Les variateurs de vitesse mécaniques

Construction Mécanique 3^ième Année

Les variateurs de vitesse

mécaniques

Partie 2

Ce document a été en parti réalisé par des élèves de 3^ième année de l’ISAT BERTRAND Guillaume

BROSSIER Romain DI SCHINO Marc FAUCHER Arnaud FORGET Patrice FILIPA Christophe LEGUIEL Thomas ORFILA Olivier PERRIN Marianne RODES Julien

Sous la supervision de Lilian FAURE

SOMMAIRE Partie 2

I)

Variateurs de vitesse à galets

p 3

a. Variateurs à galet cylindrique et plateau cylindrique

i. Variateurs à axes d’entrée et de sortie perpendiculaires ii. Variateurs à axes d’entrée et de sortie parallèles b. Variateurs à galet sphérique

i. Galet en contact avec deux couronnes toriques ii. Galet en contact avec deux plateaux coniques c. Variateurs à galets cylindriques et poulies coniques

i. Description et fonctionnement (fig. 1) ii. Rapport de transmission (fig. 1 et 2) d. Les constructeurs

e. Le variateur Toroïdal (Torotrak)

II)

Variateurs à anneau métallique et poulies à gorges déformables

p 27 a. Principe de fonctionnement

b. Calcul du rapport de transmission

III)

Variateurs continus de vitesse par oscillations réglables

p 30 Système 1

a. Principe de fonctionnement b. Exemple d’utilisation Système 2

a. Principe de fonctionnement b. Applications industrielles

IV)

Variateurs de vitesse hydrauliques

p 37 c. Variateurs de vitesse hydrostatiques

d. Variateur de vitesse hydrodynamiques (ou hydrocinétiques)

Conclusion

^{p 49}

I) Variateur de vitesse à galets

Généralités

Les variateurs mécaniques à galets reposent tous sur le même principe de fonctionnement mais diffèrent dans leur réalisation par la forme des galets et des poulies.

En effet le principe retenu pour ce type de variateur est d’avoir deux poulies : une sur l’arbre d’entrée et l’autre sur l’arbre de sortie. Entre ces deux poulies, un galet (ou des galets pour transmettre plus de couple) qui transmet le mouvement de rotation de l’arbre d’entrée par adhérence et le restitue également par adhérence à l’arbre de sortie. La variation de vitesse de ce système réside dans la position du galet par rapport aux rayons des poulies d’entrée et de sortie.

Exemple simple avec le schéma cinématique d’un variateur à galet cylindrique à plateau cylindrique à axes parallèles :

Sur cet exemple qui sera traité plus en détail dans la suite on remarque que le mouvement de rotation d’entrée est donné par l’arbre 1. Ce mouvement est transmis par adhérence au galet 3 au point M. Ce galet est en liaison pivot par rapport au système de commande 4. Le galet transmet alors par adhérence son mouvement de rotation à la poulie de sortie 2 au point M’.

On remarque alors aisément que le rapport de transmission de ce variateur est en relation avec

k

^{12 =}

 

1 2 =

r r

2 1

a.

Variateurs à galet cylindrique et plateau cylindrique

Parmi les variateurs à galet et plateau cylindrique on distingue ceux à axes d’entrée et de sortie perpendiculaire, et ceux à axes d’entrée et de sortie parallèles.

i. Variateurs à axes d’entrée et de sortie perpendiculaires Principe de fonctionnement

Ce type de variateur diffère légèrement de ceux décrits dans les généralités car ils ne possèdent pas de poulie d’entrée mais c’est le galet qui est directement relié par une liaison glissière à l’arbre d’entrée. La variation du rapport de transmission k12 est obtenue par la translation d’axe (A, x) du galet 3 déplacé grâce au dispositif de commande 4. Le contact du galet 3 sur le plateau circulaire 2 en M peut avoir lieu de part et d’autre d l’axe (B, ^y ) ce qui permet d’inverser le sens de rotation de l’arbre 2.

