FR3116317A3 - Stockage tampon d’énergie - Google Patents

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Franck Guigan
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16H—GEARING
    • F16H33/00—Gearings based on repeated accumulation and delivery of energy
    • F16H33/02—Rotary transmissions with mechanical accumulators, e.g. weights, springs, intermittently-connected flywheels
    • F16H33/04—Gearings for conveying rotary motion with variable velocity ratio, in which self-regulation is sought
    • F16H33/08—Gearings for conveying rotary motion with variable velocity ratio, in which self-regulation is sought based essentially on inertia

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Structure Of Transmissions (AREA)

Abstract

Dispositif de stockage temporaire d’énergie entre un arbre d’entrée primaire et un arbre de sortie primaire, permettant dans une première étape de stocker de l’énergie pour la restituer ensuite soit sur commande soit automatiquement dès que l’énergie stockée atteint son niveau maximal. L’innovation tient à ce que l’on utilise aussi bien pour le stockage que pour la restitution la même transmission mécanique à rapport variable en continu ou par étages dont le rapport de transmission varie en fonction du couple transmis. Figure pour l’abrégé : Fig. 1 ]

Description

Stockage tampon d’énergie
L’invention est un dispositif permettant de stocker de l’énergie et de la restituer sur demande.
On connait de nombreux types de transmissions mécaniques à variation continue ou étagée dont le rapport de transmission varie en fonction du couple résistant, comme par exemple WO2014068202A1 de Franck Guigan [FR] et Al., WO2014125177A1 de Franck Guigan [FR] et WO2019175480A1 de Franck Guigan [FR].
On connait la demande FR1400441A de Franck Guigan [FR] déposée le 19 février 2014 qui décrit une transmission mécanique dont le rapport de transmission varie en fonction du couple résistant, qui permet de faire atteindre à un volant d'inertie une vitesse de rotation très importante.
Problème technique
L’objectif de la présente invention est de pouvoir stocker beaucoup plus d’énergie dans un tampon qu’avec les mécanismes de l’art antérieur, avec un dispositif simple de conception et rustique.
L’invention sera bien comprise, et d’autres buts, avantages et caractéristiques de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui va suivre, laquelle est illustrée par les figures 1 à 12 qui représentent toutes des dispositifs selon l'invention.
et les 5 suivantes représentent un dispositif selon l’invention dans un premier mode de mise en œuvre, dans lequel les arbres primaires d’entrée et de sortie sont confondus. A la première figure, le sélecteur 30 est dans sa position dite de stockage d’énergie. L’arbre d’entrée primaire 1 entraîne directement l’arbre d’entrée intermédiaire de la transmission variable qui entraîne à son tour les trois pignons d’entrée 11A, 11B et 11C, lesquels entraînent chacun un pignon de sortie faisant tourner l’arbre de sortie intermédiaire. Le pignon 122 entraîné en rotation par cet arbre entraine en rotation le pignon 212 solidaire de l’arbre de stockage 2, lequel fait tourner le volant d’inertie 20.
est une vue du même dispositif dans la même configuration que la figure précédente, mais sous une perspective opposée qui permet de voir les trois pignons de sortie 12A, 12B et 12C de la transmission variable
est une vue du même dispositif sous la même perspective que la , mais le sélecteur est ici dans une position intermédiaire entre la position de stockage d’énergie et celle de restitution d’énergie. On voit que le pignon 211 est à cheval sur le pignon 115.
est une vue du même dispositif dans la même configuration que la figure précédente, mais sous une perspective opposée qui permet de voir les trois pignons de sortie 12A, 12B et 12C de la transmission variable. On voit que le pignon 212 est à cheval sur le pignon 122. Il en résulte un blocage du dispositif.
est une vue du même dispositif sous la même perspective que la , mais le sélecteur est ici dans sa position dite de restitution d’énergie. Le volant d’inertie 20 entraîne en rotation le pignon 211 qui coopère avec le pignon 115 qui fait tourner l’arbre d’entrée intermédiaire et les trois pignons d’entrée de la transmission variable, lesquels entraînent chacun un pignon de sortie de l’arbre de sortie intermédiaire. Le pignon 121 solidaire de l’arbre de sortie intermédiaire de la transmission variable entraîne le pignon 112 de l’arbre primaire.
est une vue du même dispositif dans la même configuration que la figure précédente, mais sous une perspective opposée qui permet de voir les trois pignons de sortie 12A, 12B et 12C de la transmission variable.
