WO1998046913A1 - Mecanisme de transmission rotatif par friction a rapport variable - Google Patents

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WO1998046913A1
WO1998046913A1 PCT/FR1997/000662 FR9700662W WO9846913A1 WO 1998046913 A1 WO1998046913 A1 WO 1998046913A1 FR 9700662 W FR9700662 W FR 9700662W WO 9846913 A1 WO9846913 A1 WO 9846913A1
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sphere
axis
toroidal
balls
cradle
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PCT/FR1997/000662
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Landri Fel
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Landri Fel
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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
    • F16H15/00—Gearings for conveying rotary motion with variable gear ratio, or for reversing rotary motion, by friction between rotary members
    • F16H15/02—Gearings for conveying rotary motion with variable gear ratio, or for reversing rotary motion, by friction between rotary members without members having orbital motion
    • F16H15/04—Gearings providing a continuous range of gear ratios
    • F16H15/06—Gearings providing a continuous range of gear ratios in which a member A of uniform effective diameter mounted on a shaft may co-operate with different parts of a member B
    • F16H15/26—Gearings providing a continuous range of gear ratios in which a member A of uniform effective diameter mounted on a shaft may co-operate with different parts of a member B in which the member B has a spherical friction surface centered on its axis of revolution
    • F16H15/28—Gearings providing a continuous range of gear ratios in which a member A of uniform effective diameter mounted on a shaft may co-operate with different parts of a member B in which the member B has a spherical friction surface centered on its axis of revolution with external friction surface

Definitions

  • the present invention relates to a rotary friction variable transmission using revolution parts with concave toroidal surface. It relates more particularly to a new design of the elements transmitting the rotational movement between the toroidal discs.
  • This new design makes it possible to control, with very little effort, the variation in the reduction ratio continuously in a very wide range of values. It also provides the neutral, clutch and reverse direction of rotation functions.
  • the invention can find application in any machine or vehicle requiring the transmission of a rotary movement with a reduction ratio which may be fixed or variable or capable of canceling or capable of reversing.
  • Conventional toroidal disc mechanisms basically consist of two concave parts with a concave concave toroidal surface which will be called toroidal discs.
  • the input toroidal disk and the output toroidal disk are arranged so as to form a toric cavity while being independently free to rotate about their common axis of revolution.
  • the power transmission from the input disc to the output disc is ensured by one or more rollers spaced circumferentially, in friction bearing contact with the toroidal surfaces of the discs. Each roller is free to rotate around an axis mounted in a mobile support.
  • each roller can tilt in a plane by rotating its support around an axis perpendicular to the axis of rotation of the toroidal discs and tangent to the mediating circle of the torus (place of the center of the circle generating the torus by its revolution).
  • This identical and synchronized inclination of all the rollers modifies the position of the contact points of the rollers on each of the toroidal surfaces and thus causes a variation in the reduction ratio of the mechanism.
  • This indirect impulse control requires the development of a complex device for controlling and synchronizing the mobile roller supports. It does not allow the gear ratio of the mechanism to be varied instantaneously. It is completely inoperative when stopped, when the speed of rotation of the input disc is zero.
  • the reduction ratio of conventional mechanisms is limited by design to vary within a narrow range of values. Commonly it can evolve continuously and reversibly from a reduction ratio of 1/3 through a direct setting mode 1/1, to a reduction ratio of 3/1.
  • the present invention aims to overcome the drawbacks of the aforementioned conventional mechanisms.
  • a first objective of the invention is to almost cancel the intensity of the forces required to control the reduction ratio. This allows high powers to be transmitted without the selection of the gear ratio requiring the use of an external power system or the use of a sophisticated servo system. The synchronization of the different mobile media is also greatly simplified. It then becomes possible to select any gear ratio directly, extremely quickly and precisely, including when stopped.
  • a second objective is to allow the reduction ratio to vary over a much wider range of values than that offered by conventional mechanisms.
  • a third objective is to allow the transmission to perform the functions of neutral, clutch and reversal of the direction of rotation without requiring the additional use of an external transmission mechanism.
  • the invention makes it possible to achieve all of these objectives by replacing the roller or rollers used in conventional mechanisms with a reduced number of simple mechanical parts.
  • the mechanism according to the invention comprises, according to a first characteristic, a part having an outer surface portion of spherical shape which will be called a sphere, held in a cradle, two balls held in a cage, two coaxial revolution parts with an outer surface concave O-ring which will be called toroidal discs and a housing ensuring the positioning, lubrication and protection of these elements.
  • the sphere is free to rotate around a diametrical axis carried by the cradle. This axis is tiltable in a plane containing the common axis of rotation of the two toroidal discs.
  • the balls are free to rotate around their centers.
  • a ball ensures by friction the transmission of the rotational movement from the toroidal input disc to the sphere.
  • the other ball ensuring by friction the transmission of the rotational movement of the sphere to the output toroidal disc.
  • the mechanism can also make it possible to ensure the functions of neutral, clutch and reversal of direction of rotation.
  • FIG. 1 represents a simplified three-dimensional view of a first mechanism according to the invention
  • Figure 2 shows in simplified section a second mechanism according to the invention with the geometric reference points used.
  • Figure 3 shows in simplified section the same mechanism with the dimensions and characteristic angles used.
  • FIG. 4 represents the curve of variation of the reduction ratio of a third mechanism according to the invention.
  • FIG. 5 represents in simplified section the configuration of the mechanism corresponding to point ⁇ 5 of the curve of FIG. 4.
  • FIG. 6 represents in simplified section the configuration of the mechanism corresponding to point ⁇ 6 of the curve of FIG. 4.
  • FIG. 7 represents in simplified section the configuration of the mechanism corresponding to point ⁇ 7 of the curve of FIG. 4.
  • FIG. 8 represents the variation curve of the reduction ratio of a fourth mechanism according to the invention.
  • FIG. 9 represents in simplified section the configuration of the mechanism corresponding to point ⁇ 9 of the curve of FIG. 8.
  • FIG. 10 represents in simplified section the configuration of the mechanism corresponding to point ⁇ 10 of the curve of FIG. 8.
  • FIG. 11 represents a simplified section of the configuration of the mechanism corresponding to point ⁇ l 1 of the curve of FIG. 8.
  • Figure 12 shows in section a fifth mechanism according to the invention.
  • FIG. 13 represents a view according to the broken section A-A of the mechanism represented in FIG. 12.
  • Figure 14 shows in simplified section a first possible variant of a mechanism according to the invention.
  • Figure 15 shows in simplified section a second possible variant of a mechanism according to the invention.
  • Figure 16 shows in simplified section a third possible variant of a mechanism according to the invention.
  • the mechanism consists of the following seven main elements:
  • the sphere (3) A part with a spherical outer surface portion (3) which will be called the sphere, of radius Rs and of center O.
  • the sphere (3) is free to rotate about a diametrical axis OE.
  • the sphere (3) may have, for example, the shape shown in Figures 1, 12 and 13.
  • a cradle (7) carrying the axis of rotation OE of the sphere.
  • the cradle makes it possible to tilt the axis of rotation OE of the sphere (3) in a plane P, while preserving the position in space of the center O of the sphere (3).
  • the cradle (7) can pivot around an axis perpendicular to the plane P and passing through the center O of the sphere (3).
  • the shape of the cradle must also allow a ball of diameter 0b to circulate freely over a maximum portion of the surface of the sphere (3).
  • the cradle (7) may have, for example, the shape shown in FIGS. 1, 12 and 13.
  • the cage must thus be able to pivot about an axis which is the pivot axis of the cradle (7).
  • the cage (6) can have, for example, the shape shown in FIGS. 1, 12 and 13.
  • toroidal discs Two parts of revolution (1) and (5) with a concave toric external surface that F will be called toroidal discs.
  • These toric surfaces the generatrix of which is an arc of a circle, make it possible, in the plane P, to perfectly match the surface of a theoretical sphere of radius Rs + 0b and of center O.
  • the axes of revolution of the two toroidal discs (1) and (5) are coincident and located in the plane P.
  • the two toroidal discs (1) and (5) are free to rotate independently around their axis of revolution common. They are positioned so that their circular faces of minimum radius are parallel, close to each other, but cannot touch each other.
  • the assembly formed by the two toroidal discs (1) and (5) may have, for example, the shape shown in FIGS. 1, 2, 12 and 13.
