FR3098791A1 - Dispositif de précharge pour roulement à billes de moteur électrique et moteur électrique équipé d’un tel dispositif de précharge - Google Patents

Dispositif de précharge pour roulement à billes de moteur électrique et moteur électrique équipé d’un tel dispositif de précharge Download PDF

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Abstract

Dispositif de précharge pour roulement à billes de moteur électrique et moteur électrique équipé d’un tel dispositif de précharge Un aspect de l’invention concerne un dispositif de précharge (200) pour roulement à billes de moteur électrique (12), le dispositif de précharge et le roulement à billes (124, 125) étant montés de façon coaxiale l’un contre l’autre. Le dispositif de précharge comporte un barillet (210) en forme de couronne muni d’une pluralité d’orifices (230), et une pluralité de ressorts (220) logés chacun dans un des orifices (230) du barillet (210) et adaptés pour générer chacun un effort appliqué contre le roulement à billes. Un autre aspect de l’invention concerne un moteur électrique (12) comportant un stator (122) et un rotor (121) montés coaxialement l’un par rapport à l’autre, un arbre de rotation (120) adapté pour engrener un dispositif d’entraînement (14), au moins un roulement à billes (124, 125) monté solidaire du rotor autour de l’arbre de rotation, et au moins un dispositif de précharge (200). Figure à publier avec l’abrégé : Figure 6

Description

Dispositif de précharge pour roulement à billes de moteur électrique et moteur électrique équipé d’un tel dispositif de précharge
La présente invention concerne un dispositif de précharge pour roulement à billes de moteur électrique. Elle concerne également un moteur électrique équipé de ce dispositif de précharge ainsi qu’un train d’atterrissage d’aéronef équipé de ce moteur électrique.
L’invention trouve des applications dans le domaine de l’aéronautique et, en particulier, dans le domaine des trains d'atterrissage d'aéronef à des fins de roulage au sol.
ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE DE L’INVENTION
Si les aéronefs sont conçus pour voler, ils doivent également être capables de se déplacer au sol. En effet, un aéronef doit pouvoir circuler au sol entre les différents emplacements d’un aéroport. Il doit notamment pouvoir rouler entre la piste de décollage et/ou d’atterrissage et la porte d’embarquement où les passagers embarquent ou débarquent de l’aéronef. Cette circulation au sol, appelée phase de roulage de l’aéronef (ou taxiing en termes anglosaxons), est effectuée au moyen du ou des train(s) d’atterrissage de l’aéronef.
Généralement, en phase de roulage, on utilise la poussée des turbomachines de l'aéronef pour faire tourner les roues du ou des train(s) d'atterrissage de l’aéronef et ainsi lui permettre de se déplacer vers l'avant. Les vitesses de circulation au sol doivent nécessairement être relativement faibles. Aussi, les turbomachines, qui sont généralement prévues pour tourner très rapidement, doivent fonctionner à très basse puissance en phase de roulage. Compte tenu du faible rendement de la propulsion à cette puissance, la consommation de carburant est relativement élevée. En effet, il est connu qu’environ 4% du carburant embarqué dans un aéronef est consommé uniquement en phase de roulage. La phase de roulage présente donc un coût élevé, en proportion de la phase de vol. De plus, la phase de roulage conduit à une augmentation des niveaux de pollution atmosphérique et sonore aux alentours des aéroports.
En outre, au sol, il peut être nécessaire de faire reculer l’aéronef, notamment pour le faire sortir de son emplacement à la porte d’embarquement ou de débarquement. Généralement, en phase de recul (ou pushback en termes anglosaxons), l’aéronef doit être poussé en arrière par un véhicule de tractage. Or, non seulement un véhicule de tractage est très couteux, mais en plus le fait qu’il est utilisé pour tracter plusieurs aéronefs implique une gestion complexe de la disponibilité du véhicule.
