MC2362A1 - Transmission mécanique par dérivations gyroscopiques - Google Patents

Description

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#3^

Brevet d'invention

Transmission mécanique par dérivations gyroscopiques

5 Pierre GANTIER

Cécile KERSULEC, épouse GANTIER.

Défînition technique de l'invention

La présente demande de Brevet d'invention a pour objet un système mécanique de 10 variation continue de la vitesse angulaire d'un arbre de transmission en fonction du rapport entre la puissance motrice et le couple résistant à entraîner ; ce système étant strictement mécanique (roulements et engrenages), dépourvu en principe de tout dispositif artificiel de contrôle tels que : ressorts, frottement, dispositif électrique ou électronique, etc...

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Utilité et intérêt de l'invention

Ce problème de transmission rationnelle continue, parce que sans échelonnements, représente un idéal maintes fois recherché par les procédés les plus divers, mais qui se sont révélés trop fragiles, ou trop encombrants et compliqués, d'un 20 mauvais rendement et finalement n'ont pu être adoptés. Concernant les véhicules automobiles notamment, les constructeurs n'ont pu que s'appliquer à perfectionner la

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classique boîte de vitesse : par la synchronisation, le nombre des combinaisons, la facilité de manoeuvre et finalement l'automaticité.

Alors que les appareils de conversion fonctionnelle de vitesse susceptibles d'être réalisés en application de la conception technique de l'invention sont simples donc solides, d'un rendement énergétique parfait, d'un poids et d'un volume équivalents ou inférieurs à ceux d'une boîte de vitesse correspondante.

Notion fondamentale de l'invention

L'invention présentée ici est conçue en application de certaines données de dynamique théorique qui sont à préciser préalablement car elles en constituent d'une part la substance et que, d'autre part, elles ne semblent pas avoir été spécifiquement mises à l'étude par ailleurs. Reposant sur celles-ci, la notion essentielle appliquée par l'invention est la transformation de l'énergie : de mécanique en cinétique et inversement, ce qui peut se concevoir ainsi :

"à un arbre moteur sont reliés des volants d'inertie à double révolution, rotation sur eux-mêmes et rotation planétaire ; ces deux rotations s'équilibrent selon la résistance de l'arbre de transmission

Les dispositifs susceptibles d'être réalisés pour l'usage industriel en application de la conception technique nouvelle ici proposée peuvent différer par leurs dispositions, leurs dimensions, leurs paramètres fonctionnels, selon les exigences et à la demande de l'ensemble auquel ils seront destinés mais, l'idée technique demeure spécifique à savoir : la combinaison des phénomènes de précession aux effets de l'énergie cinétique. Le rappel théorique, visant l'application pratique qui en est faite par l'invention s'avère pratiquement indispensable. Ainsi l'appareil photographique est-il indissociable des réactions photochimiques, la machine de Gramme de l'électromagnétisme.

Considérations théoriques sur lesquelles repose l'invention

Exposé des deux principes fondamentaux

1. Principe préliminaire :

Soit un solide indéformable en équilibre giratoire autour d'un axe horizontal A passant par son centre d'inertie, et tournant autour de cet axe en vitesse uniforme, sans autre sollicitation. A partir du moment où il va être soumis à la pesanteur, sa chute, par un effet de précession, se fait en décrivant une parabole, depuis le sommet de celle-ci suivant une de ses branches, courbe située dans un plan perpendiculaire à A ; l'axe de symétrie de la parabole étant la verticale que le solide, dépourvu de rotation, aurait suivie(fig. 1).

2. Principe dérivé du précédent mis en application par l'invention, :

Soit un solide indéformable en équilibre giratoire autour d'un axe horizontal A passant par son centre d'inertie, et tournant autour de cet axe, mais soumis en outre simultanément à une deuxième rotation autour d'un axe A', parallèle à A, d étant la distance séparant ces deux axes ; considérons les seuls phénomènes gyroscopiques en référentiel galiléen. Appelons co et co' les valeurs algébriques des vitesses angulaires du solide, respectivement autour de A et de A' ; le sens de rotation autour de A' étant considéré comme positif :

-si co = ta ', les deux rotations sont confondues autour de A',

-si co >©' A tend vers A', effet centripète, accélération de cd',

si co <<b',A tend à s'écarter de A', effet centrifuge, décélaration de cd'.