Calcul de cinématique

La condition de non glissement en M s’écrit :

V M(3/0)= V M(2/0) avec V M(3/0)= V M(1/0)

 

Soit

M ₀

la position particulière du point M telle que r1 = r2 = a et k12 = 1

Soit le déplacement du dispositif de commande 4 tel que la position correspondante du galet 3 soit définie par :

M

Mo = x  > 0

Le rapport de transmission s’écrit, d’après la relation (3) :



aa

k

¹²

a

: rayon du galet 3=r3

a

 : course d’axe (A, ^y ) du dispositif de commande 4 à partir d’une position médiane correspondant à

k

^{12= 1.}

Notons que ce rapport tend vers l’infini pour

r

^{2= 0 (ou =}

^a

).

En pratique, des dispositions constructives empêchent cette configuration qui, de plus, engendrerait, pour un couple donné à transmettre, une composante tangentielle de _M (32) tendant vers l’infini. Ces dispositions peuvent consister :

- en une cuvette aménagée sur la partie centrale du plateau ;

- en une limitation de course sur le dispositif de commande 4 lui-même.

Le graphe représentatif de la fonction

k

₁₂

^ f (  )

est donné ci-dessous avec la valeur suivante affectée au paramètre constructif :

a

= 100 pour 

 ^

^80,80

^

ii. Variateur à axes d’entrée et de sortie parallèles Principe de fonctionnement

La variation du rapport de transmission

k

¹²est obtenue par la translation d’axe (A,

y ) du galet 3 déplacé grâce au dispositif de commande 4. Lors du réglage, l’augmentation du rayon d’action

r

¹entraîne la diminution du rayon d’action

r

², la somme (

r

¹⁺

r

²⁾

restant constante(entraxe 1-2 fixe).

Calcul cinématique

La condition de non glissement en M s’écrit : ) 0 / 3 ( )

0 / 1

(

V

V

^{M  M} soit



¹

r

^{1 =}



³

r

³ (a) De même, la condition de non glissement en M' s’écrit :

) 0 / 2

'

(

V

^{M =}

V

^M' (3/0) avec (3/0)

V

^M' ⁼

V

^M(3/0)

soit :



²

r

^{2 =}



³

r

³ (b) En rapprochant les relations (a) et (b), il vient :

r

¹



1 ⁼



²

r

²

soit :

k

^{12 =}

 

1 2 =

r r

2

1

k

¹²> 0 (c)

Soit

M

⁰ la position particulière du point M, telle que

r

^{1 =}

r

^{2 =}

^a

^et

k

¹²=1 (position médiane du dispositif de commande 4).

Soit  le déplacement du dispositif de commande 4 tel que la nouvelle position du galet 3 soit définie par :

y M

M⁰   > 0

Le rapport de transmission s’écrit alors, d’après la relation (c) :

k

^{12 =} 



aa

k

^{12 > 0}

 : course d’axe (A,^y ) du dispositif de commande 4 à partir de sa position médiane.

Le graphe représentatif de la fonction

k

^{12 = f (}) est donné ci- dessous avec la valeur suivante affectée au paramètre constructif :

a

=100 pour 

 ^

^80,80

^

b.

Variateurs à galet sphérique

Il existe essentiellement deux types de variateurs à galets sphériques qui dépendent de la géométrie du contact entre les "flasques" et le galet : contact avec deux couronnes toriques ou contact avec deux plateaux coniques.

Le principe de fonctionnement est néanmoins le même. Un galet relit les deux flasques. Sa position est définie par le système de commande. C'est la position du galet qui fait varier la vitesse entre les deux flasques. Le système de commande est quant à lui en liaison pivot d'axe^(A,z) par rapport au bâti.

Remarque : il peut y avoir un ou plusieurs galets.

i. Galet en contact avec deux couronnes toriques

La variation du rapport de transmission k12 est obtenue grâce à la rotation du dispositif de commande portant le galet. Le galet a une forme en portion de sphère dont le rayon est R=AM=AM' . Ce rayon définit également l'espacement entre les deux couronnes toriques ou

"flasques".