Pour résoudre ces problèmes de coût et de pollution des phases de roulage et de recul de l’aéronef, un constructeur aéronautique a proposé d’installer un système d’entraînement sur le train d’atterrissage de l’aéronef, ce système d’entraînement étant indépendant des turbomachines et ayant pour fonction d’entraîner les roues du train d’atterrissage en rotation afin de permettre le déplacement de l’aéronef. Ce système d’entraînement, décrit par exemple dans la demande EP 2 982 603 A1, comporte un moteur électrique configuré pour faire tourner une ou deux roues du train d’atterrissage via un système de réduction de la vitesse et un dispositif d’entraînement à pignons. Pour transmettre la puissance générée par le moteur électrique au système de réduction, le moteur électrique comporte généralement un premier et un deuxième roulements à billes montés sur l’arbre de rotation du moteur électrique, de part et d’autre de l’ensemble rotor/stator.
Lorsque le moteur électrique est prévu pour entraîner les roues d’un train d’atterrissage d’aéronef, il est généralement soumis à des contraintes environnementales particulièrement sévères comme les poussières, les vibrations, les variations de charge, les différences de températures, etc.. Le moteur électrique doit donc être capable de s’adapter à ces conditions environnementales et notamment aux variations de charges et différences de températures.
Dans le domaine général des moteurs électriques, il est connu d’introduire un jeu au sein des roulements à billes du moteur électrique pour permettre leur adaptation à des conditions environnementales variables. Or, s’il permet au roulement à billes de s’adapter aux diverses variations, ce jeu n’est pas souhaité pour le fonctionnement même du roulement à billes. Il est connu, pour éviter le ballottement des billes à l’intérieur du roulement, d’appliquer une précharge sur le roulement à billes. Cette précharge est généralement générée par un ressort ondulé monté autour de l’arbre de rotation, contre le roulement à billes.
Cependant, pour une application aux trains d’atterrissage d’aéronefs, le ressort ondulé doit pouvoir appliquer un effort de poussée particulièrement important. Le ressort doit donc présenter une raideur élevée qui entraîne nécessairement un volume important dudit ressort. Or, l’espace libre entre les roues du train d’atterrissage est restreint (de l’ordre de 15mm) et un encombrement important du ressort ondulé nécessiterait une augmentation de l’encombrement du moteur électrique, ce qui n’est pas envisageable compte tenu de l’environnement dudit moteur électrique.
Il existe donc un réel besoin d’une alternative au dispositif de précharge classique réalisé au moyen d’un ressort ondulé.
Pour répondre aux problèmes évoqués ci-dessus d’encombrement du dispositif de précharge sous forme de ressort ondulé, le demandeur propose un dispositif de précharge pour roulement à billes de moteur électrique dans lequel plusieurs ressorts sont logés axialement dans les orifices d’un barillet.
Selon un premier aspect, l’invention concerne un dispositif de précharge pour roulement à billes de moteur électrique, le dispositif de précharge et le roulement à billes étant montés de façon coaxiale l’un contre l’autre. Ce dispositif de précharge se caractérise par le fait qu’il comporte :
  • un barillet en forme de couronne muni d’une pluralité d’orifices, et
  • une pluralité de ressorts logés chacun dans un des orifices du barillet et adaptés pour générer chacun un effort appliqué contre le roulement à billes.
On appelle « dispositif de précharge », un dispositif permettant d’appliquer une précontrainte mécanique au roulement à billes par compression des ressorts. Le dispositif de précharge selon l’invention permet de générer une force de poussée importante avec un encombrement restreint.
Le dispositif de précharge peut comporter une ou plusieurs caractéristiques complémentaires parmi les suivantes, considérées individuellement ou combinées :
  • chaque ressort est positionné suivant une direction axiale dans un orifice du barillet, les ressorts de la pluralité de ressorts s’étendant parallèlement les uns aux autres ;
  • la pluralité de ressorts est répartie régulièrement dans une épaisseur du barillet ;
  • chaque ressort comporte une première extrémité en butée contre une paroi du barillet et une seconde extrémité en saillie dudit barillet.
Selon un deuxième aspect, l’invention concerne un moteur électrique comportant au moins :
  • un stator et un rotor montés coaxialement l’un par rapport à l’autre,
  • un arbre de rotation entraîné par le rotor et adapté pour engrener un dispositif d’entraînement,
  • au moins un roulement à billes monté solidaire du rotor autour de l’arbre de rotation, et
  • au moins un dispositif de précharge tel que défini ci-dessus.