  • a casing (8) a set of parts whose primary function is to maintain in position the seven elements described above, so as to ensure permanent contact of rolling type without sliding at the level of the four interface zones represented on the Figures 2 and 3:
  • the casing constitutes the interface of the mechanism with its environment. It must provide lubrication and cooling of its internal components using a synthetic oil specially adapted to the friction transmission mechanisms. In each of the four contact zones between discs, balls and sphere, the oil should constitute a very thin film and prevent any contact of metal on dry metal type.
  • the casing must finally ensure the drive and the protection of the elements and provide the optimal solutions to problems of wear, vibration and servo control in operation. To meet all of these constraints, we can use the technological solutions already developed for conventional toroidal disc transmissions. To perform all of these functions simultaneously, the casing (8) may have, for example, the shape shown in FIGS. 12 and 13.
  • prestresses are introduced at the four interfaces.
  • the purpose of these prestresses is to establish a force normal to the contact plane at each of the four points A, B, C and D.
  • the friction phenomena ensure the establishment of a bearing type connection without sliding in each of these four contact zones. This type of connection simultaneously allows:
  • the selection of a ratio by tilting the axis of the sphere causes the balls to roll between the toroidal surfaces of the discs (1) and (5) and the surface of the sphere (3).
  • the displacements of the sphere (3), of the balls (2) and (4) and of the cage (6) are analogous, respectively, to the displacements of the inner ring, of the balls and of the cage of a ball bearing. the outer cage is fixed.
  • the report selection effort should therefore only overcome tangential friction forces whose very low intensities are, as a first approximation, proportional to the product of the rolling coefficient of the balls by the intensity of the prestressing forces.
  • the mechanism according to the invention therefore allows a reduction in magnitude (of the order of 10) of the intensity of the selection effort to be applied. It is thus not no longer necessary to control this control of variation of the gear ratio using an external power system
  • the selection of any value of the ratio ⁇ in the available range can be carried out very precisely and almost instantaneously On also avoids the significant wear of the roller and the toroidal surfaces caused by the relative sliding of these elements during any new gear selection
  • the variation of the transmission ratio can be carried out whatever the rotational speed of the input toroidal disc, including at standstill
  • the transmission ratio can also be made invariable by preventing any modification of the angular position of the axis OE of the sphere (3) or the cage (6)
  • Angle XOB angle formed by the axis OX and the segment joining the center O of the sphere (3) and the contact point B.
  • ⁇ -> Angle XOE angle formed by the OX axis and the OE axis of rotation of the sphere (3).
  • a represents the fixed and theoretical value of the angle ⁇ h when the angle c9 s has a zero value. To simplify it is the angle that a straight line would pass through the center of the sphere (3) and the center of the ball (2) with the horizontal, if we inclined the axis of the sphere to the horizontal.
  • the angle a is a constant, determined by the relative position of the cage (6) relative to the cradle (7) during the assembly of the mechanism.
  • the center of the ball (2) is also on the horizontal axis Ox.
  • the center of the ball (4) is located on the vertical axis Oy.
  • the range of variation of the reduction ratio in a mechanism according to the invention can thus be much wider than that of a conventional toroidal disc mechanism. Depending on the application, this variation range can be limited by limiting the angular movement of the cradle (7) or the angular displacement of the cage (6).
  • a conventional toroidal disc mechanism cannot cancel or reverse the direction of rotation of its output toroidal disc. To ensure the neutral and reverse functions, it must be integrated into a complex transmission.
  • This includes a first transmission line whose rotation speed can be varied using a conventional toroidal disc mechanism and a second parallel line with fixed rotation speed. These two lines are integrated in a planetary gear train. The speed of rotation of the output shaft of the train is a result of the difference between the speeds of rotation of the two parallel transmission lines. By varying the speed of the first transmission line one can decrease the speed of rotation of the 'output shaft until canceled, then reverse its direction of rotation and make it grow again.
  • the ball (4) is thus animated by a pure pivoting movement on itself around a geometric axis whose direction is perpendicular to the contact surface of the output toroidal disc (5).
  • the ball (4) can no longer rotate the output toroidal disk (5) which remains stationary whatever the rotation speed of the input toroidal disk (1).
  • one of the two centers of rotation of the contact zones B for the ball (2) or C for the ball (4) is located on the geometric axis of rotation OE of the sphere. (3).
  • the absolute value of the ratio ⁇ is gradually increased.
  • This operating mode corresponds to that of a clutch mechanism.
  • the neutral, clutch and reverse direction modes take all three places, in combination, in the vicinity of the neutral position. This simultaneity makes it possible to use them, avoiding any shock or sudden damage to the mechanism.
  • Equation [2] defines the mathematical relation existing between the reduction ratio ⁇ of the mechanism and the position of the cradle (7).
  • a given ⁇ ratio corresponds to a precise angular value of the cradle (7) and a precise angular value of the assembly formed by the cage (6) and the two balls (2) and (4).
  • the mechanism therefore makes it possible to measure the ratio between the rotational speeds of the two toroidal discs (1) and (5) by measuring angular positions, or, more generally, the relative position of these elements. It suffices for this to equip the mechanism with a device allowing the measurement of the position of the cradle or the cage with respect to a reference.
  • the mechanism according to the invention can be used in any application where the transmission of a rotational movement requires at least one of the characteristics mentioned below.
  • toroidal discs can be adapted to the application as illustrated in Figure 14.
  • the number of toroidal discs can be more than two. This allows the transmission of one or two input rotational movements to one or more output toroidal discs as shown in Figure 15.
  • the mechanism may include several identical sphere / cradle / cage / balls equipments, distributed around this axis so as to allow their synchronized operation.
  • a synchronization device must give the cage and the cradle of each crew the same angular position relative to the common axis of rotation of the two toroidal discs. This is done permanently and with great accuracy. For a small increase in size, it is thus possible to increase the transmissible power by multiplying the number of contact zones.
  • FIGS. 12, 13 and 16 A judicious spatial distribution of these identical crews also makes it possible to balance the prestressing forces introduced into the mechanism.
  • the ratio between the dimensions of the toroidal discs and the size of the rollers is directly determined by the range of variation of the reduction ratio that it is desired to obtain. These dimensional constraints usually force the number of rollers per pair of discs to be limited to a maximum of four.
  • a mechanism according to the invention allows, for a range of variation of the given gear ratio, to choose the geometric characteristics of the elements (Rd, Rs, 0b,, ⁇ , ⁇ ) among all the different combinations respecting the equation [2] . If one chooses to maximize Rd, the minimum common radius of the toroidal discs, one can thus have circumferentially a large number of cradle / cage / ball sphere assemblies. Such a construction, illustrated in FIG. 16, is particularly well suited to applications where the mechanism works at low rotational speed and must transmit a high torque.
  • the mechanism can be equipped with a device making it possible to vary the intensity or the direction of the prestressing forces at the different contact zones by modifying the respective positions of the elements.
  • a device thus makes it possible:
  • the variation of the intensity of the prestressing forces can also be obtained by a relative displacement in translation of a toroidal disc relative to the other along their common axis of rotation.
  • FIGS. 12 and 13 An exemplary embodiment according to the invention is shown in FIGS. 12 and 13.
  • the mechanism basically consists of the elements described above.
  • a casing formed of a barrel (1 1) consisting of two semi-cylindrical shells bolted together and closed at its ends by two flanges (9) and (10) contains all of the elements.
  • An input toroidal disc (1) receives the movement.
  • the toroidal input disc (1) free to rotate, has its outside diameter supported by a simple ball bearing mounted tight in a flange (9) of the casing.
  • the input toroidal disc (1) has its internal diameter supported by an angular contact ball bearing (14) and a needle bearing (16) mounted around the concentric output shaft (26).
  • This output shaft (26) has its outside diameter supported by an angular contact ball bearing (20) mounted tightly in the other flange (10) of the casing.
  • the output shaft (26) serves as a support for the output toroidal disc (5).
  • the output toroidal disc (5) can freely rotate and slide axially around the output shaft (26) by means of the needle bearing (19).
  • the transmission of the rotational movement between the output toroidal disc (5) and the output shaft (26) takes place using a conventional device, of the cam and roller type, making it possible to vary the intensity of the forces of prestress between the elements depending on the value of the torque transmitted by the mechanism.