et les 5 suivantes représentent un dispositif selon l’invention dans un second mode de mise en œuvre, dans lequel les arbres primaires d’entrée et de sortie sont différents. A la première figure, le sélecteur 30 est dans sa position dite de stockage d’énergie. L’arbre d’entrée primaire 1 entraîne directement l’arbre d’entrée intermédiaire de la transmission variable qui entraîne à son tour les trois pignons d’entrée 11A, 11B et 11C, lesquels entraînent chacun un pignon de sortie de l’arbre de sortie intermédiaire. Le pignon 122 entraîné en rotation par cet arbre entraine en rotation le pignon 212 solidaire de l’arbre de stockage 2, lequel fait tourner le volant d’inertie 20.
est une vue du même dispositif dans la même configuration que la figure précédente, mais sous une perspective opposée qui permet de voir les trois pignons de sortie 12A, 12B et 12C de la transmission variable
est une vue du même dispositif sous la même perspective que la , mais le sélecteur est ici dans une position intermédiaire entre la position de stockage d’énergie et celle de restitution d’énergie. On voit que le pignon 212 est à cheval sur le pignon 122.
est une vue du même dispositif dans la même configuration que la figure précédente, mais sous une perspective opposée qui permet de voir les trois pignons de sortie 12A, 12B et 12C de la transmission variable. On voit que le pignon 212 est à cheval sur le pignon 122. Il en résulte un blocage du dispositif.
est une vue du même dispositif sous la même perspective que la , mais le sélecteur est ici dans sa position dite de restitution d’énergie. Le volant d’inertie 20 entraîne en rotation le pignon 211 qui coopère avec le pignon 115 qui fait tourner l’arbre d’entrée intermédiaire et les trois pignons d’entrée de la transmission variable, lesquels entraînent chacun un pignon de sortie de l’arbre de sortie intermédiaire. Le pignon 121 solidaire de l’arbre de sortie intermédiaire de la transmission variable entraîne le pignon 122 de l’arbre de sortie primaire 3.
est une vue du même dispositif dans la même configuration que la figure précédente, mais sous une perspective opposée qui permet de voir les trois pignons de sortie 12A, 12B et 12C de la transmission variable.
La présente invention est un dispositif de stockage tampon d’énergie comportant un arbre d’entrée primaire 1, un arbre dit de stockage 2 lié en rotation avec un moyen de stockage d’énergie 20, un arbre de sortie primaire 3 et une transmission mécanique à rapport variable 10 dont le rapport de transmission varie en fonction du couple résistant comportant elle-même un arbre d’entrée intermédiaire 11 et un arbre de sortie intermédiaire 12, caractérisé en ce qu’il comporte un élément dit sélecteur 30 pouvant prendre deux positions dites d’embrayage,
- une position dite de stockage d’énergie dans laquelle ledit arbre d’entrée primaire entraîne en rotation ledit arbre d’entrée intermédiaire et dans laquelle ledit arbre de sortie intermédiaire entraine en rotation ledit arbre de stockage,
- et une position dite de restitution d’énergie dans laquelle ledit arbre de stockage entraîne en rotation ledit arbre d’entrée intermédiaire et dans laquelle ledit arbre de sortie intermédiaire entraine en rotation ledit arbre de sortie primaire.
Description détaillée de l’invention
Le principe consiste dans une première étape à stocker de l’énergie dans un stockage tampon, et dans une seconde étape à récupérer cette énergie, en bénéficiant pour chacune des deux étapes des avantages d’une transmission mécanique à rapport variable dont le rapport de transmission varie en fonction du couple résistant, et surtout en utilisant dans les deux étapes la même et unique transmission mécanique à rapport variable.
Le moyen de stockage d’énergie peut être par exemple un volant d’inertie ou un rappel élastique comme un ressort, mais l’invention est surtout efficace lorsque le couple demandé pour stocker de l’énergie augmente lorsque l’énergie stockée est plus importante, et/ou lorsque le couple de restitution de l’énergie diminue lorsque l’énergie stockée diminue.
Lors de l’étape de restitution d’énergie, l’arbre de sortie primaire peut tourner dans la même direction de rotation que lors de l’étape de stockage d’énergie, mais il peut aussi tourner dans la direction inverse, selon le choix du concepteur du dispositif. Ceci peut tenir par exemple au type de moyen de stockage d’énergie choisi, un arbre lié à un ressort restituant son énergie en tournant dans le sens inverse que celui du stockage tandis qu’un arbre lié à un volant d’inertie restitue son énergie en tournant dans le même sens que celui du stockage, ou à l’objectif poursuivi, un jouet voiture miniature pouvant stocker de l’énergie en roulant dans le sens dans lequel elle devra rouler ensuite par la restitution de l’énergie, ou dans le sens opposé.