Ce moteur électrique présente l’avantage de s’adapter aux conditions environnementales et notamment aux variations de températures.
Outre les caractéristiques qui viennent d’être évoquées dans le paragraphe précédent, le moteur électrique selon un aspect de l’invention peut présenter une ou plusieurs caractéristiques complémentaires parmi les suivantes, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles :
  • lorsque le moteur électrique comporte un carter de protection du stator et du rotor équipé d’au moins un flasque, le dispositif de précharge est logé autour de l’arbre de rotation, entre le roulement à bille et le flasque du carter ;
  • les ressorts de la pluralité de ressorts comportent des dimensions identiques et génèrent des efforts identiques ;
  • le dispositif de précharge comporte au moins trois ressorts, le nombre de ressort étant déterminé en fonction des dimensions du barillet et d’une force générée par chacun des ressorts.
Selon un troisième aspect, l’invention concerne un train d’atterrissage pour aéronef, comportant au moins une roue montée en rotation autour d’un axe de rotation. Ce train d’atterrissage se caractérise par le fait qu’il comporte en outre au moins un moteur électrique tel que défini ci-dessus, adapté pour entraîner la roue en rotation.
Ce train d’atterrissage présente l’avantage de se déplacer au sol grâce à un moteur électrique et donc d’être moins couteux en termes d’énergie et moins polluant.
Avantageusement, le moteur électrique est relié à un axe de rotation de la roue par l’intermédiaire d’un réducteur à engrenages.
D’autres avantages et caractéristiques de l’invention apparaîtront à la lecture de la description, illustrée par les figures dans lesquelles :
La figure 1 représente une vue schématique des trains d’atterrissage d’un aéronef ;
La figure 2 représente une vue schématique de derrière d’un train d’atterrissage équipé d’un système d’entraînement électrique ;
La figure 3 représente une vue schématique en perspective du système d’entraînement électrique de la figure 2 ;
La figure 4 représente une vue schématique en perspective d’un exemple de moteur électrique du système d’entraînement de la figure 3 ;
La figure 5 représente une vue schématique en coupe d’un exemple de moteur électrique avec un dispositif de précharge selon l’invention ;
La figure 6 représente une vue schématique en coupe d’un agrandissement du moteur électrique de la figure 5 avec le dispositif de précharge ;
La figure 7 représente une vue schématique en perspective d’un exemple de dispositif de précharge selon l’invention ;
La figure 8 représente une vue schématique de face du dispositif de précharge de la figure 7 ; et
La figure 9 représente une vue schématique de profil du barillet du dispositif de précharge des figures 7 et 8.
Un exemple de réalisation d’un moteur électrique pour train d’atterrissage équipé du dispositif de précharge selon l’invention est décrit en détail ci-après, en référence aux dessins annexés. Cet exemple illustre les caractéristiques et avantages de l'invention. Il est toutefois rappelé que l'invention ne se limite pas à cet exemple.
Sur les figures, les éléments identiques sont repérés par des références identiques. Pour des questions de lisibilité des figures, les échelles de taille entre éléments représentés ne sont pas respectées.
Un exemple d’un train d’atterrissage équipé d’un système d’entraînement à moteur électrique est représenté sur les figures 2 et 3. Le système d’entraînement à moteur électrique est monté sur au moins un train d’atterrissage de l’aéronef. Un tel système est de préférence monté sur deux trains d’atterrissage, et notamment sur chacun des deux trains d’atterrissage principaux de l’aéronef, référencés T2 et T3 sur la figure 1.
Un exemple d’un système d’entraînement à moteur électrique est représenté sur la figure 2, monté entre les deux roues R1, R2 du train d’atterrissage, par exemple du train T2. Le système d’entraînement à moteur électrique, référencé 10 sur les figures 2 et 3, peut être monté par exemple entre les deux roues R1 et R2 du train d’atterrissage T2, sur l’axe portant lesdites roues. Le système d'entraînement 10 peut être monté de sorte à entraîner les deux roues R1, R2 du train d’atterrissage, comme montré sur les figures 2 et 3. Il peut bien entendu être monté de sorte à entraîner uniquement la première roue du train d’atterrissage, la deuxième roue pouvant être entraînée par la première roue ou par un deuxième système d’entraînement.