  • This device can for example comprise a number of cylindrical rollers (25) arranged radially, mounted in an openwork ring (24) and bearing against the opposite faces forming cams arranged on the external face of the output toroidal disc (5) and the internal face of a pressure disc (23) integral with the output shaft (26).
  • the power transmission from the input toroidal disc (1) to the output toroidal disc (5) is ensured by four identical crews spaced circumferentially in a regular manner.
  • Each crew basically consists of a part with a spherical surface portion (3) which will be called for convenience the sphere.
  • This sphere is free to rotate about an axis (13) thanks to a needle bearing (17) and an angular contact ball bearing (18).
  • the axis (13) is embedded in a cradle (7).
  • the cradle (7) can pivot around a geometric axis passing through the center of the sphere (13) and perpendicular to the plane containing the axis of rotation of the toroidal discs (1) and (5) and the axis of the sphere ( 13).
  • the cradle (7) can be a forged and machined part so as to present two ends (7a) and (7b) simultaneously ensuring several functions.
  • Each of these ends (7a) and (7b) rests on a guide (12).
  • the guides are simple cylindrical bars arranged parallel to the axis of rotation of the toroidal discs (1) and (5), the two ends of which are embedded in the flanges (9) and (10) respectively. Support and precise positioning of the cradle (7) is thus ensured by simple contact of the shoulder part of the ends (7a) and (7b) of the cradle against the guides (12) and allows both the cradle (7) to pivot. described above and its sliding along the guides (12) in a direction parallel to the axis of rotation of the toroidal discs (1) and (5).
  • the outer faces of the ends (7a) and (7b) are machined like bevel gears and provide the function of synchronizing the positions of the four crews.
  • the four cradles (7) are thus mechanically linked and pivot, all together.
  • Each crew also comprises two identical balls (2) and (4) held by a cage (6).
  • the interface between each ball (2) and (4) and the cage (6) is provided respectively by a ring (21) and (22).
  • the function of these rings (21) and (22) is to very precisely maintain the relative position of the center of the ball (2) relative to the center of the ball (4), while allowing the balls (2) and (4 ) pivot with minimal friction around their center in all directions.
  • the rings (21) and (22) may have, for example, physical and dimensional characteristics allowing the transmission fluid to establish a lubricating film between ball and ring similar to that created in a hydrodynamic plain bearing.
  • the cage (6) is constructed so as to be able to pivot around the same geometric axis as the pivot axis of the cradle (7).
  • each of the two curved ends of the cage has a bore through which one of the ends passes with a slight clearance adjustment ( 7a) and (7b) of the cradle (7).
  • the cage (6) is thus centered on the cradle (7) while being able to pivot independently of it.
  • the center of the balls (2) and (4) and the axis of rotation (13) of the sphere (3) remain contained in the same plane also containing the axis of rotation of the toroidal discs (1) and (5).
  • the balls (2) and (4) remain in permanent contact with the surface of the sphere (3) and the toric surface of their respective toroidal disc (1) and (5).
  • the angular position of the four cradles (7) can be controlled directly and simultaneously via an axle / lever assembly (27).
  • the lever placed outside the casing, is integral with an axis penetrating into the barrel (1 1) of the casing through a bore. This axis is integral and concentric at one end (7a) of one of the four cradles (7).
  • the prestressing forces are thus introduced into the mechanism which are necessary for establishing friction between the elements to allow the transmission of power. Due to the shape of these different elements, the compression stresses at the level of the two balls (2) and (4) result in two forces of action on the sphere of radial direction, concurrent at the geometric center of the sphere. Because each cradle (7) can slide along the guides (12), the resulting reaction force of the sphere (3) on the two balls (2) and (4) has a direction almost perpendicular to the common axis of rotation of the toroidal discs (1) and (5). This arrangement is optimal because it allows, whatever the transmission ratio chosen, to minimize the intensity of the prestressing forces undergone by the elements for a given torque to be transmitted. This optimizes the compactness, longevity and efficiency of the mechanism.

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Abstract

L'invention concerne un mécanisme de transmission rotatif par friction à rapport variable, sélectionnable de manière continue. Il est constitué d'une sphère (3) maintenue dans un berceau (7), de deux billes (2 et 4) maintenues dans une cage (6), de deux disques toroïdaux coaxiaux (1 et 5) et d'un bâti (8) positionnant ces éléments. La sphère (3) tourne librement sur un axe diamétral porté par le berceau (7). Une bille (2) transmet par roulement sans glissement la rotation du disque toroïdal d'entrée (1) à la sphère (3), l'autre bille (4) assurant la même fonction entre la sphère (3) et le disque toroïdal de sortie (5). L'inclinaison du berceau (7) et le déplacement induit des deux billes (2 et 4) permettent, avec un effort très faible, la variation du rapport de démultiplication ainsi que sa mesure. Le mécanisme peut aussi assurer les fonctions de point mort, d'embrayage et d'inversion de sens. Il peut trouver application dans toute transmission rotative à rapport fixe ou variable, capable de s'annuler ou de s'inverser.

Description

Mécanisme de transmission rotatif par friction à rapport variable
DESCRIPTION
La présente invention concerne une transmission rotative par friction à rapport variable utilisant des pièces de révolution à surface toroïdale concave. Elle concerne plus particulièrement une conception nouvelle des éléments transmettant le mouvement de rotation entre les disques toroïdaux.
Cette nouvelle conception permet de contrôler , avec un effort très faible , la variation du rapport de démultiplication de façon continue dans une très large gamme de valeurs. Elle permet aussi d'assurer les fonctions de point mort , d'embrayage et d'inversion de sens de rotation.
L'invention peut trouver application dans toute machine ou véhicule requérant la transmission d'un mouvement rotatif avec un rapport de démultiplication pouvant être fixe ou variable ou capable de s'annuler ou capable de s'inverser.
Les mécanismes à disques toroïdaux conventionnels comportent fondamentalement deux pièces de révolution à surface toroïdale concaves concaves que l'on appelera disques toroïdaux. Le disque toroïdal d'entrée et le disque toroïdal de sortie sont disposés de manière à former une cavité torique tout en étant libres en rotation , de manière indépendante , autour de leur axe commun de révolution . La transmission de puissance du disque d'entrée vers le disque de sortie est assuré par un ou plusieurs galets écartés circonférentiellement , en contact de roulement à friction avec les surfaces toroïdales des disques.Chaque galet est libre en rotation autour d'un axe monté dans un support mobile. L'axe de chaque galet peut s'incliner dans un plan en faisant pivoter son support autour d'un axe perpendiculaire à l'axe de rotation des disques toroïdaux et tangent au cercle médiant du tore ( lieu du centre du cercle engendrant le tore par sa révolution ). Cette inclinaison identique et synchronisée de tous les galets modifie la position des points de contact des galets sur chacune des surfaces toroïdales et ainsi provoque une variation du rapport de démultiplication du mécanisme.
Dans ces mécanismes conventionnels , la variation du rapport de démultiplication peut être obtenue suivant deux principes :
- Par commande directe . L'angle d'inclinaison de l'axe de rotation des galets est contrôlé directement au moyen de dispositifs mécaniques à action positive. Cette méthode a pour avantage de permettre une sélection directe du rapport de démultiplication. Mais le déplacement des galets sur les surfaces toroïdales des disques s'apparente à un glissement pur. Pour obtenir ce déplacement , il faut donc vaincre des forces de friction de glissement dont l'intensité élevée est proportionnelle et de même ordre de grandeur que l'intensité des forces de précontrainte introduites dans le mécanisme pour établir la friction permettant de transmettre la puissance. Il est ainsi souvent nécessaire d'introduire un complexe système externe de puissance pour assurer le contrôle et la synchronisation de l'inclinaison des axes de galets. Cela induit aussi une usure accélérée des pièces de contact du mécanisme et ne permet qu'une variation lente du rapport de démultiplication .
