Dispositif pour stabiliser la vitesse de rotation d'un organe d'un appareil
Lorsqu'on applique un couple moteur de grandeur suffisante à une pièce rotative ou à un ensemble de pièces rotatives, par exemple à un train d'engrenages, la pièce ou le système se met en mouvement. La vitesse de rotation obtenue finalement dépend fortement du couple moteur et est dans une large mesure indéterminée dans la plupart des systèmes réalisés pratiquement, car les pertes sont volontairement maintenues petites.
Cependant, on désire souvent obtenir une vitesse de rotation déterminée exactement ou comprise dans une gamme de valeurs plus ou moins étroite, et cela malgré une charge variable et un couple moteur d'entraînement variable.
Pour satisfaire cette exigence, on a besoin de moyens de freinage qui fournissent un moment de freinage croissant lorsque la vitesse de rotation augmente.
Parmi les systèmes de freinage connus de ce type, on peut citer notamment les dispositifs à disques électriquement conducteurs tournant dans un champ magnétique (utilisant les courants de Foucault) et les régulateurs centrifuges. Chacun de ces systèmes de freinage possède ses avantages et ses inconvénients caractéristiques. La présente invention se basant, dans une forme d'exécution préférée, sur le principe des régulateurs centrifuges, on va traiter plus spécialement ce cas ciaprès, bien qu'on puisse naturellement aussi avoir recours aux autres moyens de freinage mentionnés pour réaliser le dispositif suivant l'invention.
Dans l'exécution la plus simple d'un régulateur centrifuge, le moment de freinage croît avec le carré de la vitesse de rotation. Pour obtenir une efficacité de réglage suffisante, le régulateur doit être conçu de manière à produire des pertes de freinage aussi élevées que possible.
Mais dans beaucoup d'applications, une telle situation est indésirable. Pour remédier à cet inconvénient, on a déjà proposé des régulateurs centrifuges soumis à l'action de ressorts. De tels régulateurs ne commencent à freiner qu'à partir d'une certaine vitesse choisie par le constructeur. La capacité de freinage dynamique est grande au-dessus de cette vitese et l'on évite ainsi les pertes de freinage quasi-statiques correspondantes qui se produisent dans les constructions simples sans ressorts.
Avec de tels régulateurs centrifuges soumis à l'action de ressorts, on arrive à maintenir la vitesse de rotation constante à + 10 /o près, lorsque le couple moteur varie dans le rapport 1:2. Le facteur de qualité
Q est ainsi égal à 10.
La présente invention permet d'obtenir des facteurs de qualité supérieurs à 100, et cela sans augmenter davantage les pertes de freinage quasi-statique.
On va décrire ci-après le principe théorique sur lequel se base le dispositif selon l'invention.
Un régulateur centrifuge soumis à l'action de ressorts fournit un moment de freinage M1 à partir d'une vitesse n1 déterminée par la construction et par des moyens d'actionnement extérieurs.
On a la relation:
M1= k1 (n-n1) où K1 est une constante donnée par la construction et n désigne la vitesse variable (grandeur de sortie).
Ce moment de freinage M1 est utilisé pour agir sur un moyen de freinage supplémentaire. Le moment de freinage ainsi obtenu M2 dépend linéairement du moment de freinage M1, selon la relation:
M2=a(M1-M10) où a et M10 sont déterminés par la réalisation du système et représente des constantes ou peuvent varier sous l'influence de moyens d'actionnement extérieurs.
Les deux ruoments de freinage M1 et M2 s'opposent AMR=M-(Mî+M2) où #MR est le couple moteur résiduel faisant accélérer le système. On suppose que la charge est déjà prise en considération dans la grandeur #M1 car
#M=Mentraînement -Mcharge
Il va de soi que le dispositif de réglage doit être agencé de manière à travailler de manière stable, c'est-à-dire qu'il ne doit pas se produire d'oscillations de réglage non amorties. Si l'on considère l'état stationnaire, on voit facilement que l'on doit avoir: AMR= O.
Il s'ensuite que: #M=M1+M2=k1(n-n1)(1+a)-aM10 d'où l'on tire:
EMI2.1
Si l'on désigne l'expression k1(1+a) par V (amplification de réglage interne), l'expression
EMI2.2
par n1 (vitesse de rotation nominale) et la différence n - n0 par Ê n (écart de vitesse), on peut écrire:
EMI2.3
Il convient de remaquer que V et en particulier la vitesse de rotation nominale n" sont réglables entre certaines limites en faisant varier la grandeur a. Pour obtenir un bon réglage, on cherche à avoir un grand
V. On ne peut cependant pas augmenter V indéfiniment, car le réglage risquerait de perdre sa stabilité.
Une construction pratique a encore donné un bon réglage avec (1+A) = 50. Dans un régulateur centrifuge de construction simple, sans moyens de freinage supplémentaires, on a: (1+a) = 1, et l'on peut donc obtenir ainsi une augmentation du facteur de qualité dans le rapport de 1-50.