L’arbre de sortie primaire et l’arbre d’entrée primaire peuvent être confondus. Si l’on souhaite stocker de l’énergie en faisant rouler un avion au sol par exemple et restituer cette énergie en faisant tourner son hélice pour le faire voler, ils sont séparés comme représenté aux figures 7 à 12, mais si l’on utilise la rotation des roues d’un véhicule pour provoquer ensuite sa propulsion, ils sont avantageusement confondus comme représenté aux figures 1 à 6, en ce sens que l’arbre d’entrée primaire et l’arbre de sortie primaire sont tous les deux l’arbre de rotation de ses roues.
Le sélecteur peut déplacer les moyens de transmission entre les arbres, comme par exemple un ensemble de fourchettes de boites de vitesses pouvant
- pendant l’étape de stockage d’énergie, faire coopérer un engrenage lié en rotation avec l’arbre d’entrée primaire avec un engrenage lié en rotation avec l’arbre d’entrée intermédiaire, et déconnecter un engrenage lié en rotation avec l’arbre de stockage de l’arbre de sortie primaire,
- et pendant l’étape de restitution d’énergie, faire coopérer l’engrenage lié en rotation avec l’arbre de stockage avec l’arbre de sortie primaire, et déconnecter un engrenage lié en rotation avec l’arbre d’entrée primaire de l’engrenage lié en rotation avec l’arbre d’entrée intermédiaire.
La solution préférée est cependant que le sélecteur déplace la transmission mécanique à rapport variable, et que les arbres d’entrée, de stockage et de sortie restent fixes ainsi que le moyen de stockage d’énergie. C’est cette solution qui est représentée aux figures.
Le sélecteur peut changer automatiquement de position lorsque le moyen de stockage a stocké une valeur déterminée d’énergie, pour passer de la position de stockage d’énergie à la position de restitution d’énergie dès que cette valeur est atteinte. Dans le cas où le moyen de stockage d’énergie est un ressort, la résistance opposée par ce ressort au couple exercé par l’arbre d’entrée primaire devient plus forte et cela entraîne le déplacement du sélecteur. Dans le cas où le moyen de stockage d’énergie est un volant d’inertie, un régulateur à boules de Watt peut être utilisé pour provoquer le déplacement du sélecteur à partir d’une certaine vitesse de rotation du volant d’inertie.
Ce changement automatique peut se produire en sens inverse lorsque le moyen de stockage ne stocke plus qu’une faible quantité d’énergie, qui peut être déterminée par le concepteur du dispositif selon l’invention.
Le sélecteur peut aussi changer de position sur commande d’un moyen mécanique commandé par ordinateur.
Le rapport de transmission entre l’arbre d’entrée primaire et l’arbre d’entrée intermédiaire d’une part, et entre l’arbre de sortie intermédiaire et l’arbre de sortie primaire d’autre part ne sont pas obligatoirement fixes. Ils peuvent prendre des valeurs différentes selon le choix de l’utilisateur du dispositif selon l’invention, ou en fonction de paramètres de fonctionnement. Tous les moyens connus pour faire varier un rapport de transmission manuellement ou automatiquement selon la vitesse de rotation, le couple résistant ou tout autre facteur peuvent être utilisés pour cela.
Les positions intermédiaires du sélecteur entre ses deux positions d’embrayage peuvent aussi bien provoquer l’arrêt de la rotation des arbres primaires d’entrée et/ou de sortie, que les relier mécaniquement selon un rapport de transmission fixe, ou encore supprimer toute relation mécanique entre ces deux arbres. Différentes positions du sélecteur peuvent avoir pour effet que la transmission entre l’arbre d’entrée primaire et l’arbre de sortie primaire se fasse en prise directe, ou se fasse par l’intermédiaire de la transmission mécanique à rapport variable, dont l’arbre d’entrée intermédiaire est alors relié à l’arbre d’entrée primaire et l’arbre de sortie intermédiaire est relié à l’arbre de sortie primaire.
Une version particulièrement intéressante est celle dans laquelle la position du sélecteur est déterminée par le couple auquel est soumis le dispositif ou par la vitesse de rotation de l’un quelconque de ses arbres.