Calcul du rapport de transmission

Dans tous les cas on considérera la condition de non glissement entre galet et flasques comme étant respectée.

On se place au point M

) 0 / 3 ( )

0 / 1

( M

M V

V 

soit

2 2 1

1r  r

  (1)

de la même façon au point M'

) 0 / 3 ( )

0 / 2

( '

' M

M V

V 

soit

2 2 3

3r  r

  (2)

en combinant (1) et (2)

1 1 3

3r  r

 

conclusion

2 1 1 2

12 r

k   r



 avec k12 <0 (3)

Nous allons maintenant détailler le calcul du rapport de variation k12

_Soit ^{ (y,u)} le paramètre déterminant la position angulaire du dispositif de commande.

_Soit M0 et M'0 les positions initiales (pour  0) _Soit M et M' quand  0.

Les paramètres qui définissent le variateur sont : R = AM rayon de la sphère

2 '

3

r  MM rayon actif du galet

R r₃ arccos

 

 ^pour ^0,^r1 ^r2 ^a

 pour 0,r1 a1,r2 a2 (4)

en combinant (3) et (4)

2 1

12 





  a k a

ce qui nous donne finalement

aveck12 ⁰

avec la condition



 



 

 )

arctan( sin sin ),

arctan( ^{3 3}



 

R r R

r

Exemple d'application numérique

Nous faisons cet exemple afin de déterminer le graphe représentatif de la fonction k12  f⁽⁾. Ceci nous permet de visualiser les différentes possibilités de ce variateur.

Cette courbe est pour les valeurs suivantes : a = 100 R = 50 r3 = 40

c'est à dire  arccos ³ 36.86soit 



53,53



R r

 



^{sin(sin( ) sin() sin( ))}



12   

















  R a

R k a

Exemple d'un variateur à galet sphérique couplé à un moteur et un réducteur (Lenze)

ii. Galet en contact avec deux plateaux coniques

Ici, le galet a une forme de sphère de rayon R. Cependant, c'est toujours la rotation du dispositif de commande qui fait varier le rapport k12 de transmission.

La différence par rapport au variateur précédent réside dans le fait qu'ici la sphère est en liaison pivot d’axe^(A,u).

Calcul du rapport de transmission

On se place au point M

) 0 / 3 ( )

0 / 1

( M

M V

V 

soit

2 2

1a  a

  (1)

de la même façon au point M'

) 0 / 3 ( )

0 / 2

( '

' M

M V

V 

soit

a a ₂

3 

  (2)

en combinant (1) et (2)

1 2 1 2

12 r

k  r



 avec k12 >0 (3)

_Soit ^{ (x,u)} le paramètre déterminant la position angulaire du dispositif de commande.

Les paramètres qui définissent le variateur sont : R = AM rayon de la sphère

' MM d 

R d arcsin2

 

 pour ^0,r1 r2etk12 ¹

 pour ^0,r1  HM^,r2H^'M^' HM IM^' Si on se place dans le triangle AMH, rectangle en H

 sin R

HM  avec ^{( )}

2  

    car

2

 



   dans le triangle ABM, rectangle en B donc ^{HM Rcos( )}

Or dans le triangle MIM', rectangle en I on a ^{IM'dsin()}

Ce qui nous donne finalement : r₂ HM IM'Rcos( )dsin() Ceci nous permet de simplifier le rapport de transmission

1 2

12 r

k  r

Conclusion

avec k12 >0

avec la condition



 

 )

arccos(2 2 ),

arccos(

R d R

 d

Exemple d'application numérique

Représentation de la fonction k12  f⁽⁾.

Cette courbe est pour les valeurs suivantes : R = 50 d= 80

c'est à dire :



  









 53.13 36.8 , 36.8

arcsin2





soit

dR

) cos(

) sin(

) cos(

12  











 

R

d k R

Ce qu'il faut retenir pour les variateurs à galets sphériques

Galet en contact avec deux couronnes toriques

aveck12 ⁰

avec la condition



 



 

 )

arctan( sin sin ),

arctan( ^{3 3}



 

R r R

r

Galet en contact avec deux plateaux coniques

avec k12 >0

avec la condition



 

 )

arccos(2 2 ),

arccos(

R d R

 d

Comparaison des deux variateurs :

pour des rayons de sphères et des encombrements relativement identiques, les variateurs avec deux plateaux coniques nous permettent d'obtenir des plages de vitesse plus importantes.