Le système d’entraînement 10 comporte un moteur électrique 12 configuré pour faire tourner un dispositif d’entraînement à pignons 14 via un réducteur 16, ou système de réduction. Dans l’exemple des figures 2 et 3, le dispositif d'entraînement à pignon 14 est de type roue et comprend plusieurs pignons coaxiaux, chacun avec des dents s'étendant radialement pour engrener une roue menée 1. Le réducteur 16 peut être un réducteur épicycloïdal qui assure une transmission entre le moteur électrique 12 et le dispositif d’entraînement 14.
Le moteur électrique 12 est représenté dans son ensemble sur la figure 4 et selon une vue en coupe sur la figure 5. Il comporte notamment, à l’intérieur d’un carter 126, un rotor 121 monté autour d’un arbre de rotation 120 et un stator 122 monté autour du rotor 121.De part et d’autre du rotor 121 sont montés axialement un premier et un second roulements à billes 124, 125 qui portent l’arbre de rotation 120. Un des roulements à billes est monté à l’entrée du rotor, par exemple le premier roulement 124, et le second roulement à billes, par exemple le roulement 125, est monté en sortie de rotor. On appelle « sortie » du rotor, la partie du moteur électrique située du côté par lequel sort l’arbre de rotation 120 destiné à entraîner le dispositif d’entraînement à pignons 14. On appelle « entrée » du rotor, la partie du moteur électrique opposée à la sortie.
Les roulements à billes 124, 125 comportent, comme tout roulement à billes, une bague intérieure solidaire de l’arbre de rotation 120, une bague extérieure montée autour de la bague intérieure et une pluralité de billes disposées entre les deux bagues et assurant la rotation des bagues l’une par rapport à l’autre.
Pour permettre une adaptation du moteur électrique 12 aux variations de conditions environnementales, en particulier aux variations de charges et de températures, les billes des roulements à billes sont disposées entre les bagues avec un jeu. Lorsque le moteur électrique est en fonctionnement, ce jeu doit être minimisé pour ne pas entraver le fonctionnement des roulements à billes. Selon l’invention, pour que ce jeu soit minimisé et que les billes ne soient pas ballottées entre les bagues, le moteur électrique 12 comporte un dispositif de précharge 200. Ce dispositif de précharge 200 est monté autour de l’arbre de rotation 120, en contact avec l’un des roulements à billes 124, 125. Dans les exemples des figures 5 et 6, le dispositif de précharge 200 est monté en sortie du rotor, entre le second roulement à billes 125 et le carter 126. Plus précisément, dans ces exemples, le dispositif de précharge 200 est monté autour de l’arbre 120, entre le second roulement à billes 125 et un flasque 127 du moteur électrique de sorte à appliquer un effort de poussée sur le second roulement à billes. Dans un autre exemple, le dispositif de précharge 200 est monté en entrée du rotor, en appui contre le premier roulement à billes 124.
Qu’il soit en entrée ou en sortie du rotor 121, le dispositif de précharge 200, logé entre le flasque du carter et le roulement à billes, produit un effort de poussée qui est appliqué à la bague interne du roulement à billes qui, sous l’effet de cet effort, est poussée contre la bague externe du roulement à billes. Le dispositif de précharge 200 rend ainsi solidaires les billes et les bagues du roulement à billes.
Selon l’invention, le dispositif de précharge 200 comporte un barillet 210 et une pluralité de ressorts 220 logés à l’intérieur du barillet 210. Comme représenté sur la figure 9, le barillet 210 est un cylindre creux, en forme sensiblement de couronne. Il peut être fabriqué dans tout matériau classiquement utilisé en aéronautique ou dans le domaine des moteurs électriques et, en particulier, en inox. Le barillet 210 comporte une pluralité d’orifices traversants 230. Chacun de ces orifices 230 est adapté pour recevoir un ressort 220. Chaque ressort 220 est logé dans un orifice 230 de sorte à être en butée contre une paroi 212 du barillet. Chaque ressort 230 comporte deux extrémités : une première extrémité en butée contre la paroi 212 du barillet 210 et une seconde extrémité en saillie dudit barillet. Ainsi logé dans le barillet, chaque ressort 220 est apte à être comprimé entre la paroi 212 du barillet et le carter du moteur électrique, avec une compression variable en fonction de l’état de dilatation et/ou de rétractation des matériaux du moteur électrique.
