FR2776736A1

FR2776736A1 - Variateur de vitesse

Info

Publication number: FR2776736A1
Application number: FR9803606A
Authority: FR
Inventors: Bela Skorucak
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1998-03-24
Filing date: 1998-03-24
Publication date: 1999-10-01
Anticipated expiration: 2018-03-24
Also published as: FR2776736B1

Abstract

On réalise un variateur de vitesse par friction dans lequel un planétaire menant (2) entraîne un planétaire (3) mené par l'intermédiaire d'un satellite (4). On montre comment en organisant la friction du satellite sur des chants (6, 7) des planétaires, on peut en déplaçant (13) une cage (5) qui porte les satellites, obtenir une variation continue de vitesse dans une grande proportion. Le variateur présente alors l'avantage d'être très simple et très robuste.

Description

Variateur de vitesse La présente invention a pour objet un variateur de

vitesse. Ce variateur de vitesse est plus particulièrement destiné à être utilisé dans le domaine de l'aéronautique pour entraîner, à vitesse constante, un alternateur à partir d'une force motrice provenant d'une turbine d'un avion et dont la vitesse peut être très fortement variable. Néanmoins, le variateur de l'invention peut être utilisé dans tout autre domaine o, notamment pour des raisons de puissance, on préférera réaliser un variateur mécanique qu'un variateur électrique ou électronique. Par exemple, ce variateur peut même être utilisé dans le domaine de l'automobile, à l'envers, pour à partir d'un moteur tournant à vitesse constante pouvoir moduler la vitesse d'un véhicule. Traditionnellement, dans les avions on utilise comme source d'énergie électrique alternative un réseau de tensions dont la fréquence doit être constante et égale à 400 Hz par exemple. Dans ce but, on entraîne en rotation un alternateur par une source d'énergie mécanique, notamment une turbine de l'avion. L'alternateur produit ainsi un système de tensions

électriques dont la fréquence dépend linéairement de la vitesse de la turbine.

Aussi, du fait de la variation de la vitesse de la turbine, on a été amené à concevoir différents variateurs de vitesse afin de maintenir constante la

fréquence du réseau électrique alternatif.

A ce titre, on connaît par exemple les convertisseurs électromécaniques dont le système d'asservissement comporte une dissipation par courant de Foucault. Bien entendu, le rendement d'un tel

convertisseur est relativement mauvais: par exemple, il n'est que de 50 %.

Cependant, ce type de convertisseur était satisfaisant pour une gamme de vitesse d'entraînement grande (par exemple un rapport de 2,5 entre la vitesse d'entraînement la plus rapide et la vitesse d'entraînement la plus

lente) et un respect rigoureux de la fréquence de 400 Hz en sortie.

Avec l'évolution des circuits électroniques installés dans les avions, il devient possible de se satisfaire maintenant d'une fréquence qui ne serait plus rigoureusement de 400 Hz mais qui pourrait évoluer sensiblement, c'est

à dire être comprise entre 350 et 450 Hz par exemple.

On connaît autrement des systèmes à convertisseur de couple hydrocinétique. Ceux-ci sont cependant destinés à des transmissions de très grande puissance et ont malheureusement des rapports de transformation autour de 90% seulement. Ils nécessitent par ailleurs, une réalisation complexe, coûteuse, et beaucoup d'entretien. On connaît encore autrement des variateurs de vitesse à courroies qui circulent sur des poulies à diamètre variable. Ce type de variateur était utilisé notamment dans les machines-outils anciennes. Un tel variateur présente l'inconvénient qu'il n'y a pas de continuum de variation entre une vitesse maximale et une vitesse minimale. Un autre système de ce type, dit VARIOMATIC et développé par la Société DAF aux Pays Bas, comporte des courroies et des poulies à diamètre continûment variable. Mais ce système

nécessite une mécanique encombrante.