 



^{sin(sin( ) sin() sin( ))}



12   

















  R a

R k a

) cos(

) sin(

) cos(

12  











 

R

d k R

c.

Variateurs à galets cylindriques et poulies coniques

La variation du rapport de transmission k12 est obtenue par la translation d'axe ( A , u) du galet 3 déplacé grâce au dispositif de commande 4.

Les génératrices actives des cônes de friction 1 et 2 sont, dans le plan (O, ^x, ^y ), parallèles à l'axe ( A , ^u) , de sorte que les contacts ( 3  1 ) en M et ( 3  2 ) en M' demeurent quelle que soit la position axiale du galet 3.

Calcul du rapport de transmission

La condition de non glissement en M s'écrit :

V M

^{(1/0) =}

V _M

^(3/0)

d'où l'on tire



₁

r

₁ ⁼

 ₃ r ₃

(a) De même, la condition de non glissement en M' s'écrit :

'

V M

^{(1/0) =}

V ^M '

^(3/0)

avec ||

V ^M '

(3/0)|| = ||

V M

^(3/0)||

soit



₂

r

₂ ⁼

 ₃ r ₃

(b) En rapprochant les relations (a) et (b), il vient :

1 1

r



⁼



²

r

²

soit :

k12 > 0 (1)

Soit M0 la position particulière du point M telle que r1 = r2 = a et k12 = 1 (figure 4.7).

Soit  le déplacement du dispositif de commande 4 tel que la nouvelle position du galet 3 soit définie par :

M

M⁰ = 

u

^>0

u

: vecteur unitaire de ³.

Le rapport de transmission s'écrit alors, d'après la relation (1) : k12 =

1

2

 ₌

Figure 2

a : rayon médian des roues de friction, quand k12 = 1 ,

: couse d'axe ( A , ^u) du galet 3, à partir de sa position médiane.

Le graphe représentatif de la fonction k12 = f() est donné figure 3 avec les valeurs suivantes affectées aux paramètres constructifs :

a = 100



= 30°

pour   [-50, +50]

Avec ces paramètres, le rapport de transmission d'un variateur à galet cylindrique et poulies coniques peut donc varier en continu entre 0,6 et 1,66.

d.

Les constructeurs

UNICUM propose une gamme de variateur fonctionnant avec un ou quatre galets selon le couple à passer :

Figure 3

e.

Le variateur Toroïdal (Torotrak)

Présentation

Le variateur toroïdal est un variateur à galets et couronnes toroïdales qui fonctionne sur le même principe que les variateurs à galets sphériques ou cylindriques.

Ce variateur toroïdal de la société Torotrak est constitué de couronnes d’entrée toroïdales (vertes), de couronnes de sortie toroïdales (jaunes), de galets de transmission (bleus), d’une chaîne de transmission à rapport de réduction constant (bleu foncé), d’un train épicycloïdal (rouge) et d’un embrayage haut régime (vert).

Galets Roues dentées

Principe de fonctionnement

Tout d’abord, il faut savoir que le variateur Torotrak se décompose en deux parties : le variateur toroïdal sur l’arbre primaire et le train épicycloïdal ainsi que les embrayages de haut et bas régime sur l’arbre secondaire.

Le moteur entraîne les couronnes vertes qui par friction transmettent leur mouvement de rotation aux galets bleus. Ceux-ci entraînent les couronnes jaunes. Les galets bleus peuvent pivoter autour de l’axe rouge ce qui permet de faire varier la vitesse de rotation. La transmission du mouvement de rotation se fait par friction hydraulique : en effet, les galets ne sont pas en contact direct avec les couronnes. Il y a un film d’huile qui sous la pression des galets voit sa viscosité cinématique augmenter ce qui permet la transmission.