Les ressorts 220 sont positionnés suivant une direction axiale, parallèle à l’axe de l’arbre de rotation 120 du moteur électrique. Du fait de la présence des ressorts 220, le dispositif de précharge 200 assure une précharge dite « souple » qui permet de minimiser le jeu à l’intérieur des roulements à billes sans écraser les bagues desdits roulements à billes. La précharge assure ainsi une adaptation aux conditions environnementales du moteur électrique. En effet, la partie tournante du moteur, notamment le rotor, est en métal, par exemple en acier, en inox ou autre, et la partie fixe, notamment le stator, est en alliage d’aluminium. Le métal et l’alliage d’aluminium n’ayant pas le même coefficient de dilation, le dispositif de précharge souple adapte le déplacement relatif entre partie tournante et partie fixe et assure un fonctionnement optimal du moteur électrique quelle que soit la température environnante du moteur.
Comme représenté sur les figures 7 et 8, les ressorts 220 peuvent être positionnés les uns à côté des autres ; ils peuvent également être positionnés à distance les uns des autres, suivant une répartition régulière ou non. Dans les exemples des figures 7 et 8, les ressorts 220 sont répartis régulièrement dans l’épaisseur du barillet 210, à faible distance les uns des autres.
Comme représenté sur la zone agrandie de la figure 6, chaque ressort 220 est logé dans un orifice 230 du barillet 210 de sorte à être, à une première extrémité, en butée contre une paroi 212 du barillet 210 et, à une seconde extrémité, en saillie du barillet 210. Dans l’exemple de la figure 6, les ressorts sont en butée sur la face du barillet voisine du roulement à billes 125 et en saillie sur la face opposée, voisine du flasque 127. Ainsi, lorsque le dispositif de précharge 200 est monté dans le moteur 12, les ressorts 220 sont comprimés entre la paroi 212 du barillet 210 et la flasque 127 du moteur électrique.
En fonction des applications, les ressorts 220 du dispositif de précharge peuvent être identiques les uns aux autres ou, au contraire, dissemblables les uns des autres. Ils peuvent comporter une longueur identique, une largeur identique, une épaisseur identique et/ou une raideur identique ou, au contraire, des longueurs, des largeurs, des épaisseurs et/ou des raideurs différentes, variables d’un ressort à un autre. Lorsqu’ils comportent des dimensions et/ou raideurs différentes, les ressorts 220 présentent des forces de poussée différentes. Lorsqu’ils comportent des dimensions et raideurs identiques, les ressorts 220 présentent des forces de poussée identiques. Qu’ils soient identiques ou différents, les ressorts 220 sont tous positionnés de façon à être parallèles les uns aux autres et à produire des forces de poussée parallèles les unes aux autres.
Dans les modes de réalisation des figures 7 et 8, les ressorts 220 présentent tous des dimensions identiques ainsi qu’une raideur identique. Ils génèrent donc tous une force de poussée F identique. Comme la force de poussée globale du dispositif de précharge 200 est égale à la somme des forces de poussée générées par les différents ressorts, un dispositif de précharge avec N ressorts identiques génère une force égale à N fois la force F, soit N ˣ F. La force globale appliquée par le dispositif de précharge 200 sur le roulement à billes est donc une force plus importante que la force appliquée par un seul ressort. Cette force globale offre toutefois une certaine souplesse permettant une adaptabilité aux variations des conditions environnementales du moteur électrique.
L’homme du métier comprendra que le nombre de ressorts 220 insérés dans le barillet 210 peut varier en fonction des applications, du moteur électrique, des dimensions du barillet, de la force générée par chaque ressort, etc. Le nombre de ressorts 220 doit être au minimum de trois pour assurer une force globale de poussée stable. Le nombre maximum dépend essentiellement des dimensions du barillet 210 et de la force générée par chaque ressort. Dans la plupart des applications, le nombre de ressorts par barillet est compris entre 12 et 20.