On connaît également, les variateurs à friction. Un arbre menant y entraîne un arbre mené par l'intermédiaire d'un satellite en relation de friction avec les deux arbres. Ces variateurs présentent l'inconvénient que la variation de vitesse est obtenue par déplacement de l'arbre mené par rapport à l'arbre menant. Ceci n'est pas vraiment possible si l'entraînement du variateur et l'utilisation en sortie de ce dernier, doivent être couplés d'une manière fixe à la turbine et à l'alternateur. En outre, un tel système est d'autant plus délicat que des efforts doivent être imprimés axialement sur les pièces menantes et menées pour les plaquer contre le satellite d'entraînement. On connaît encore les variateurs de type hydrostatique dans lesquels une pompe rotative hydraulique entraîne un disque sur lequel sont montés des pistons oscillants. Ces pistons entrent dans des cylindres et y pompent du fluide dont le débit est utilisé à son tour pour entraîner un moteur dont la vitesse est alors proportionnelle au débit. En modifiant l'orientation des cylindres par rapport à la normale au disque, on montre qu'on peut faire varier le débit. L'inconvénient présenté par ces systèmes est d'autre part leur

inadaptation aux faibles puissances. Dans ce cas le rendement est faible.

L'invention a pour objet de remédier aux inconvénients cités en proposant un variateur de vitesse, du type de ceux à friction mais ne

possédant pas les inconvénients indiqués.

Dans l'invention, plutôt que de soumettre un satellite aux pressions exercées par un planétaire menant et un planétaire mené, on préfère monter le satellite à l'extérieur des planétaires de façon à ce que le satellite soit entraîné par les chants des planétaires. On montrera qu'en agissant ainsi, on obtient une très grande variabilité du variateur de vitesse, et un système par ailleurs particulièrement simple à régler. L'invention a donc pour objet un variateur de vitesse comportant un planétaire menant, un planétaire mené, et au moins un satellite en relation d'entraînement avec les deux planétaires, caractérisé en ce que le satellite est entraîné par les chants des planétaires et en ce qu'un moyen permet de

faire glisser l'axe du satellite parallèlement aux axes des planétaires.

L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit

et à l'examen des figures qui l'accompagnent. Celles-ci ne sont données qu'à titre indicatif et nullement limitatif de l'invention. Les figures montrent: Figures la et lb: un variateur de vitesse conforme à l'invention respectivement dans deux positions de réglage, Figures 2 et 3: une représentation schématique de la généralisation du principe de l'invention, Figure 4: un perfectionnement du dispositif de l'invention pour éviter

les problèmes d'usure.

La figure 1 montre un variateur de vitesse conforme à l'invention.

Celui-ci comporte dans un carter 1, un planétaire menant 2 et un planétaire mené 3. Le planétaire menant 2 tourne autour d'un axe X alors que le planétaire mené tourne autour d'un axe X'. De préférence, les deux axes X et X' sont dans le prolongement l'un de l'autre. Les planétaires ont de préférence le même diamètre. Les deux planétaires 2 et 3 sont en relation d'entraînement par friction avec un satellite 4. Le planétaire menant 2 transmet le mouvement par friction au satellite 4 et le même satellite 4 retransmet le mouvement au planétaire mené 3 en inversant le sens de rotation. Le satellite 4 est monté dans une cage 5. La cage 5 est bloquée en rotation dans le carter 1. Selon les caractéristiques essentielles de l'invention, le satellite 4 est entraîné par les chants 6 et 7 des planétaires 2 et 3 respectivement. Par chant, on entend une partie des planétaires 2 et 3 globalement orientée parallèlement aux axes X et X' respectivement. Le satellite 4 est porté au contact des chants 6 et 7 par un effort F exercé sur son arbre de rotation par réaction sur la cage 5. Par exemple, le satellite 4 est solidaire de l'arbre 8 qui repose dans un palier 9 de la cage 5. Le palier 9 peut comporter des gorges, et l'arbre 8 des glissières circulaires en vis à vis pour empêcher son coulissement dans le palier et pour imprimer l'effort F au

satellite 4.