- Par commande indirecte. La variation de l'angle d'inclaison de l'axe de rotation des galets est obtenue , de manière induite , en imposant de faibles déplacements en translation à chacun des supports mobiles des galets dans des directions perpendiculaires à l'axe de rotation des disques toroïdaux et tangentes au cercle médiant du tore. Pour un rapport de démultiplication donné , l'axe de rotation de chaque galet prend une position d'équilibre ou il reste sécant avec l 'axe de rotation des disques toroïdaux. En écartant légèrement et pendant un temps très court , l'axe de rotation de chaque galet de sa position d'équilibre par la translation décrite précédemment , l'axe de rotation du galet s'incline de lui même.Ceci modifie la position des points de contact des galets sur chacune des surfaces toroïdales et ainsi provoque une variation du rapport de démultiplication du mécanisme. Ce contrôle indirect par impulsion requiert la mise au point d'un dispositif complexe d'asservissement et de synchronisation des supports mobiles de galet . Il ne permet pas de faire varier le rapport de démultiplication du mécanisme de manière instantanée. Il est totalement inopérant à l'arrêt , lorsque la vitesse de rotation du disque d'entrée est nulle.
Le rapport de démultiplication des mécanismes conventionnels est limité par conception à varier dans une plage de valeurs étroite. Communément il peut évoluer de manière continue et réversible d'un rapport de réduction de 1/3 en passant par un mode de prise directe 1/1 , vers un rapport de démultiplication de 3/1 .
Pour assurer les fonctions de point mort , d'embrayage et d'inversion du sens de rotation , les mécanismes conventionnels à disques toroïdaux doivent être accouplés à un train d'engrenages épicycloïdal par l'intermédiaire d'une transmission utilisant deux lignes de puissance parallèles.
La présente invention vise à pallier les inconvénients des mécanismes conventionnels précités.
Un premier objectif de l'invention est de quasiment annuler l'intensité des forces requises pour contrôler le rapport de démultiplication. Ceci permet de transmettre des puissances élevées sans que la sélection du rapport de démultiplication ne nécessite le recours à un système externe de puissance ni l'utilisation d'un système d'asservissement sophistiqué. La synchronisation des différents supports mobiles en est aussi grandement simplifiée. Il devient alors possible de sélectionner n'importe quel rapport de démultiplication d'une manière directe , de façon extrêmement rapide et précise , y compris à l'arrêt .
Un second objectif est de permettre au rapport de démultiplication de varier dans une gamme de valeurs bien plus large que celle offerte par les mécanismes conventionnels.
Un troisième objectif est de permettre à la transmission d'assurer les fonctions de point mort , d'embrayage et d'inversion du sens de rotation sans nécessiter l'utilisation additionelle d'un mécanisme de transmission externe.
L'invention permet de réaliser tous ces objectifs en remplaçant le ou les galets utilisés dans les mécanismes conventionnels par un nombre réduit de pièces mécaniques simples.
Le mécanisme selon l'invention comporte selon une première caractéristique , une pièce ayant une portion de surface extérieure de forme sphèrique que l'on appelera sphère , maintenue dans un berceau , deux billes maintenues dans une cage , deux pièces de révolution coaxiales à surface extérieure torique concave que l'on appelera disques toroïdaux et un carter assurant le positionnement , la lubrification et la protection de ces éléments.
La sphère est libre en rotation autour d'un axe diamétral porté par le berceau. Cet axe est inclinable dans un plan contenant l'axe de rotation commun des deux disques toroïdaux.
Les billes sont libres en rotation autour de leurs centres. Une bille assure par friction la transmission du mouvement de rotation du disque toroïdal d'entrée à la sphère. L'autre bille assurant par friction la transmission du mouvement de rotation de la sphère au disque toroïdal de sortie.
La géométrie du mécanisme et l'introduction de forces de précontrainte adéquates entre les éléments assurent à chacune des deux billes deux contacts permanents de type roulement sans glissement. Ceci , quels que soient les vitesses de rotation des disques toroïdaux et la variation d'inclinaison de l'axe de la sphère.
C'est la combinaison de l'inclinaison de l'axe de la sphère et du déplacement induit des deux billes qui permet de faire varier , à l'arrêt comme en fonctionnement , le rapport de démultiplication du mécanisme d'une manière continue.
Par un choix judicieux de sa géométrie , le mécanisme peut aussi permettre d'assurer les fonctions de point mort , d'embrayage et d'inversion de sens de rotation.
La figure 1 représente une vue en trois dimensions simplifiée d'un premier mécanisme selon l'invention
La figure 2 représente en coupe simplifiée un second mécanisme selon l'invention avec les points géométriques de référence utilisés.
La figure 3 représente en coupe simplifiée le même mécanisme avec les dimensions et angles caractéristiques utilisés.
La figure 4 représente la courbe de variation du rapport de démultiplication d'un troisième mécanisme selon l'invention.
La figure 5 représente en coupe simplifiée la configuration du mécanisme correspondant au point Ω5 de la courbe de la figure 4 .
La figure 6 représente en coupe simplifiée la configuration du mécanisme correspondant au point Ω6 de la courbe de la figure 4 .
La figure 7 représente en coupe simplifiée la configuration du mécanisme correspondant au point Ω7 de la courbe de la figure 4 .
La figure 8 représente la courbe de variation du rapport de démultiplication d'un quatriième mécanisme selon l'invention.
La figure 9 représente en coupe simplifiée la configuration du mécanisme correspondant au point Ω9 de la courbe de la figure 8 .
La figure 10 représente en coupe simplifiée la configuration du mécanisme correspondant au point Ω10 de la courbe de la figure 8 .
La figure 1 1 représente en coupe simplifiée la configuration du mécanisme correspondant au point Ωl 1 de la courbe de la figure 8 .
La figure 12 représente en coupe un cinquième mécanisme selon l'invention.
La figure 13 représente une vue selon la coupe brisée A-A du mécanisme représenté à la figure 12 .
La figure 14 représente en coupe simplifiée une première variante possible d'un mécanisme selon l'invention.
La figure 15 représente en coupe simplifiée une deuxième variante possible d'un mécanisme selon l'invention.
La figure 16 représente en coupe simplifiée une troisième variante possible d'un mécanisme selon l'invention. Dans la forme de réalisation représentée sur les figures 1 , 2 , 12 et 13, le mécanisme est constitué des sept éléments principaux suivants :
- Une pièce à portion de surface extérieure sphèrique (3) que l'on appellera la phère , de rayon Rs et de centre O .La sphère (3) est libre en rotation autour d'un axe diamétral OE . La sphère (3) peut avoir , par exemple , la forme représentée sur les figures 1 , 12 et 13 .
- Un berceau (7) portant l'axe de rotation OE de la sphère. Le berceau permet d'incliner l'axe de rotation OE de la sphère (3) dans un plan P , tout en conservant la position dans l'espace du centre O de la sphère (3) . Le berceau (7) peut pivoter autour d' un axe perpendiculaire au plan P et passant par le centre O de la sphère (3) . Enfin , la forme du berceau doit aussi permettre à une bille de diamètre 0b de circuler librement sur une portion maximale de la surface de la sphère (3) . Pour assurer simultanément l'ensemble de ces fonctions , le berceau (7) peut avoir , par exemple , la forme représentée sur les figures 1 , 12 et 13 .
- Deux billes identiques (2) et (4) de diamètre 0b .
- Une cage (6) de maintien des deux billes qui:
* Maintient une distance fixe entre le centre des deux billes (2) et (4) .
* Permet aux centres des deux billes (2) et (4) de se déplacer suivant un arc de cercle contenu dans le plan P .
* Assure un contact permanent entre chacune des billes (2) et (4) et la sphère (3) .
* Laisse chacune des deux billes (2) et (4) libre en rotation dans les trois axes autour de son centre.
La cage doit ainsi pouvoir pivoter autour d'un axe qui est l'axe de pivotement du berceau (7) . Pour assurer simultanément l'ensemble de ces fonctions , la cage (6) peut avoir , par exemple , la forme représentée sur les figures 1 , 12 et 13 .
- Deux pièces de révolution (1) et (5) à surface extérieure torique concave que F on appellera disques toroïdaux. Ces surfaces toriques , dont la génératrice est un arc de cercle , permettent , dans le plan P d'épouser parfaitement la surface d'une sphère théorique de rayon Rs + 0b et de centre O . Les axes de révolution des deux disques toroïdaux (1) et (5) sont confondus et situés dans le plan P. Les deux disques toroïdaux (1) et (5) sont libres en rotation , de manière indépendante , autour de leur axe de révolution commun. Ils sont positionnés de façon à ce que leurs faces circulaires de rayon minimal soient parallèles , proches l'une de l'autre , mais ne puissent se toucher. L'ensemble formé des deux disques toroïdaux (1) et (5) peut avoir , par exemple , la forme représentée sur les figures 1 , 2 , 12 et 13 .