Examen analytique élémentaire de ces deux principes

1. Concernant le principe préliminaire a) Par commodité, réduisons la représentation du solide à son cylindre giratoire S de rayon p et coupons celui-ci par un plan PI perpendiculaire à A ; A et B étant deux points du cylindre, diamétralement opposés, de masse m chacun et situés sur le plan PI , A étant sur la partie descendante , B sur la partie ascendante. Initialement, A et B forment un couple ; mais non plus dès qu'intervient l'action de la pesanteur : dans le sens de l'énergie cinétique en A, en sens opposé en B (fig.2). Par rapport à A la vitesse angulaire tend à augmenter en A, à diminuer en B ; or ceci étant géométriquement impossible - solide indéformable - l'effort se reporte sur les bras des moments : celui de

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80 A tend à s'allonger vers A alors que celui de B tend à diminuer. Ces effets conjugués déportent A, c'est à dire l'ensemble du solide vers B, côté ascendant.

Le solide subit donc une force d'accélération constante, composée :

d'une part de l'effet de précession qui déplace l'axe A parallèlement à lui-même,

constant puisque la rotation est uniforme et le poids du solide invariable, et

85 d'autre part de la force exercée par le poids du solide.

b) Si l'on considère les vecteurs représentants : le moment du couple de rotation du solide soit Y glissant sur A, le poids du solide, soit P, vertical, leur produit

YaP est un vecteur T, perpendiculaire à Y et à P et dirigé vers la partie ascendante du solide (trièdre direct) (fig.3).

90 2. Concernant le principe directement appliqué par l'invention a) La pesanteur peut être assimilée à une rotation autour d'un aœA' rejeté à

l'infini. Sur un plan PI, perpendiculaire à A, donc à A', figurons l'intersection de ces deux axes par deux points O et O', distants de d. A partir de O' menons les deux demi-

droites tangentes en M et N au cercle S, coupe sur le plan PI du cylindre giratoire

95 satellite (fïg.4). S est partagé, de part et d'autre de la droite M N en deux arcs inégaux dont les trajectoires en coordonnées polaires autour de O' sont de sens contraire. Soit Zi l'arc situé vers le sommet O' de l'angle formé par les deux tangentes et Ze l'arc extérieur, séparé de O' par la droite M N. Chacun de ces arcs représente une fraction de la masse du solide : Z i + Z e = £ m, soit la masse totale du solide.

Ze

îoo Le rapport — est d'autant plus élevé que O' se rapproche de S. et est égal à 1 si

O' est rejeté à l'infini. D'autre part la longueur des bras des moments relatifs à Ze et à

Zi, varient dans le même sens que les masses respectives.

d Ze

Pratiquement, le rapport — étant proche de 1 , le rapport — est relativement

P Zi

élevé et la force de précession d'autant plus importante : accélération si co >co' et

105 décélération si co < © '.

b) Enfin Y et Y' étant les vecteurs représentant respectivement les deux moments, satellite sur A et planétaire sur A', leur addition algébrique est un vecteur

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parallèle, soit Y,- Or, si un dispositif relie solidairement les deux rotations © et co', un

équilibre s'établira en fonction des deux moments d'inertie du système : l'un sur A 110 l'autre sur A' :

si Y et Y'sont de même signe, le module de Y, en est somme arithmétique, même si un équilibrage éventuel en modifie la répartition ;

si Y est négatif, le module de Y, n est P'us que 'a différence des deux modules,

l'énergie potentielle de l'ensemble s'est, au moins partiellement annulée. 115 L'équilibre de © et ©' se fait en fonction inverse de leurs moments d'inertie. Si nous orientons dans le même sens les deux axes parallèles, nous dirons que le dispositif est relié axialement :

-en avant au travail positif du moteur,

-en arrière au travail résistant négatif, lequel contrarie les deux rotations dérivées 120 - planétaire et satellite - entretenues par la force motrice.

La transformation du couple moteur est opérée par les phénomènes de précession, agissant toujours dans le sens moteur ; il en est la résultante. Les deux axes de rotation peuvent, en effet, être considérés comme deux dérivations en opposition, dont l'écart représente l'appui à la mesure, de la résistance

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Description technique

Le dispositif mécanique réalisé en conséquence comprend :

1.un arbre central planétaire, correspondant à A' fractionné en deux parties indépendantes maintenues alignées : par exemple, le prolongement de l'une roulant dans

130 l'autre, tube muni intérieurement de douilles à aiguilles ;

2. le, ou plutôt les satellites, généralement de forme cylindrique, sont de forte densité pondérale, chacun solidaire de son arbre propre dont la ligne est un axe A. L'entre-axes d est le même entre A' et les différents A satellites. L'ensemble est maintenu par deux flasques perpendiculaires aux arbres, qui les traversent tournant

135 librement sur chacun d'eux. Les satellites constituent des volants d'inertie.