Autrement, I'effort peut être obtenu par exemple par des moyens tels

qu'un ressort mécanique, hydraulique ou pneumatique agissant sur l'arbre 8.

Il est par ailleurs envisageable de réduire ou de supprimer l'effort exercé par un tel ressort sur l'arbre 8 du satellite en montant cet arbre 8 du satellite avec un léger jeu. Par exemple, la fixation de l'arbre 8 dans le palier 9 pourrait à la limite prendre la forme d'un montage avec une rotule. Dans ces conditions, sous l'effet de l'entraînement et de la réaction de friction, I'arbre 8 du satellite serait amené à s'incliner. Par un effet de coincement en basculement, le satellite serait alors amené naturellement à presser plus fort

contre les chants des planétaires.

De la même façon, les planétaires 2 et 3 sont portés dans le carter 1 par des paliers 10 et 11 respectivement. Dans un premier temps, on admettra que la position, en translation entre les axes X et X', des planétaires 2 et 3 par rapport aux paliers 10 et 11 est fixe. Selon une autre caractéristique essentielle de l'invention, I'arbre 8 du satellite 4 peut glisser parallèlement aux axes X et X' des planétaires 2 et 3. Ce glissement s'effectue selon le sens de la flèche 12. Schématiquement, un levier 13 qui passe dans une lumière 14 du carter 1 permet d'emmener la cage 5 et donc l'arbre 8 parallèlement aux axes X et X'. Il résulte de ce déplacement qu'un axe 15 de rotation du satellite se déplace par rapport au plan des planétaires 2 et 3. De ce fait, un écart "a" entre cet axe 15 et le planétaire 2 peut être différent d'un écart "b" de cet axe 15 avec le planétaire 3. En admettant qu'il n'y a pas de perte par glissement à l'endroit de la friction des chants 6 et 7 sur le satellite 4, le rapport des vitesses du planétaire menant au planétaire

mené est b/a.

La figure lb montre une autre position du levier 13 dans laquelle la valeur a est devenue inférieure à la valeur b. Le rapport des vitesses est toujours b/a. Cependant dans ce cas, pour une même vitesse d'entraînement du planétaire menant 2, on obtient une vitesse plus grande du planétaire mené 3. Dans les deux cas, selon la position du levier 13, le rapport de réduction est continûment variable dans la plage de fonctionnement. La figure la montre un mode préféré d'utilisation du variateur de vitesse selon l'invention. Dans celle-ci, un alternateur 16 est monté sur un arbre mené aligné avec l'axe X'. Le courant 17 produit, dans un exemple triphasé, est délivré avec une fréquence liée à la vitesse de rotation du planétaire mené 3. La fréquence du signal électrique 17 peut être mesurée puis comparée dans un comparateur 18 avec une consigne (400 Hz) à respecter. Le comparateur 18 délivre un signal de commande qui actionne un moteur 19 en relation mécanique avec le levier 13. Selon que la vitesse sera trop faible ou trop forte, le levier sera poussé dans un sens ou dans un autre par le moteur 19, de manière à augmenter ou réduire le rapport de

vitesse proposé par le variateur.

L'asservissement peut par ailleurs comporter une mesure de couple ou de puissance à comparer à la consigne. En outre, au lieu d'asservir sur la vitesse, le couple, ou la puissance sur l'arbre mené on peut asservir sur les mêmes éléments mais concernant l'arbre menant, ou encore sur un

paramètre quelconque d'un organe quelconque.