- Un carter (8) , ensemble de pièces dont la fonction primaire est de maintenir en position les sept éléments décrits ci-dessus , de manière à assurer un contact permanent de type roulement sans glissement au niveau des quatre zones d'interface représentées sur les figures 2 et 3 :
Le disque toroïdal (1) avec la bille (2) au point A
La bille (2) avec la sphère (3) au point B
La sphère (3) avec la bille (4) au point C
La bille (4) avec le disque toroïdal (5) au point D
Le carter constitue l'interface du mécanisme avec son environnement . Il doit assurer la lubrification et le refroidissement de ses éléments internes à l'aide d'une huile synthétique spécialement adaptée aux mécanismes de transmission à friction. En chacune des quatre zones de contact entre disques , billes et sphère , l'huile devra constituer un film très fin et prévenir tout contact de type métal sur métal à sec. Le carter doit enfin assurer l'entrainement et la protection des éléments et fournir les solutions optimales aux problèmes d'usure , de vibration et d'asservissement en fonctionnement . Pour répondre à l'ensemble de ces contraintes on pourra utiliser les solutions technologiques déjà développées pour les transmissions à disques toroïdaux conventionnelles . Pour assurer simultanément l'ensemble de ces fonctions , le carter (8) peut avoir , par exemple, la forme représentée sur les figures 12 et 13 .
Par un choix judicieux des dimensions du carter on introduit des précontraintes au niveau des quatre interfaces. Ces précontraintes ont pour but l'établissement d'une force normale au plan de contact en chacun des quatre points A , B , C et D. En respectant certaines conditions relatives au rapport entre ces précontraintes et la puissance transmise , les phénomènes de friction assurent l'établissement d'une liaison de type roulement sans glissement en chacune de ces quatre zones de contact. Ce type de liaison permet simultanément :
- La transmission du mouvement de rotation du disque toroïdal (1 ) vers le disque toroïdal (5) au travers des deux billes (2) et (4) et de la sphère (3) .
- Le déplacement induit de l'ensemble formé par les deux billes (2) et (4) et la cage (6) lorsque l'on modifie l'inclinaison de l'axe OE de la sphère (3) .
- La modification induite de l'inclinaison de l'axe OE de la sphère (3) lorsque l'on déplace l'ensemble formé par les deux billes (2) et (4) et la cage (6) .
On définit λ , rapport de démultiplication du mécanisme comme étant le quotient de la vitesse de rotation ύ)s du disque toroïdal de sortie (5) par la vitesse de rotation CO , du disque toroïdal d'entrée (A
C'est l'induction réciproque et la combinaison de l'inclinaison de l'axe OE de la sphère (3) avec le déplacement des deux billes (2) et (4) , qui , modifiant la position des quatre zones de contact , permet une variation continue du rapport de démultiplication λ . Cette variation peut être indifféremment obtenue par l' une , au moins , des deux actions suivantes :
- Le déplacement de l'ensemble formé des deux billes (2) et (4) par le pivotement de la cage (6) .
- La modification de l'inclinaison de l'axe OE de la sphère (3) par le pivotement du berceau (7) .
En effet , la sélection d'un rapport par inclinaison de l'axe de la sphère entraine les billes à rouler entre les surfaces toroïdales des disques (1) et (5) et la surface de la sphère (3) . Les déplacements de la sphère (3) , des billes (2) et (4) et de la cage (6) sont analogues , respectivement , aux déplacements de la bague intérieure , des billes et de la cage d'un roulement à billes dont la cage extérieure est fixe. L'effort de sélection de rapport ne devra donc vaincre que des forces de frottement tangentielles dont les intensités très faibles sont , en première approximation , proportionnelles au produit du coefficient de roulement des billes par l'intensité des forces de précontraintes.
Par contraste , dans les mécanismes à disques toroïdaux conventionnels à contrôle direct décrits précédemment , ce même effort est proportionnel au coefficient de frottement de glissemet du galet sur les disques. La variation du rapport λ de démultiplication s'obtient en inclinant l'axe du galet dans un plan contenant l'axe de rotation commun des disques toroïdaux. Ceci modifie la position des points de contact. Ce déplacement s'apparente à un glissement pur. Pour obtenir ce déplacement , il faut donc appliquer un effort de sélection capable de vaincre des forces de friction tangentielles dont les intensités élevées sont , en première approximation , proportionnelles au produit du coefficient de frottement dynamique du galet sur les disques par l'intensité des forces de précontrainte. Pour des matériaux , des dimensions et une puissance a transmettre similaires , le mécanisme suivant l'invention permet donc une réduction en magnitude (de l'ordre de 10 ) de l'intensité de l'effort de sélection a appliquer II n'est ainsi plus nécessaire d'asservir cette commande de variation du rapport de démultiplication a l'aide d'un système externe de puissance La sélection de n'importe quelle valeur du rapport λ dans la gamme disponible peut être réalisée de manière très précise et quasi instantanée On s'affranchit aussi de l'usure importante du galet et des surfaces toroiques causée par le glissement relatif de ces éléments lors de toute nouvelle sélection de rapport
La variation du rapport de transmission peut être effectuée quelle que soit la vitesse de rotation du disque toroïdal d'entrée, y compris a l'arrêt Le rapport de transmission peut aussi être rendu invariable en empêchant toute modification de la position angulaire de l'axe OE de la sphère (3) ou de la cage (6)
De par sa géométrie , le mécanisme cumule les variations de rapport des trois sous-systemes suivants
- Le sous-systeme disque toroïdal d'entrée (1) / sphère (3) par l'intermédiaire de la bille (2)
- Le sous-systeme bille (2) / bille (4) par l'intermédiaire de la sphère (3)
- Le sous-systeme sphère (3) / disque toroïdal de sortie (5) par l'intermédiaire de la bille (4)
A partir des grandeurs géométriques caractéristiques du mécanisme , on peut établir la relation mathématique liant le rapport de démultiplication λ et l'inclinaison de l'axe OE de la sphère (3) On simplifiera la relation en supposant que les quatre zones de contact se réduisent a quatre points géométriques A , B ,C et D comme illustre sur les figures 2 et 3 Pour ces quatre points de contact , les équations cinematiques sont établies dans le repère cartésien ( 0,Ox,Oy,Oz) en supposant un roulement sans glissement
* Grandeurs constantes
Rd — » Rayon minimal commun des disques toroïdaux (1) et (5) Soit la distance entre les points F et F'
0b — » Diamètre commun des billes (2) et (4)
Rs — » Rayon de la sphère (3) φ — » Angle BOC , angle fixe forme par les segments joignant les centres de chacune des deux billes (2) et (4) avec le centre O de la sphère (3)
* Grandeurs variables
0) — » Vitesse de rotation du disque toroïdal d'entrée (1)
Cù 2 — Vitesse de rotation de la bille (2)
(û — » Vitesse de rotation de la sphère (3)
ft>4 — » Vitesse de rotation de la bille (4)
ω5 — » Vitesse de rotation du disque toroïdal de sortie (5) λ — » Rapport de démultiplication du mécanisme θh — » Angle XOB , angle formé par l'axe OX et le segment joignant le centre O de la sphère (3) et le point de contact B . θ — > Angle XOE , angle formé par l'axe OX et l'axe OE de rotation de la sphère (3) .
L'induction du déplacement de l'ensemble formé de la cage (6) et des deux billes (2) et (4) par l'inclinaison de l'axe OE de rotation de la sphère (3) est décrit par l'équation :
τ>„
^ = 2 x Rs + 0b X ^ + Q; équation [ 1 ]
a représente la valeur fixe et théorique de l'angle θh lorsque l'angle c9s a une valeur nulle. Pour simplifier c'est l'angle que formerait une droite passant par le centre de la sphère (3) et le centre de la bille (2) avec l'horizontale , si l'on inclinait l'axe de la sphère à l'horizontale. L'angle a est une constante , déterminée par la position relative de la cage (6) par rapport au berceau (7) lors de l'assemblage du mécanisme.
Cette relation entre la position angulaire de l'axe OE de la sphère (3) et la position angulaire du centre des billes (2) et (4) peut être conservée , sans recours à aucun dispositif spécifique de couplage , tant que l'on maintient un contact permanent de roulement sans glissement entre tous les éléments d'au moins un des deux sous-ensembles disque / bille / sphère.