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Sur le dessin schématisé (fig. 5 et 6) trois volants sont figurés, identiques, disposés en trèfle à 120 degrés autour de l'arbre central, au même niveau axial, donc en complet équilibre radial. Pour un tel dispositif, le rayon R extérieur des volants doit être inférieur

140 construction.

3.Les deux flasques, semblables, sont centrés sur l'arbre planétaire et disposés l'un en avant, l'autre en arrière des volants. Deux flasques annexes, parallèles aux deux principaux, peuvent être placés, l'un tout en avant du dispositif, l'autre tout à fait en arrière pour maintenir chacun trois pignons complémentaires mentionnés ci-dessous. Les 145 flasques sont solidement entretoisés entre eux.

4.les deux différentiels, ensembles de train d'engrenages semblables, mais pourvus de rapports du nombre de dents différents-, ils relient les trois satellites à l'arbre central, de façon identique à l'entrée et à la sortie, par un pignon intermédiaire. A l'entrée, la partie motrice de l'arbre central planétaire est munie d'une roue dentée 150 solidairement centrée sur elle. En vis-à-vis, soit au même niveau axial, trois pignons satellites identiques sont fixés à l'extrémité antérieure de chacun des trois axes de volants, mais n'engrènent pas avec la roue dentée centrale qu'ils n'atteignent pas. Toutefois, géométriquement fixé par rapport à la roue dentée centrale et au pignon satellite correspondant, un pignon intermédiaire libre les relie, au même niveau axial que 155 la roue dentée centrale assurant le même sens de rotation arbre central/arbre satellite.

A la sortie d'arbre, la disposition est la même, fonctionnant de façon inverse : l'effort est transmis des trois pignons satellites postérieurs menants, à la roue dentée centrale résistante, par des pignons intermédiaires équivalents à ceux de la pignonnerie d'entrée. Un résultat équivalent serait obtenu en remplaçant les roues dentées de l'arbre central, à 160 l'entrée et à la sortie, par une grande couronne à denture intérieure, ce qui supprime le pignon intermédiaire. Mais ce dispositif n'est guère praticable que pour de petites mécaniques, car le diamètre primitif de cette denture intérieure doit être égal à : 2d + le diamètre primitif du pignon satellite correspondant.

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5.Un carter fixe, contenant l'ensemble du dispositif, fermé, circulaire autour de 165 la ligne d'arbre central. Son rayon maximum, au niveau des volants, est de peu supérieur à R+d. Complètement clos il n'est pourvu que de deux orifices fermés par des rondelles d'étanchéité ; l'un pour l'arbre moteur en avant, l'autre en arrière pour la transmission résistante. A la partie inférieure, un fond plat horizontal, formant bac à huile, communique avec l'intérieur du carter.

170 La lubrification à l'huile fluide se fait par dispersion-vaporisation résultant des grandes vitesses de rotation en inversion dans un carter fixe, intérieurement muni d'ailettes et de déflecteurs circulaires obliques disposés de façon à diriger les retombées d'huile vers les points sensibles : engrenages et roulements.

Exemples chiffrés de réalisation.

Selon le principe de l'invention, l'énergie mécanique motrice est emmaganisée cinétiquement pour être retransmise avec une définition différente quant au couple et à la vitesse angulaire.

Appelons C le couple moteur, à la vitesse 2nV radians, la puissance fournie est donc : P = C2tiV.

Z

Soit p le rapport d'engrenage du différentiel d'entrée ; p = —, Z nombre de dents z

de la roue motrice, z nombre de dents du pignon satellite mené. Et soit q le rapport

Z'

correspondant du différentiel de sortie ; q = —, Z' nombre de dents de la roue planétaire résistante, z' nombre de dents du pignon satellite menant. Le rapport — = n est un q

185 coefficient spécifique propre à chaque dispositif construit selon l'invention.

En désignant les vitesses de l'arbre central par V motrice à l'entrée et U résistante à la sortie, nous avons entre ces paramètres et les vitesses angulaires les relations suivantes :

U = (V-û)')n+û)'

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180

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190 Cette formule est réversible : V = ^ + n(D—— et V = (U-©') — + ©'. L'appareil peut n n

1 q donc fonctionner dans les deux sens, avec un coéfficient spécifique inversé — = —.

n p

Egalement nous avons : co'= ——— et ©'-© = p(©'+V) = q(©'-U)

n-1

Données suivant lesquelles des essais ont été effectués

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p = —,q = —, d'où n =0,675. Dans la position extrême de fonctionnement, la F 20 18

résistance étant bloquée, U=0, nous avons alors le maximum pour © et co', soit cd =3,462 et ©'=-2,077, soit ©-©'=5,539 comparativement à V. La partie intéressante de la variation étant comprise dans ce cas environ ainsi : 4,6>©-©'> 2,4,