La présente invention a pour objet un dispositif pour stabiliser la vitesse de rotation d'un organe d'un appareil, comprenant un arbre entraîné en rotation par une source de force motrice, ledit arbre portant au moins un élément de freinage apte à coopérer, à partir d'une vitesse donnée, avec un tambour ou un disque de façon que, lorsque la vitesse de l'arbre augmente, le couple de freinage augmente également.
Ce dispositif est caractérisé en ce que ledit tambour ou disque est monté fou coaxialement à l'arbre et en ce que des moyens élastiques tendent à maintenir le tambour ou disque dans une position angulaire déterminée, de sorte que, lorsque la vitesse de l'arbre dépasse une certaine valeur, le disque ou tambour est entraîné en rotation à l'encontre de l'action desdits moyens élastiques et prend une nouvelle position d'équilibre, la rotation du tambour ou disque provoquant l'actionncmcnt d'un frein mécanique supplémentaire agissant, au moins médiatement, sur ledit arbre, le tout étant agencé de manière que lorsque le couple moteur agissant sur l'arbre est excédentaire, ledit frein supplémentaire accroît son action et inversement.
Le dessin annexé représente, à titre d'exemple, une forme d'exécution et une variante du dispositif faisant l'objet de l'invention.
La fig.l est une vue en coupe schématique de cette forme d'exécution,
La fig. 2 est une coupe suivant la ligne II-II de la fig. 1.
La fig. 3 est une vue de dessous de la variante.
Un arbre 1, pivotant dans deux platines 2 et 3, est entraîné en rotation par une poulie 4 actionnée ellemême par une courroie 5 reliée de manière non repré- sentée à une source de force motrice (par exemple un ressort). Sur l'arbre 1 est calé le rotor 6 d'un régulateur centrifuge de construction connue, formé de deux ressorts-lames 7 portant chacun, à leur extrémité libre, une masse 8. Un tambour 9 en forme de cloche est monté fou coaxialement à l'arbre 1, par son moyeu 10.
A sa partie inférieure, le moyeu 10 est taillé de manière à former un pignon 11, qui est en prise acec un secteur denté 12 solidaire d'un arbre 13 pivotant dans les platines 2 et 3. Un ressort-lame 14, encastré en 15, appuie contre une goupille 16 plantée dans le secteur denté 12 et tend à faire tourner ce secteur dans le sens des aiguilles d'une montre de la fig. 2, mais ce mouvement est empêché par une butée 17 fixée dans la platine 3.
Le rotor 6 est venu d'une pièce avec un corps 18 en forme de cloche, qui est coaxial au tambour 9 et dont la masse est assez importante pour qu'il puisse jouer le rôle de volant. La paroi cylindrique extérieure du corps 18 présente une gorge dans laquelle est engagé un fil 19, par exemple en nylon, dont une extrémité est accrochée à une goupille 20 fixée dans la platine 3 et l'autre à une goupille 21 plantée dans le secteur denté 12. Le fil 19 est tendu entre les goupilles 20 et 21 et s'appuie contre la périphérie cylindrique du corps 18, suivant un arc qui, dans l'exemple représenté, est supérieur à 1800.
Le dispositif décrit et représenté fonctionne comme suit:
Lorsque l'arbre 1 est entraîné en rotation dans le sens des anguilles d'une montre (fig. 2), la force centrifuge éloigne les masses 8 du rotor 6, à l'encontre de l'action élastique des ressorts-lames 7. Les masses 8 s'approchent donc, lorsque la vitesse de rotation n de l'arbre 1 augmente, du tambour 9. A partir d'une certaine vitesse n2 de l'arbre 1, les masses 8 s'appuient contre la paroi intérieure du tambour 9 et transmettent à ce dernier un couple de rotation M1 La tambour 9 est soumis d'autre part à une force élastique qui tend à le maintenir dans une position angulaire déterminée; en effet, le ressort 14 fait appuyer le secteur denté 12 contre la butée 17, et cette position angulaire du secteur 12 conditionne la position angulaire du tambour 9, puisque les pièces 9 et 12 sont en relation d'engrenage l'une avec l'autre.
Le couple de rotation M2 agissant sur le tambour 9 s'oppose donc à la force élastique tendant à maintenir le tambour 9 dans une position angulaire bien définie. A partir d'une certaine vitesse de l'arbre 1, le couple de rotation M1 devient assez grand pour surmonter cette force élastique, de sorte que le tambour 9 se met à tourner d'un petit angle dans le même sens que l'arbre 1, c'est-à-dire dans le sens des aiguilles d'une montre (fig. 2). La petite rotation du tambour 9 est transmise par le pignon 11 au secteur denté 12, lequel tourne aussi d'un petit angle en sens inverse des aiguilles d'une montre; l'angle dont tourne le secteur 12 est sensiblement plus petit que l'angle dont tourne le tambour 9, en raison du rapport des engrenages 11 et 12.