Le rapport λ s'exprime en fonction de la position angulaire de l'axe OE de la sphère (3) par la relation : λ = LL = d(A,N) d(C,C) ω, d(B,B') χ d(D,D')
(Rd + (Rs + 0b)(l - sinl -S- x 6> + a)) χ sinf + φ - Rs + 0b Q λ \2 x Rs + 0b V 2 χ Rs+ 0b
Rs . Y . ( Rs + 0b .
(Rd + (Rs + 0b)(l - sin x θ + a + φ ) x si x θ -
V2 χ Rs + 0b % J χ Rs + 0b
Equation [ 2 ]
Le rapport λ est dépendant des rapports choisis entre les trois dimensions caractéristiques des éléments ( Rd, Rs, 0b ) et de leurs positions relatives lors de l'assemblage (angle et angle φ ). L'équation [ 2 ] permet d'établir les limites théoriques du domaine de variation du rapport de démultiplication λ . On peut par exemple établir le domaine de variation du rapport λ pour un mécanisme aux grandeurs caractéristiques suivantes : a = 0 deg ^ζ» = 90 deg Rd = 2 x 0b Rs = 3 x 0b
Ainsi , lorsque l'axe de la sphère (3) est horizontale , le centre de la bille (2) se trouve aussi sur l'axe horizontal Ox . Le centre de la bille (4) se trouve , lui , sur l'axe vertical Oy .
En faisant varier l'angle θs de 0 à 180 deg , on obtient une variation continue du rapport λ de l'infini à 0 . Cette courbe de variation est représentée sur la figure 4 . La configuration du mécanisme pour les trois points Ω5 , Ω6 et Ω7 de la courbe est représentée respectivement sur les figures 5 , 6 et 7 .
La plage de variation du rapport de démultiplication dans un mécanisme selon l'invention peut être ainsi beaucoup plus étendue que celle d'un mécanisme à disques toroïdaux conventionnel. En fonction de l'application , on peut limiter cette plage de variation en limitant le débattemement angulaire du berceau (7) ou le déplacement angulaire de la cage (6) .
Un mécanisme à disques toroïdaux conventionnel ne peut annuler ni inverser le sens de rotation de son disque toroïdal de sortie. Pour assurer les fonctions de point mort et de marche arrière il doit être intégré dans une transmission complexe. Celle ci comprend une première ligne de transmission dont la vitesse de rotation peut être variée à l'aide d'un mécanisme à disques toroïdaux conventionnel et une seconde ligne parallèle à vitesse de rotation fixe. Ces deux lignes sont intégrées dans un train d'engrenages épicycloïdal. La vitesse de rotation de l'arbre de sortie du train est une résultante de la différence entre les vitesses de rotation des deux lignes de transmissions parallèles.En faisant varier la vitesse de la premièreligne de transmission on peut faire décroître la vitesse de rotation de l'arbre de sortie jusqu'à l'annuler , puis , inverser son sens de rotation et la faire croître à nouveau .
L'invention permet d'assurer les fonctions de point mort , d'embrayage et de marche arrière de manière complètement autonome. On peut illustrer ces trois modes de fonctionnements avec un mécanisme aux caractéristiques suivantes : a = 75 deg φ = 90 deg
Rd = 2 x 0b
Rs = 3 x 0b
La courbe correspondant à la variation du rapport de démultiplication λ en fonction de l'angle d'inclinaison de la sphère θs est représentée sur la figure 8 .En faisant varier l'angle θs de 0 à - 90 deg , on obtient une variation continue du rapport λ de + 0.1 1 à - 0.91 . Le rapport λ s'annule en changeant de signe pour une valeur de θs égale à - 30 deg . C'est la position de point mort illustrée par le point Ω10 de la courbe. La configuration correspondante du mécanisme est représentée sur la figure 10. Dans cette position le centre de la bille (4) se trouve exactement aligné sur l'axe de rotation OE de la sphère (3) . La bille (4) est ainsi animée d'un mouvement de pivotement pur sur elle-même autour d'un axe géométrique dont la direction est perpendiculaire à la surface de contact du disque toroïdal de sortie (5). La bille (4) ne peut plus entrainer en rotation le disque toroïdal de sortie (5) qui reste immobile quelque soit le régime de rotation du disque toroïdal d'entrée (1) . Pour obtenir ce mode de fonctionnement il suffit que l'un des deux centre de rotation des zones de contact B pour la bille (2) ou C pour la bille (4) se trouve situé sur l'axe géométrique de rotation OE de la sphère (3) . Dés que l'on incline l'axe de rotation OE de la sphère (3) par rapport à cette position , on augmente de manière progressive la valeur absolue du rapport λ . Pour une vitesse de rotation du disque toroïdal d'entrée (1) quelconque , on assure une mise en rotation progressive du disque toroïdal de sortie (5) . Ce mode de fonctionnement correspond à celui d'un mécanisme d'embrayage.
Si l'on incline l'axe de rotation OE de la sphère (3) de manière symétrique par rapport à sa position lorsque le mécanisme assure la fonction de point mort , on obtient une inversion du sens relatif de rotation du disque toroïdal de sortie (5) par rapport au disque toroïdal d'entrée (1) . C'est le mode de fonctionnement en inversion de sens de rotation analogue à la marche arrière d'une boite de vitesse d'automobile. Les configurations du mécanisme correspondant aux points Ω9 et Ω 1 1 de la courbe sont représentées respectivement sur les figures 9 et 1 1 .
Les modes de point mort , d'embrayage et d'inversion de sens de rotation prennent tous les trois place , en se combinant , au voisinage de la position de point mort . Cette simultanéité rend possible leur utilisation en évitant tout choc ou à-coup dommageable au mécanisme.
L' équation [ 2 ] définit la relation mathématique existant entre le rapport de démultiplication λ du mécanisme et la position du berceau (7) . A un rapport λ donné correspond une valeur angulaire précise du berceau (7) et une valeur angulaire précise de l'ensemble formé de la cage (6) et des deux billes (2) et (4) . Le mécanisme permet donc de mesurer le rapport entre les vitesses de rotation des deux disques toroïdaux (1) et (5) en mesurant des positions angulaires , ou , d'une manière plus générale , la position relative de ces éléments . Il suffit pour cela d'équiper le mécanisme d'un dispositif permettant la mesure de la position du berceau ou de la cage par rapport à une référence.
Le mécanisme selon l'invention est susceptible d'être employé dans toute application ou la transmission d'un mouvement de rotation requiert l'une , au moins , des caractéristiques citées ci-aprés.
- La possibilité de conserver un rapport de démultiplication fixe entre la vitesse de rotation à l'entrée et celui à la sortie du mécanisme.
- La possibilité de sélectionner un rapport de démultiplication , parmi plusieurs , à l'arrêt.
- La possibilité de faire varier , de manière continue , le rapport de démultiplication , en fonctionnement.
- La possibilité d'inverser le sens de rotation relatif de la sortie par rapport à l'entrée , en fonctionnement.
- La possibilité d'annuler la vitesse de rotation de la sortie , en fonctionnement.
- La possibilité de mesurer la variation du rapport de transmission.
Les termes "en fonctionnement" désignent ici toute utilisation du mécanisme pour laquelle la vitesse de rotation du disque toroïdal d'entrée (1) n'est pas nulle. Ceci par opposition aux termes "à l'arrêt ".
La structure et le fonctionnement du mécanisme permettent d'envisager un grand nombre de variantes adaptées à des applications multiples. C'est en fixant les grandeurs caractéristiques du mécanisme définies précédement de manière adéquate que l'on pourra adapter très précisément le mécanisme à une application donnée. Grâce à l'équation [ 2 ] il est ainsi possible de choisir dans la famille de courbes représentant les fonctions λ = f ( Rd, Rs, 0b, a , φ , θs ) celle qui correspond le mieux à l'application .
La simplicité et le nombre réduit des pièces rendent possible la fabrication de mécanismes de tailles très différentes , dans des matériaux divers. La gamme de puissance transmissible est ainsi très étendue. Un grand nombre de variantes du mécanisme peuvent être dérivées de la configuration de base décrite jusqu'ici.
- La forme des disques toroïdaux peut être adaptée à l'application comme illustré sur la figure 14 .