Dans les exemples des figures 7 et 8, le nombre de ressorts 220 dans le barillet 210 est de 17. Le barillet 210, dans ces exemples, présente les dimensions suivantes :
  • 80mm de diamètre extérieur,
  • 53mm de diamètre intérieur,
  • épaisseur de 7 à 8mm,
  • dix-sept orifices équidistants de 10mm de diamètre chacun.
Un dispositif de précharge correspondant aux exemples des figures 7 et 8 permet d’appliquer une force de poussée de l’ordre de 90Kg sur le roulement à billes 125. Une telle force de poussée permet une adaptation du roulement à billes de moteur dans des conditions environnementales sévères avec des températures pouvant varier de -55°C à +200°C et des accélérations allant jusqu’à 12,5G.
Bien que décrit à travers un certain nombre d'exemples, variantes et modes de réalisation, le dispositif de précharge selon l’invention comprend divers variantes, modifications et perfectionnements qui apparaîtront de façon évidente à l'homme du métier, étant entendu que ces variantes, modifications et perfectionnements font partie de la portée de l'invention.

Claims (10)

  1. Dispositif de précharge (200) pour roulement à billes de moteur électrique (12), le dispositif de précharge et le roulement à billes (124, 125) étant montés de façon coaxiale l’un contre l’autre, caractérisé en ce qu’il comporte :
    • un barillet (210) en forme de couronne muni d’une pluralité d’orifices (230), et
    • une pluralité de ressorts (220) logés chacun dans un des orifices (230) du barillet (210) et adaptés pour générer chacun un effort appliqué contre le roulement à billes.
  2. Dispositif de précharge selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque ressort (220) est positionné suivant une direction axiale dans un orifice (230) du barillet, les ressorts de la pluralité de ressorts s’étendant parallèlement les uns aux autres.
  3. Dispositif de précharge selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la pluralité de ressorts (220) est répartie régulièrement dans une épaisseur du barillet (210).
  4. Dispositif de précharge selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que chaque ressort (220) comporte une première extrémité en butée contre une paroi (212) du barillet et une seconde extrémité en saillie dudit barillet.
  5. Moteur électrique (12) comportant au moins :
    • un stator (122) et un rotor (121) montés coaxialement l’un par rapport à l’autre,
    • un arbre de rotation (120) entraîné par le rotor et adapté pour engrener un dispositif d’entraînement (14), et
    • au moins un roulement à billes (124, 125) monté solidaire du rotor autour de l’arbre de rotation,
    caractérisé en ce qu’il comporte en outre au moins un dispositif de précharge (200) selon l’une quelconque des revendications 1 à 4.
  6. Moteur électrique selon la revendication 5, comportant un carter (126) de protection du stator et du rotor équipé d’au moins un flasque (127), caractérisé en ce que le dispositif de précharge (200) est logé autour de l’arbre de rotation (120), entre le roulement à bille (125) et le flasque (127) du carter.
  7. Moteur électrique selon l’une quelconque des revendications 5 et 6, caractérisé en ce que les ressorts (220) de la pluralité de ressorts comportent des dimensions identiques et génèrent des efforts identiques.
  8. Moteur électrique selon l’une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que le dispositif de précharge (200) comporte au moins trois ressorts, le nombre de ressort étant déterminé en fonction des dimensions du barillet (210) et d’une force générée par chacun des ressorts (220).
  9. Train d’atterrissage (T2, T3) pour aéronef, comportant au moins une roue (R1, R2) montée en rotation autour d’un axe de rotation, caractérisé en ce qu’il comporte en outre au moins un moteur électrique (12) selon l’une quelconque des revendications 5 à 8, adapté pour entraîner la roue en rotation.
  10. Train d’atterrissage selon la revendication 9, caractérisé en ce que le moteur électrique (12) est relié à un axe de rotation de la roue par l’intermédiaire d’un réducteur à engrenages (16).
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