La rotation du secteur 12 provoque un petit déplacement de la goupille 21 et par suite une traction sur le fil 19, cette traction provoquant un frottement sur le corps 18 et, par conséquent, sur l'arbre 1 dont ce dernier est solidaire. Il résulte de ce qui précède que lorsque le couple moteur agissant sur l'arbre 1 est excédentaire, le frein supplémentaire constitué par le fil 19 accroît son action et inversement. L'intensité de ce freinage supplémentaire et, par suite, la vitesse nominale de l'arbre 1, peuvent être réglées en déplaçant les goupilles 20 et 21 et/ou en faisant tourner sur lui-même le plot de fixation 15 du ressort-lame 14.
Selon une variante non représentée, le fil 19 pourrait être remplacé par un sabot de freinage fixé sur le secteur 12 et venant appuyer, lorsque le secteur 12 tourne d'un petit angle, contre le manteau du corps 18.
La variante représentée sur la fig. 3 est une construction un peu plus simple que celle qui vient d'être décrite. On retrouve ici le tambour 9 monté fou sur l'arbre 1 et le corps 18 en forme de cloche, calé sur l'arbre 1. Un ressort-lame 22, encastré dans un plot 23, s'appuie contre une goupille 24 plantée dans le couvercle du tambour 9 et tend à faire tourner le tambour 9 dans le sens horaire de la fig. 3, mais ce mouvement est empêché par une butée 25 fixée dans la platine 3. La paroi cylindrique extérieure du corps 18 présente une gorge dans laquelle est engagé un fil 26, par exemple en nylon, dont une extrémité est accrochée à une goupille 27 fixée dans la platine 3 et l'autre à une goupille 28 plantée dans le couvercle du tambour 9.
A partir de la goupille 28, le fil 26 passe d'abord sur un galet ou un tenon de renvoi 29, fixé dans la platine 3, puis s'appuie contre le pourtour du corps 18, sur un arc supérieur à 180 , et arrive au point de fixation 27. Ici également, on peut déplacer les goupilles 27 et 28 et/ou faire tourner sur lui-même le plot de fixation 23 pour le ressort-lame 22, afin de régler le freinage supplémentaire exercé par le fil 26 sur le corps 18 et, par suite, la vitesse nominale de l'arbre 1.
Le fonctionnement est sensiblement le même que pour la forme d'exécution des fig. 1 et 2: Lorsque l'arbre 1 tourne, les masses 8 du rotor 6 s'appuient, à partir d'une certaine vitesse, contre la paroi intérieure du tambour 9 et transmettent à ce dernier un couple de rotation. Le ressort 22 exerce sur le tambour 9 une force élastique qui tend à le maintenir dans une position angulaire déterminée. Le couple de rotation agissant sur le tambour 9 s'oppose donc à cette force élastique. A partir d'une certaine vitesse de l'arbre 1, le couple de rotation exercé par les masses 8 sur le tambour 9 devient assez grand pour surmonter ladite force élastique, de sorte que le tambour 9 tourne d'un petit angle dans le même sens que l'arbre 1, c'est-à-dire en sens inverse des aiguilles d'une montre sur la fig.3, puisque cette figure est une vue de dessous du tambour 9 et du corps 18.
La rotation du tambour 9 provoque un petit déplacement de la goupille 28 et par suite une traction sur le fil 26, cette traction provoquant un frottement sur le corps 18 et, par conséquent, sur l'arbre 1 dont ce dernier est solidaire. Lorsque le coupe moteur agissant sur l'arbre 1 est excédentaire, le frein supplé- mentaire constitué par le fil 26 accroît son ction et inversement.
Au lieu de se servir d'un fil (19 ou 26) pour produire le freinage supplémentaire, on pourrait aussi utiliser un ruban.
Le dispositif décrit permet de stabiliser de façon efficace la vitesse de rotation d'un organe d'un appareil, le facteur de qualité pouvant être d'environ cinquante fois supérieur à celui qu'on peut obtenir avec un régulateur centrifuge simple.
Il est évident que le régulateur produisant le freinage de base ou freinage primaire, constitué dans la forme d'exécution représentée par un régulateur centrifuge, peut être remplacé par d'autres régulateurs connus, notamment par un régulateur à éléments électriquement conducteurs tournant dans un champ magnétique (utilisant les courants de Foucault); dans ce dernier cas, le tambour 9 serait par exemple remplacé par un disque, et l'élément de freinage porté par l'arbre 1 serait un disque ou une cloche qui coopérerait avec le disque susmentionné.