On peut installer à tout emplacement du dispositif une roue libre pour permettre à l’arbre primaire de sortie de tourner plus vite que la vitesse qui lui est transmise par l’arbre d’entrée primaire à travers le dispositif.
On peut aussi munir le dispositif d’éléments élastiques pour supporter des variations du couple transmis par l’arbre d’entrée primaire, et de celui opposé par l’arbre de sortie primaire, ou lorsque la transmission mécanique à rapport variable crée des acyclismes.
Les arbres intermédiaires peuvent être liés en rotation selon un rapport de transmission fixe lorsque le sélecteur n’est dans aucune de ses deux positions d’embrayage, pour éviter que le dispositif soit débrayé dans ce cas.
Il est avantageux qu’aucun des rapports de transmission de la transmission mécanique à rapport variable ne soit égal au rapport de transmission fixe liant en rotation les arbres intermédiaires, afin que la transmission soit bloquée lorsque le sélecteur n’est pas dans une de ses deux positions d’embrayage.
Dans une version perfectionnée, le sélecteur est rappelé élastiquement vers l’une de ses deux positions d’embrayage, et entraîné vers l’autre de ses deux positions d’embrayage lorsque le couple auquel est soumis le dispositif augmente. Il est rappelé élastiquement dans l’autre de ses deux positions d’embrayage lorsque le couple auquel il est soumis diminue.
L’invention est aussi une machine munie d’un dispositif de stockage tampon d’énergie selon l’une quelconque des revendications précédentes ou transmettant sa puissance par une telle transmission, ou mise en mouvement par une telle transmission.
L’invention est aussi un procédé de stockage tampon d’énergie consistant, en utilisant un dispositif de stockage tampon d’énergie tel que décrit plus haut,
- dans une première étape, ledit sélecteur étant dans ladite position de stockage d’énergie, à stocker de l’énergie dans ledit moyen de stockage d’énergie, ledit arbre d’entrée primaire entrainant en rotation ledit arbre d’entrée intermédiaire et ledit arbre de sortie intermédiaire entrainant en rotation ledit arbre de stockage,
- et dans une seconde étape, ledit sélecteur étant dans ladite position de restitution d’énergie, à restituer l’énergie stockée dans le dit moyen de stockage d’énergie, ledit arbre de stockage entrainant en rotation ledit arbre d’entrée intermédiaire et ledit arbre de sortie intermédiaire entrainant en rotation ledit arbre de sortie primaire.
Numéros de référence utilisés dans la description et/ou les figures
- châssis du dispositif : 100
- arbre d’entrée primaire : 1
- arbre dit de stockage : 2
- moyen de stockage d’énergie : 20
- arbre de sortie primaire : 3
- transmission mécanique à rapport variable : 10
- arbre d’entrée intermédiaire de la transmission mécanique à rapport variable : 11
- arbre de sortie intermédiaire de la transmission mécanique à rapport variable : 12
- petit pignon d’entrée de la transmission mécanique à rapport variable : 11A
- grand pignon de sortie de la transmission mécanique à rapport variable : 12A
- moyen pignon d’entrée de la transmission mécanique à rapport variable : 11B
- moyen pignon de sortie de la transmission mécanique à rapport variable : 12B
- grand pignon d’entrée de la transmission mécanique à rapport variable : 11C
- grand pignon de sortie de la transmission mécanique à rapport variable : 12C
- électeur : 30
- pignon de l’arbre d’entrée primaire entraînant l’arbre d’entrée intermédiaire : 111
- pignon de l’arbre d’entrée intermédiaire entraîné par l’arbre d’entrée primaire : 114
- pignon de l’arbre de stockage entraînant l’arbre d’entrée intermédiaire : 211
- pignon de l’arbre d’entrée intermédiaire entraîné par l’arbre de stockage : 115
- pignon de l’arbre de sortie intermédiaire entraînant l’arbre de stockage : 122
- pignon de l’arbre de stockage entraîné par l’arbre de sortie intermédiaire : 212
- pignon de l’arbre de sortie intermédiaire entraînant l’arbre de sortie primaire : 123
- pignon de l’arbre de sortie primaire entraîné par l’arbre de sortie intermédiaire : 312
- pignon de l’arbre de sortie intermédiaire entraînant l’arbre d’entrée primaire : 121
- pignon de l’arbre d’entrée primaire entraîné par l’arbre de sortie intermédiaire : 112
Applications
Les principales applications sont
- les jouets comme des voitures à ressort ou à volant d’inertie, des avions ou des bateaux pour lesquels on stocke l’énergie avec une manivelle ou en les faisant rouler au sol pour ensuite les faire voler ou voguer avec l’énergie récupérée,
- des winches pour lesquels on peut stocker beaucoup d’énergie pour la libérer lorsqu’on en a besoin,
- des dispositifs devant libérer brutalement de l’énergie, comme un marteau ou une arme, cette énergie étant stockée pendant un temps long avec une source d’énergie de faible intensité.