200 soit l'équivalent d'une quatrième à une surmutipliée. Il faut mentionner que le dispositif est un peu démultiplicateur. Notre moteur ne donnait que 40 Nm ; les volants de 3,5 kg.

ont un rayon de giration p = 54,8mm soit, pour trois volants, un moment d'inertie

1=0,0315 kgm. L'énergie cinétique étant — l(27iVk)2 en appelant la différence

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© - ©' = k ; nous avons alors :

205 -pour 1200 tours/minute : moteur P = 40.271.20 = 5027 watts, et pour k=4,6 :

énergie cinétique = ^-l(2n.20.4,6) = 5263 joules/seconde.

-pour 4200 tours/minute : moteur P = 40,27t. 70 = 17593 w et pour k=2,4 : énergie cinétique = 17550 joules/seconde.

Notons que dans le premier cas la vitesse effective de rotation des volants-toupies est de 210 5520 tours/minute et dans le second cas de 10.080 tours/minute. Mais l'usage courant reste inférieur à ces chiffres, alors que les roulements permettent 20.000 tours/minute, et davantage par pointes en accélération exceptionnelles.

Pour le dispositif essayé, les volants de 120 mm de diamètre étaient longs de 100 mm et le plus grand diamètre du carter de 285 mm. Si nous multiplions les dimensions par 215 1,25, nous obtenons un moment d'inertie plus de trois fois supérieur, applicable à un couple moteur de 125 Nm, alors que, le chiffre obtenu au banc d'essai est largement

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supérieur à la mesure du couple fourni en usage courant : les moteurs des véhicules automobiles sont souples, notre dispositif l'est encore bien d'avantage. Quant à l'encombrement, le diamètre du carter est alors multiplié par 1,25, soit 360 mm, à 18 220 cm de la ligne d'arbre, et un poids total inférieur à 30Kg.

Si nous multiplions les dimensions par 1,5, le moment d'inertie multiplié par 7,6 convient à un moteur de couple supérieur à 300Nm, le poids du dispositif restant inférieur à 50 Kg et le diamètre radial maximum inférieur à 42 cm.

Il faut souligner que l'inversion des rotations to et cd' annule pratiquement les forces 225 centrifuges périphériques, ce qui permet d'envisager de grandes dimensions circulaires pour des vitesses élevées.

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Claims (1)

1. Revendications

   Elles portent sur les éléments spécifiques, caractéristiques de l'invention. 230 1. La double transformation de l'énergie motrice : de force motrice en énergie cinétique, puis reconversion de celle-ci en force motrice égale à la première ; le produit du couple par la vitesse de rotation reste, en effet, pratiquement le même, réserve faite de la faible résistance des roulements et des engrenages.

   2. La constitution des deux différentiels - entrée et sortie du dispositif - permettant 235 de faire tourner les satellites, sur eux-mêmes d'une part et autour du planétaire d'autre part, dans le même sens et en sens inverse l'un de l'autre.

   3. Le fait que le résultat précédent peut notamment être obtenu par un pignon intermédiaire sur chaque différentiel, entre le planétaire et chacun des satellites.

   4. L'utilisation de toupies gyroscopiques à moment d'inertie relativement faible mais 240 susceptibles de grandes vitesses de rotation.

   5. L'avantage d'engrenages légers, car de faible largeur du fait : de la démultiplication sur plusieurs satellites et de la vitesse élevée des rotations.

   6. L'absence des difficultés de construction qui seraient dues aux forces centrifuges. Celles-ci sont en effet pratiquement au maximum quand elles ont pour rayon R, rayon

   245 maximum du volant tournant sur lui-même au plus faible effort de transmission, la rotation planétaire étant nulle. Aux efforts plus grands, les deux rotations étant de sens inverses, les forces centrifuges périphériques se déduisent, donc peu d'efforts sur les axes satellites.

   7. La facilité d'étanchéité du carter d'huile, cylindrique ou tronc-conique, pourvu 250 seulement de deux orifices, pour le passage de l'arbre, côté moteur et côté résistant.

   8. La multiplicité des dispositions réalisables en utilisant l'invention. Par exemple : utilisation de deux appareils, moindres de moitié, distribuant la force à chacune des deux roues motrices d'un véhicule de façon indépendante, ce qui supprimerait le pont ordinaire et ses inconvénients ; distribution de l'énergie motrice sur deux ponts, avant et

   255 arrière, pour quatre roues motrices etc...