- Les axes des disques toroïdaux d'entrée et de sortie peuvent être confondus , comme dans la configuration de base , mais aussi parallèles ou encore sécants comme illustré sur la figure 15 .
- Le nombre de disques toroïdaux peut être supérieur à deux. Ceci permet la transmission d'un ou de deux mouvements de rotation d'entrée vers un ou plusieurs disques toroïdaux de sortie comme illustré sur la figure 15 .
- Dans le cas d'une configuration à axes confondus , le mécanisme peut comporter plusieurs équipages sphère/berceau/cage/billes identiques , répartis autour de cet axe de manière à permettre leur fonctionnement synchronisé. Un dispositf de synchronisation devra donner à la cage et au berceau de chaque équipage la même position angulaire par rapport à l'axe de rotation commun des deux disques toroïdaux. Ceci de manière permanente et avec un grande exactitude. Pour un faible accroissement d'encombrement on peut ainsi accroître la puissance transmissible en multipliant le nombre de zones de contact. Une telle configuration est illustrée sur les figures 12 , 13 et 16 . Une répartition spatiale judicieuse de ces équipages identiques permet aussi d'équilibrer les efforts de précontrainte introduits dans le mécanisme. Dans un mécanisme conventionnel le rapport entre les dimensions des disques toroïdaux et la taille des galets est directement déterminé par la plage de variation du rapport de démultiplication que l'on désire obtenir. Ces contraintes dimensionnelles obligent habituellement à limiter le nombre de galets par couple de disques à un maximum de quatre. Un mécanisme suivant l'invention autorise , pour une plage de variation du rapport de démultiplication donnée , de choisir les caractéristiques géométriques des éléments ( Rd , Rs , 0b , , φ , θ ) parmi toutes les combinaisons différentes respectant l'équation [ 2 ] . Si l'on choisit de maximiser Rd , rayon minimal commun des disques toroïdaux , on peut ainsi disposer circonférentiellement un grand nombre d'ensembles sphère berceau/cage /billes. Une telle construction , illustrée sur la figure 16 , est particulièrement bien adaptée à des applications où le mécanisme travaille à faible régime de rotation et doit transmettre un fort couple.
- Le mécanisme peut être équipé d'un dispositif permettant de faire varier l'intensité ou la direction des efforts de précontrainte aux différentes zones de contact par modification des positions respectives des éléments. Un tel dispositif permet ainsi :
* De faire varier l'intensité ou la direction des forces de contact en fonction de la puissance à transmettre. En limitant l'intensité de ces forces de précontrainte au minimum requis pour assurer un roulement sans glissement , on peut améliorer le rendement et la longévité du mécanisme.
* De réduire l'intensité des forces de contact jusqu'à transformer progressivement les contacts de roulement sans glissement des billes en contact de glissement pur , voir même de supprimer tout contact. On assure ainsi , d'une autre manière , les fonctions d'embrayage et de point mort décrites précédemment
* D' utiliser ces déplacements relatifs entre les éléments pour compenser les changements géométriques causés par leur usure en fonctionnement.
Pour faire varier l'intensité des forces de précontrainte , il suffit de modifier , très légèrement , la distance entre le centre O de la sphère et les surfaces toriques des disques toroïdaux . Diverses solutions techniques peuvent être employées comme , par exemple et de manière non exhaustive : * La translation du centre O de la sphère le long de son axe OE . L'axe OE télescopique , ayant sa longueur asservie par un vérin hydraulique.
* Le déplacement relatif des axes d'attache de l'ensemble berceau / cage par rapport au carter a l'aide d'un dispositif à bagues excentriques.
* Le déplacement relatif de l'axe de rotation commun des disques toroïdaux par rapport au centre O de la sphère , dans le plan P .
La variation de l'intensité des forces de précontrainte peut aussi être obtenue par un déplacement relatif en translation d'un disque toroïdal par rapport à l'autre le long de leur axe commun de rotation. En utilisant un assemblage de cames et de plateaux on peut introduire dans le mécanisme des forces de précontrainte dont l'intensité est proportionnelle à la valeur du couple transmis . Cette solution illustrée sur la figure 12 est la plus souvent employée dans les transmissions à disques toroïdaux conventionnelles .
Un exemple de réalisation suivant l'invention est représenté sur les figures 12 et 13.
Le mécanisme est constitué fondamentalement des éléments décrits précédemment. Un carter , formé d'un fût (1 1) constitué de deux coquilles semi-cylindriques boulonnées ensembles et fermé à ses extrémités par deux flasques (9) et (10) contient l'ensemble des éléments . Un disque toroïdal d'entrée (1) assure la réception du mouvement. Le disque toroïdal d'entrée (1) , libre en rotation , a son diamètre extérieur supporté par un roulement à billes simple monté serré dans une flasque (9) du carter. Le disque toroïdal d'entrée (1) a son diamètre intérieur supporté par un roulement à billes à contact oblique (14) et un roulement à aiguilles (16) montés autour de l'arbre de sortie concentrique (26) . Cet arbre de sortie (26) a son diamètre extérieur supporté par un roulement à billes à contact oblique (20) monté serré dans l'autre flasque (10) du carter. L'arbre de sortie (26) sert de support au disque toroïdal de sortie (5) . Le disque toroïdal de sortie (5) peut librement tourner et coulisser axialement autour de l'arbre de sortie (26) par l'intermédiaire du roulement à aiguilles (19). La transmission du mouvement de rotation entre le disque toroïdal de sortie (5) et l'arbre de sortie (26) s'opère grâce à un dispositif classique , de type à cames et rouleaux , permettant de faire varier l'intensité des forces de précontrainte entre les éléments en fonction de la valeur du couple transmis par le mécanisme. Ce dispositif peut par exemple , comprendre un certain nombre de rouleaux cylindriques (25) disposés radialement, montés dans un anneau ajouré (24) et portant contre les faces opposées formant cames aménagées sur la face externe du disque toroïdal de sortie (5) et la face interne d'un disque de pression (23) solidaire de l'arbre de sortie (26).
La transmission de puissance du disque toroïdal d'entrée (1) vers le le disque toroïdal de sortie (5) est assurée par quatre équipages identiques espacés circonférentiellement de manière régulière.
Chaque équipage est constitué fondamentalement d'une pièce à portion de surface sphérique (3) que l'on appelera par commodité la sphère. Cette sphère est libre en rotation autour d'un axe (13) grâce à un roulement à aiguilles (17) et un roulement à billes à contact oblique (18). L'axe (13) est encastré dans un berceau (7). Le berceau (7) peut pivoter autour d'un axe géométrique passant par le centre la sphère (13) et perpendiculaire au plan contenant l'axe de rotation des disques toroïdaux (1) et (5) et l'axe de la sphère (13). Comme illustré sur la figure 13 , le berceau (7) peut être une pièce forgée et usinée de manière à présenter deux extrémités (7a) et (7b) assurant simultanément plusieurs fonctions. Chacune de ces extrémités (7a) et (7b) s'appuie sur un guide (12). Les guides sont de simples barres cylindriques disposées parallèlement à l'axe de rotation des disques toroïdaux (1) et (5) dont les deux extrémitées sont respectivement encastrées dans les flasques (9) et (10) . Le support et le positionement précis du berceau (7) est ainsi assuré par simple contact de la partie épaulée des extrémités (7a) et (7b) du berceau contre les guides (12) et permet à la fois le pivotement du berceau (7) décrit précédemment et son glissement le long des guides (12) dans une direction parallèle à l'axe de rotation des disques toroïdaux (1) et (5). Les faces externes des extrémités (7a) et (7b) sont usinés comme des pignons coniques et assurent la fonction de synchronisation des positions des quatres équipages. Les quatres berceaux (7) sont ainsi mécaniquement liés et pivotent , tous ensemble.