Il n'est pas nécessaire, à priori, que les planétaires menants et menés soient de même diamètre, et donc que leurs axes de rotation soient dans I'alignement l'un de l'autre. Notamment, si un des deux planétaires est plus petit que l'autre, son axe de rotation sera écarté de l'alignement de l'axe de l'autre. De même, le satellite 4 comporte des pistes d'entraînement par friction des chants 6 et 7. Il serait possible de prévoir un satellite avec des pistes situées à différentes altitudes par rapport aux axes X et X' pour compenser une éventuelle différence de diamètre des planétaires. En variante, un des planétaires peut être monté mobile en glissement (tout en étant contrôlé) sur son palier 10 ou 11. Selon la position que ce planétaire occupe alors par rapport au satellite 4, le rapport a/b peut être modifié. Mais dans une solution préférée, bien plus simple, les planétaires ont un même diamètre, leurs axes sont alignés, et leurs positions sont fixes dans le carter 1. De préférence, comme montré sur les figures la et lb, de manière à ce que l'effort sur les paliers 10 et 11 soit réduit au minimum, le satellite 4 sera associé à un satellite 20, lui aussi comprimé par une force F' sur les chants 6 et 7 des planétaires 2 et 3. Les forces F et F' sont telles que les efforts de compression des deux satellites contre les planétaires se

composent d'une manière compensée entre eux.

La figure 2 montre un perfectionnement de l'invention. Cette figure montre, avec une orientation perpendiculaire à celle des figures la et 1 b, le planétaire menant 2 et, en tirets, le planétaire mené 3. Ces deux planétaires sont alignés selon un axe globalement vertical. Plutôt que ne monter que deux satellites 4 et 20, on a préféré au contraire, disposer une multiplicité de satellites 4, 20 - 24. Ces satellites sont de dimensions bien plus petites que les planétaires. Les satellites sont montés dans une cage polygonale 25 en réaction sur des paliers 9 et 26 à 30. Le nombre des satellites n'est même pas nécessairement un nombre pair. Mais un nombre pair est une solution préférée par les multiples effets de symétrie qu'elle entraîne, les efforts antagonistes facilement compensés, et donc les simplifications de fabrications attachées. On a montré sur la figure 3 dans ce but, une cage avec six côtés. La figure 3 en est une vue de dessus avec la compensation

de toutes les forces F et F' sur les planétaires 2 et 3.

Du fait des nombreux satellites, on pourrait montrer que les risques de glissement des planétaires sur les satellites sont d'autant plus réduits que ces satellites sont nombreux. Le montage de la cage 5 est tel que toutes les positions moyennes des axes des satellites sont situées dans un plan perpendiculaire au plan des axes des planétaires. Au besoin, pour provoquer l'inclinaison des arbres des satellites on incline la cage 5 par rapport au

carter 1.

Sur le plan technologique, la cage 1 sera de préférence remplie d'huile, ou au moins d'un fluide servant à refroidir les pièces au contact, au cas o elles viendraient par frottement à glisser les unes sur les autres et à s'échauffer. Les chants 6 et 7 présentent des profils adaptés. Ces profils adaptés peuvent comporter un bombement de type elliptique ou circulaire, à l'endroit du contact avec les satellites. De cette manière, la surface de contact ne s'étend pas trop le long des rayons des satellites. Il peut ne pas y avoir de bombement, et les chants 6 ou 7 peuvent présenter un méplat. Dans ce cas

ce méplat peut avoir une largeur inférieure à l'épaisseur des planétaires.

De préférence, le matériau qui constitue ces bombements, ou qui les revêt est un métal très dur: par exemple de l'acier ou du titane. En variante, ce matériau peut être plastique, composite, voire en céramique. Les parties au contact peuvent ainsi être recouvertes par un matériau ayant subi un traitement de surface. Le traitement de surface est alors adapté au frottement entre satellites et planétaires. Les matériaux des faces des satellites et des chants des planétaires ne sont pas nécessairement les mêmes. Dans un exemple, les diamètres des planétaires seront de l'ordre de 6 à 10 cm. Les satellites, eux, auront des diamètres plus petits, par exemple 8 cm. L'espace qui sépare les deux planétaires, sera de l'ordre de 4 cm dans un exemple. Cet écart, s'il est fixe, conditionne les rapports maximal et

minimal de variation de vitesse.

