorsque le balourd a été compensé, l'axe de rotation 46 et l'axe 47 de l'arbre sont confondus (fig. 8) mais cela ne signifie pas qu'ils se trouvent sur l'axe 48 de l'alésage 26 de l'organe fixe, ce qui est d'ailleurs sans importance.
En effet, lorsque le balourd est compensé, les galets d'équilibrage sont immobiles par rapport à la pièce annulaire qui les renferme et la pression qui règne dans chacun des compartiments 17,18,19 est, à tout instant, égale à celle qui règne dans le jeu annulaire entre l'arbre et l'alésage 26 de l'organe fixe 27 au point où le conduit coudé correspondant 21,22 ou 23 débouche sur la périphérie de l'arbre. Si l'axe de rotation 46 de l'arbre est excentré par rapport à l'axe 48 de l'alésage 26, cette pression varie cycliquement, mais sa valeur moyenne, au cours de chaque tour, est constante pour un excentrement déterminé (en direction et en grandeur) des axes 46 et 48.
Lorsque l'arbre tourne parfaitement rond,'les pressions moyennes dans les trois compartiments sont identiques, et les trois galets ne sont pas sollicités à modifier leurs positions, qui sont celle pour lesquelles la balourd est parfaitement compensé. Cette compensation est donc maintenue, quelle que puisse tre l'excen- tration de l'arbre par rapport à la pièce fixe 27 de référence.
Dans la variante représentée sur la fig. 9, le passage étranglé 28 est constitué par une pièce annulaire 51 en matière poreuse, telle qu'une matière frittée, serrée entre les deux pièces 33a et 34a. Le fonctionnement du dispositif est le mme que dans le mode de réalisation des fig. 4 à 6.
Dans la forme d'exécution qui vient d'tre décrite, le système à perte de charge continue dans un passage étranglé constitué par une fente annulaire ou dans une bague poreuse ne joue que le rôle de détecteur d'excentration, car la distance entre le passage étranglé et les gorges d'évacuation d'huile est faible contrairement à la première forme d'exécution (voir fig. 3), le maintien radial de l'arbre étant assuré par un palier extérieur 3 de type quelconque.
Dans la variante représentée sur les fig. 10,11 et 12, le dispositif à fente ne sert également que de détecteur d'excentration pour la correction du balourd, mais le maintien radial de l'arbre est assuré par un palier du type dit fluides combiné avec le dispositif à fente.
La pièce fixe est constituée, comme dans la première forme d'exécution, par deux éléments 101-102, mais emmanchés l'un dans l'autre et laissant subsister entre eux le passage annulaire étranglé en fente ou rondelle mince 107 ainsi que la chambre annulaire d'alimentation 106. Les deux éléments fixes sont également creusés de deux gorges de retour d'huile, comme dans le cas de la fig. 1, mais ils présentent en plus une pluralité de cavités 117-118, au nombre de 5 par exemple, formant 5 zones de pression partagées en demi-zones par la plage continue 119 où débouche le passage étranglé 107. Les demizones ou cavités 117/118 sont mises en communication deux à deux par des canaux de court-circuit 120 les mettant à la mme pression et sont alimentées par des gicleurs 121 débouchant d'une part dans la chambre annulaire 106 et d'autre part dans les cavités 118.
Entre les cavités 117 et 118 sont creusées, dans les éléments 101-102, des rainures longitudinales 122-123 qui débouchent dans les gorges de retour 111-112 et collectent vers ces gorges les fuites d'huile entre les cavités 117-118 adjacentes (voir la vue partielle développée de l'intérieur du palier sur la fig. 12).
Comme dans la forme d'exécution représentée sur la fig. 4, l'arbre est percé de trois canaux radiaux 22 à 120 dont une extrémité débouche au droit du passage étranglé 107 et dont l'autre extrémité débouche dans les chambres du dispositif compensateur de balourd à galet (non représenté sur la fig. 10). Le fonctionnement du compensateur de balourd est identique à celui qui a été décrit à propos des fig. 4,5 et 6.
Le fonctionnement du dispositif en tant que palier est analogue à celui d'un palier du type fluide, c'est-à- dire que si un effort statique tend à décentrer l'arbre 105 vers le bas (fig. 11), la pression qui s'établit dans les cavités inférieures 1173-1174 et 118s-1184 est plus forte que celle qui s'établit dans les cavités supérieures 1171-118, par suite de la différence des jeux-sur toute la périphérie de l'arbre, et l'arbre tend à se recentrer sous 1'effet des pressions différentielles créées par le décentrement.
Dans la variante représentée sur la fig. 13, le dispositif comporte deux passages étranglés en forme de rondelle mince 107 et 107'alimentées en fluide sous pression par des chambres annulaires 106 et 106'réunies par une canalisation 124 d'équilibrage des pressions.
Dans ce cas, la pièce fixe peut tre constituée par trois éléments assemblés 101-102-125 de façon à ménager entre eux les deux passages étranglés 107 et 107'.
Cette forme d'exécution présente l'avantage, par rapport à celle représentée sur les fig. 1 et 3, de donner naissance à un champ de pression (fig. 14) plus uniforme et, par conséquent, de permettre une charge plus importante du palier. Sur la fig. 14, on voit que la pression n'est pas rigoureusement uniforme dans une mme section entre les passages étranglés 107 et 107'. La pression est légèrement plus forte au centre, du côté où l'ar- bre a le maximum de jeu avec le palier (génératrice supérieure sur la figure), et elle est au contraire plus faible au centre du côté où le jeu est minimum (génératrice inférieure). Cette différence provient du débit circulaire de fluide provoqué par le champ de pression.