Chaque équipage comprend encore deux billes identiques (2) et (4) maintenues par une cage (6). L'interface entre chaque bille (2) et (4) et la cage (6) est assurée respectivement par une bague (21) et (22). La fonction de ces bagues (21) et (22) est de maintenir très exactement la position relative du centre de la bille (2) par rapport au centre de la bille (4) , tout en permettant aux billles (2) et (4) de pivoter avec un minimum de friction autour de leur centre dans toutes les directions. Les bagues (21 ) et (22) peuvent avoir , par exemple , des caractéristiques physiques et dimensionnelles permettant au fluide de transmission d'établir un film lubrifiant entre bille et bague analogue à celui crée dans un palier lisse hydrodynamique. La cage (6) est construite de manière à pouvoir pivoter autour du même axe géométrique que l'axe de pivotement du berceau (7). Elle peut , par exemple , être constituée de trois pièces assemblées et prendre la forme en coquille représentée sur les figures 12 et 13. Chacune des deux extrémitées recourbées de la cage comporte un alésage dans lequel passe avec un ajustement à faible jeu une des extrémités (7a) et (7b) du berceau (7). La cage (6) est ainsi centrée sur le berceau (7) tout en pouvant pivoter indépendamment de lui. Quels que soient les positions angulaires de la cage (6) et du berceau (7) , le centre des billes (2) et (4) et l'axe de rotation (13) de la sphère (3) restent contenus dans un même plan contenant aussi l'axe de rotation des disques toroïdaux (1) et (5). Les billes (2) et (4) restent en contact permanent avec la surface de la sphère (3) et la surface torique de leur disque toroïdal respectif (1) et (5).
La position angulaire des quatres berceaux (7) peut être commandée de manière directe et simultanée par l'intermédiaire d' un ensemble axe/levier (27). Le levier , placé à l'extérieur du carter , est solidaire d'un axe pénétrant dans le fût (1 1) du carter à travers un alésage. Cet axe est solidaire et concentrique à l'une des extrémité (7a) d'un des quatre berceaux (7). En déplaçant angulairement le levier (27) , on provoque une rotation identique de tous les équipages et on assure ainsi le contrôle du rapport de démultiplication du mécanisme.
Le fonctionnement du mécanisme est fondamentalement identique à celui des mécanismes décrits précédemment . Seul le dispositif d'introduction des forces de précontrainte sera détaillé ici.
Lorsque le mécanisme transmet un couple , des efforts de torsions produisent une rotation relative entre le disque toroïdal de sortie (5) et le disque de pression (23). L'engagement des rouleaux cylindriques (25) entre les faces formant cames du disque toroïdal de sortie (5) et du disque de pression (23) transforme l'effort de torsion en une poussée axiale tendant à rapprocher par glissement le disque toroïdal de sortie (5) du disque toroïdal d'entrée (1) fixe suivant une translation ayant pour direction leur axe de rotation commun. Ce mouvement , qui réduit le volume de la cavité dans laquelle les équipages sont situés , tend à repousser les équipages de manière centrifuge , vers la périphérie du mécanisme. Les guides (12) sur lesquels reposent les extrémités (7a) et (7b) des berceaux s'opposent à ces déplacements. On introduit ainsi les forces de précontrainte dans le mécanisme qui sont nécessaires à l'établissement de la friction entre les éléments pour permettre la transmission de puissance. De par la forme de ces différents éléments , les contraintes de compression au niveau des deux billes (2) et (4) ont pour résultantes deux forces d'action sur la sphère de direction radiales , concourantes au centre géométrique de la sphère. Du fait que chaque berceau (7) peut glisser le long des guides (12) , la force résultante de réaction de la sphère (3) sur les deux billes (2) et (4) a une direction quasiment perpendiculaire à l'axe commun de rotation des disques toroïdaux (1) et (5). Cette disposition est optimale car elle permet , quelque soit le rapport de transmission choisi , de minimiser l'intensité des forces de précontrainte subies par les éléments pour un couple à transmettre donné. On optimise ainsi la compacité , la longévité et le rendement du mécanisme.

Claims

REVENDICATIONS
1 ) Mécanisme à friction permettant la transmission d'un mouvement de rotation et la variation continue du rapport de démultiplication caractérisé en ce qu'il comporte :
- Une sphère (3) de rayon Rs et de centre O .La sphère (3) est libre en rotation autour d'un axe diamétral OE .
- Un berceau (7) portant l'axe de rotation OE de la sphère (3) . Le berceau (7) permet d'incliner l'axe de rotation OE de la sphère (3) dans un plan P , tout en conservant la position dans l'espace du centre O de la sphère (3) . Le berceau (7) peut pivoter autour d' un axe perpendiculaire au plan P et passant par le centre O de la sphère (3) . Enfin, la forme du berceau (7) doit aussi permettre à une bille de diamètre 0b de circuler librement sur une portion maximale de la surface de la sphère (3) .
- Deux billes identiques (2) et (4) de diamètre 0b .
- Une cage (6) de maintient des deux billes (2) et (4) qui conserve une distance fixe entre leurs centres
, permet à ces centres de se déplacer suivant un arc de cercle contenu dans le plan P , assure un contact permanent entre chacune des billes (2) et (4) et la sphère (3) et laisse chacune des deux billes (2) et (4) libre en rotation dans les trois axes autour de son centre. La cage (6) doit ainsi pouvoir pivoter autour d'un axe qui est l'axe de pivotement du berceau (7) .
- Deux pièces de révolution (1) et (5) identiques à surfaces toroïdales concaves. Ces surfaces , dont la génératrice est un arc de cercle , permettent , dans le plan P ,d'épouser parfaitement la surface d'une sphère théorique de rayon Rs + 0b et de centre O . Les axes de révolution des deux disques toroïdaux (1) et (5) sont confondus et situés dans le plan P. Les deux disques toroïdaux (1) et (5) sont libres en rotation , de manière indépendante , autour de leur axe de révolution commun. Ils sont positionnés de façon à ce que leurs faces circulaires de rayon minimal soient parallèles, proches l'une de l'autre, mais ne puissent se toucher.
- Un bâti (8) , ensemble de pièces dont la fonction primaire est de maintenir en position les sept éléments décrits ci-dessus ,. Le bâti (8) doit aussi assurer Fentrainement , la protection , la lubrification et le refroidissement de ces éléments .
2) Mécanisme selon la revendication 1 caractérisé en ce que , par un choix judicieux des dimensions des éléments , on introduit des forces de précontrainte assurant un contact permanent de type roulement sans glissement au niveau des quatre zones de contact qui sont les interfaces entre le disque toroïdal (1) et la bille (2) , la bille (2) et la sphère (3) , la sphère (3) et la bille (4) , la bille (4) et le disque toroïdal (5) . Ceci de manière à permettre simultanément et sans aucun glissement :
- La transmission du mouvement de rotation du disque toroïdal (1) d'entrée vers le disque toroïdal (5) de sortie au travers des deux billes (2) et (4) et de la sphère (3) .
- Le déplacement induit de l'ensemble formé par les deux billes (2) et (4) et la cage (6) lorsque l'on modifie l'inclinaison de l'axe OE de la sphère (3) .
- La modification induite de l'inclinaison de l'axe OE de la sphère (3) lorsque l'on déplace angulairement l'ensemble formé par les deux billes (2) et (4) et la cage (6) . 3) Mécanisme selon la revendication 1 et 2 caractérisé en ce que la variation continue de son rapport de démultiplication peut être indifféremment obtenue par l' une , au moins , des deux actions suivantes:
- Le déplacement de l'ensemble formé des deux billes (2) et (4) par le pivotement de la cage (6) .
- La modification de l'inclinaison de l'axe OE de la sphère (3) par le pivotement du berceau (8) .
4) Mécanisme selon la revendication 1 , 2 et 3 caractérisé en ce que , au cours de son déplacement , le centre de l'une au moins des deux billes (2) et (4) peut circuler de part et d'autre de l'axe de rotation OE de la sphère (3) et permettre ainsi au mécanisme d'assurer les fonctions d'un embrayage , d'un point mort et d'un inverseur de sens de rotation .
5) Mécanisme selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que les axes de rotations des deux disques toroïdaux peuvent être parallèles ou sécants.
6) Mécanisme selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le nombre de disques toroïdaux peut être supérieur à deux.
7) Mécanisme selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que plusieurs ensembles sphère / berceau / billes / cage peuvent être répartis autour de l'axe de rotation commun aux disques toroïdaux et fonctionner de manière synchronisée.
8) Mécanisme selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que, par la géométrie des éléments ou par l'introduction d'un dispositif spécial , on peut faire varier l'intensitée et la direction des forces de précontrainte aux zones de contact des billes.
9) Mécanisme selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la position du berceau ou de la cage peut être utilisée pour mesurer la valeur de son rapport de démultiplication .
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