Avec un rendement proche de 100 %, on estime que la durée de vie

du variateur est supérieure à 10.000 heures.

Pour augmenter cette durée de vie, sur la figure 4, on a montré que par rapport à une consigne C, on allait tolérer une certaine variation de la

position du rapport b/a des vitesses en fonction du temps.

En effet, compte tenu que pendant la plupart du temps la turbine d'entraînement du planétaire menant est à la vitesse nominale, le rapport b/a correspondant à cette vitesse, sera la plupart du temps inchangé. Dans ce

cas, on risque de voir se former des ornières circulaires dans les satellites.

Pour éviter ce phénomène, on prévoira de faire osciller, dans des oscillations 31, la position de réglage du rapport b/a. En effet, d'une part, la technique moderne accepte maintenant les écarts de fréquence comme cela a été rappelé ci-dessus. D'autre part, on peut facilement obtenir ce résultat, soit en prévoyant une consigne C dont la valeur elle-même oscille autour d'une valeur de réglage, avec une excursion calibrée. Soit on choisira un

asservissement par hystérésis.

Ainsi, par rapport à l'état de la technique, I'invention présente l'avantage que l'arbre menant et l'arbre mené sont sur un même axe. La vitesse de fonctionnement est élevée ce qui favorise la transmission du mouvement. On obtient une variation continue et importante du rapport de réduction et de multiplication. L'encombrement est faible, pour un couple transmissible donné, du fait du choix du nombre des satellites et des efforts F à appliquer. En outre on peut désaccoupler l'arbre menant de l'arbre mené

en dégageant les satellites de l'arbre menant.

Claims

REVENDICATIONS

1 - Variateur de vitesse comportant un planétaire (2) menant, un planétaire (3) mené, et au moins un satellite (4) en relation d'entraînement avec les deux planétaires, caractérisé en ce que le satellite est entraîné par les chants (6, 7) des planétaires et en ce qu'un moyen (13) permet de faire

glisser l'axe (15) du satellite parallèlement aux axes (X, X') des planétaires.

2 - Variateur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte une cage (5) de satellites, plusieurs satellites étant montés dans cette cage, cette cage exerçant sur les satellites des efforts (F, F') de compression pour les comprimer contre les planétaires, ces efforts étant composés d'une

manière compensée entre eux.

3 - Variateur selon la revendication 2, caractérisé en ce que la cage

est remplie d'un fluide, par exemple de l'huile.

4 - Variateur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce

qu'il comporte plusieurs couples (4, 20-24) de satellites antagonistes.

- Variateur selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce

qu'il comporte des planétaires dont un profil extérieur comporte un

bombement, par exemple elliptique ou circulaire.

6 - Variateur selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce

qu'il comporte des planétaires et/ou des satellites dont un profil extérieur et/ou une surface de contact, respectivement, comportent une structure ou

un revêtement d'adaptation à la friction entre planétaires et satellites.

7 - Variateur selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce

qu'il comporte un moyen (18) pour asservir la position en glissement de l'axe des satellites en fonction d'une mesure de la vitesse, d'une mesure du couple, ou d'une mesure de la puissance de rotation du planétaire mené ou

du planétaire menant.

8 - Variateur selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce

qu'il comporte un moyen (18) pour asservir la position en glissement de l'axe des satellites en fonction d'une mesure d'un paramètre d'un organe en

relation avec le variateur.

9 - Variateur selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce

qu'il comporte un moyen pour faire osciller (31) la position en glissement de

l'axe des satellites autour d'une position d'équilibre.

- Variateur selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il comporte un montage avec jeu de l'arbre du satellite pour permettre une

inclinaison de cet arbre du satellite et ainsi augmenter un effort de5 compression du satellite contre les chants des planétaires.