- des systèmes de récupération d’énergie cinétique (connus sous le nom de KERS),
et des dispositifs de régulation d’énergie qui sont particulièrement adaptés lorsque l’énergie reçue par l‘arbre d’entrée primaire est irrégulière ou lorsque le couple résistant à la rotation de l’arbre de sortie est irrégulier.

Claims (10)

  1. Dispositif de stockage tampon d’énergie comportant un arbre d’entrée primaire (1), un arbre dit de stockage (2) lié en rotation avec un moyen de stockage d’énergie (20), un arbre de sortie primaire (3) et une transmission mécanique à rapport variable (10) dont le rapport de transmission varie en fonction du couple résistant comportant elle-même un arbre d’entrée intermédiaire (11) et un arbre de sortie intermédiaire (12), caractérisé en ce qu’il comporte un élément dit sélecteur (30) pouvant prendre deux positions dites d’embrayage,
    - une position dite de stockage d’énergie dans laquelle ledit arbre d’entrée primaire entraine en rotation ledit arbre d’entrée intermédiaire et dans laquelle ledit arbre de sortie intermédiaire entraine en rotation ledit arbre de stockage,
    - et une position dite de restitution d’énergie dans laquelle ledit arbre de stockage entraine en rotation ledit arbre d’entrée intermédiaire et dans laquelle ledit arbre de sortie intermédiaire entraine en rotation ledit arbre de sortie primaire.
  2. Dispositif de stockage tampon d’énergie selon la revendication 1 caractérisé en ce que ledit moyen de stockage d’énergie est un volant d’inertie.
  3. Dispositif de stockage tampon d’énergie selon la revendication 1 caractérisé en ce que ledit moyen de stockage d’énergie est un rappel élastique.
  4. Dispositif de stockage tampon d’énergie selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que lesdits arbres intermédiaires sont liés en rotation selon un rapport de transmission fixe lorsque ledit sélecteur n’est dans aucune de ses deux positions dites d’embrayage, et qu’aucun des rapports de transmission de ladite transmission mécanique à rapport variable n’est égal au rapport de transmission fixe liant en rotation lesdits arbre intermédiaires.
  5. Dispositif de stockage tampon d’énergie selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que ledit sélecteur est rappelé élastiquement vers l’une de ses deux positions dites d’embrayage.
  6. Dispositif de stockage tampon d’énergie selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que ledit sélecteur change automatiquement de position lorsque le moyen de stockage a stocké une valeur déterminée d’énergie, pour passer de la position de stockage d’énergie à la position de restitution d’énergie dès que cette valeur est atteinte.
  7. Dispositif de stockage tampon d’énergie selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que ledit sélecteur change de position sur commande d’un moyen mécanique commandé par ordinateur.
  8. Dispositif de stockage tampon d’énergie selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que différentes positions du sélecteur ont pour effet que la transmission entre l’arbre d’entrée primaire et l’arbre de sortie primaire se fait soit en prise directe, soit par l’intermédiaire de la transmission mécanique à rapport variable.
  9. Machine munie d’un dispositif de stockage tampon d’énergie selon l’une quelconque des revendications précédentes ou transmettant sa puissance par une telle transmission, ou mise en mouvement par une telle transmission.
  10. Procédé de stockage tampon d’énergie consistant, en utilisant un dispositif de stockage tampon d’énergie selon l’une quelconque des revendications 1 à 8,
    - dans une première étape, ledit sélecteur étant dans ladite position de stockage d’énergie, à stocker de l’énergie dans ledit moyen de stockage d’énergie, ledit arbre d’entrée primaire entrainant en rotation ledit arbre d’entrée intermédiaire et ledit arbre de sortie intermédiaire entrainant en rotation ledit arbre de stockage,
    - dans une seconde étape, ledit sélecteur étant dans ladite position de restitution d’énergie, à restituer l’énergie stockée dans le dit moyen de stockage d’énergie, ledit arbre de stockage entrainant en rotation ledit arbre d’entrée intermédiaire et ledit arbre de sortie intermédiaire entrainant en rotation ledit arbre de sortie primaire.
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