I1 est bien évident que des canaux 22 servant de détecteurs de pression peuvent, comme dans les cas précédents, transmettre le champ de pression à un compensateur de balourd non représenté.
Suivant une autre forme d'exécution on peut donner aux passages étranglés en forme de rondelle mince une épaisseur variable sur leur périphérie, les faces 109 et 110 (fig. 1), qui déterminent cette rondelle, n'étant par exemple pas exactement parallèles.
On a représenté seulement le diagramme des pressions dans ce cas sur la fig. 15, l'ensemble du dispositif étant pour le reste conforme à celui de la fig. 1. On voit que le passage étranglé 104 forme une fente plus large à la partie inférieure qu'à sa partie supérieure, ce qui permet de maintenir l'arbre 105 centré dans son palier mme s'il existe un effort statique permanent 2F sur l'arbre. L'arbre étant centré, comme il est indiqué sur la fig. 15, la différence de surface des triangles de pression inférieur 126 et supérieur 127 représente un effort sur l'arbre qui s'oppose exactement à l'effort fixe 2F et maintient l'arbre centré.
Une telle fente à épaisseur variable (ou 2 fentes d'épaisseur variable dans le cas de la fig. 13) provoque une dissymétrie du champ de pression, mais ceci n'empche pas le fonctionnement d'un capteur de pression pilotant un dispositif compensateur de balourd si l'on désire en adapter un. En effet, chacun des canaux capteurs 22 passe successivement devant toutes les parties de la fente et la pression indiquée par ces capteurs ne dépend que du mouvement rotatif de l'arbre.
On a représenté sur la fig. 16 une autre forme d'exé- cution, dans laquelle la perte de charge continue autour de l'arbre est produite par un passage étranglé 53a subsistant entre un alésage conique 53 creusé dans une pièce fixe 27a et l'arbre 2. La différence entre le plus grand et le plus petit diamètre de l'alésage conique est de quelques centièmes de millimètre.
Près de l'extrémité 53c de la bague 27a où l'alésage est le plus grand, le fluide sous pression (de l'huile de préférence) est amené à une gorge annulaire 54 par un canal 55 à partir d'une source à pression sensiblement constante Po (non représentée). Les trois canaux tels que 22 forés dans l'arbre à 120 les uns des autres, débou- chent à la périphérie dudit arbre, au voisinage de l'ex trémité 53b où l'alésage conique 53 de la bague est le plus petit.
Le jeu variant linéairement le long de l'alésage, la perte de charge, subie par le fluide par unité de longueur, dans un secteur étroit autour d'un demi-plan diamétral, n'est pas constante mais croit de l'amont à l'aval.
En outre, plus le rapport entre le jeu à l'extrémité amont et le jeu à l'extrémité aval est grand, plus grande est la variation, entre deux plans de section droite donnés, de la perte de charge par unité de longueur. Or, ce rapport, dans un secteur étroit compris entre deux demi-plans diamétraux voisins, est d'autant plus grand que, au voisinage de ces plans diamétraux, l'arbre est plus rapproché de l'alésage. Il s'ensuit que, par exemple, dans le cas de la fig. 16, où l'arbre est excentré vers le haut de la figure, les courbes représentant les pressions en un point donné du jeu ont l'allure reproduite sur la fig. 17, où la courbe (A) correspond à la moitié supérieure de la fig. 16 et la courbe (B) à sa moitié inférieure.
Dans le plan de section droite où les canaux tels que 22 débou- chent à la périphérie de l'arbre, on dispose donc d'une différence de pression P, qui peut tre considérable, pour tendre à recentrer l'arbre dans son alésage et assurer le déplacement des galets d'équilibrage du compensateur de balourd.
Dans une réalisation pratique des formes d'exécution représentées sur les fig. 1 à 15, le jeu entre les deux faces de la fente constituant le passage étranglé est de un dixième de millimètre, à 15 microns près.
Le système de compensation du balourd représenté sur la fig. 4 est constitué essentiellement par trois galets, roulant à l'intérieur de deux surfaces cylindriques, l'une intérieure, l'autre extérieure, dont l'axe est confondu avec celui de la broche, et fermés latéralement par deux surfaces planes perpendiculaires à l'axe de rotation de la broche.
Si DI = le diamètre de la surface cylindrique extérieure
D2 = le diamètre de la surface cylindrique intérieure
d = le diamètre des galets.
On a :
Dl-D2 d + 2 centièmes de m/m
2
La tolérance sur ces 2 centièmes est de 5 microns
Si L = l'écartement entre les deux plans parallèles
1 = la longueur des galets on a :
L = 1 + 2 centièmes de m/m
Ces deux centièmes devant 8tre réalisés à 5 microns près.
Dans cette forme d'exécution, la masse de chacun des galets est de 40 grammes, leur diamètre et leur longueur est de 20 mm. Le diamètre du cylindre intérieur sur lequel ils roulent est de 110 mm.
Dans ces conditions le balourd corrigeable est de 170 g X cm.
Dans une variante de cette forme d'exécution, le diamètre et la longueur des galets sont de 30 mm, le diamètre et la longueur des galets sont de 30 mm, le diamètre du cylindre intérieur sur lequel ils roulent est de 160 mm, et la capacité maximum d'équilibrage est de 800 g X cm.
Comme fluide, on utilise de l'huile sous pression constante de 4 à 8 kg par cm2 avec une viscosité de 10 centistokes, le débit nécessaire étant de l'ordre de 1 litre par minute.