Calculs cinématiques

) sin(

2

) sin(

) sin(



























 



R e H H e H

R e R H

e H

e s e

s s

Wmot Ws

Hs e

He

R a

mot mot

s e s s s e mot s

mot e R

R e H

H H H

V

V 



 





 







 















 sin( )

) sin(

Le fonctionnement du variateur en haut et bas régime :

1. Le fonctionnement en marche arrière et bas régime

En fonctionnement marche arrière et bas régime, le moteur entraîne le porte satellite par le biais d’un engrenage et d’un embrayage bas régime.

La vitesse de rotation de la couronne est la différence de vitesse du porte satellite et du planétaire donc la différence de la vitesse moteur et de la vitesse de sortie du variateur toroïdal : ce qui permet d’obtenir la marche arrière pour un angle

a

^{d’environ}₆ ^.

2. Le fonctionnement en haut régime :

Lorsque l’on passe en haut régime, l’embrayage bas régime se débraye et l’embrayage haut régime s’embraye ce qui a pour effet d’obtenir la vitesse de sortie du variateur directement à la roue.

Ses avantages

 Economie de carburant : Ce variateur permet de faire fonctionner le moteur à un point de rendement optimum ce qui permet donc d’économiser du carburant. Dans le cas des tracteurs, l’économie de gasoil s’est portée à 22%.

 Réduction de la pollution : Du fait de la diminution de la consommation, les émissions de polluants diminuent.

 Augmentation du rendement : Le moteur consomme moins et délivre la même puissance donc le rendement augmente.

Ses inconvénients

 Produit peu développé : Ce n’est en développement que depuis 1995 ce qui ne représente pas grand-chose comparé une boîte de vitesse.

 Marché peu ouvert en Europe : En Europe, la boîte de vitesse manuelle a un monopole

II) Variateurs à anneau métallique et poulies à gorges déformables

a.

Principe de fonctionnement

La variation du rapport de transmission k12 est obtenue par le déplacement simultané, d’amplitude égale, des flasques mobiles 1b et 2b. Ceux-ci sont actionnés par le coulisseau 4 en liaison glissière par rapport au bâti 0. Ce principe de variateur est commandé le plus souvent par un système pignon/crémaillère. En charge, l’anneau métallique 3 occupe la position excentrée de la figure suivante qui met en évidence les parties tendues et comprimés.

0 : bâti fixe 1 : arbre d’entrée

1a : flasque solidaire de 1

1b : flasque en liaison glissière par rapport à 1

2 : arbre de sortie

2a : flasque solidaire de 2

2b : flasque en liaison glissière par rapport à 2

3 : anneau métallique 4 : coulisseau

1

3 1a

1b

2b 2 2a

4 0

b. Calcul du rapport de transmission

Le rapport de transmission k12 entre l’entrée 1 et la sortie 2 est :

a : rayon de contact des poulies quand k12 =1

λ : couse d’axe (A, x) du coulisseau 4, à partir de sa position médiane.

On obtient une droite lorsqu’on trace la représentation de la fonction k12 = f(λ) Par exemple avec les paramètres suivants :

a=100 α=30° et λ Є [-10 ;10]

Domaine d’application

Le principal domaine d’application de ce type de variateur est le cyclomotorisme. En effet la plupart des cyclomoteurs de moins de 50cm³ utilisent ce type de variateur. Le coulisseau est actionné par des galets sous le principe de la force centrifuge.

III) Variateurs continus de vitesse par oscillations réglables

Système 1 :

a.

Principe de fonctionnement

Ce dispositif très simple comporte essentiellement deux biellettes articulées entre elles qui transmettent la rotation d'un axe moteur à un axe de sortie. Le déplacement relatif des deux biellettes l'une par rapport à l'autre permet de faire varier le rapport de réduction entre les deux arbres.

La chaîne cinématique peut être décomposée comme suit:

_Le mouvement de rotation continu de l'arbre moteur (1) est transformé en mouvement oscillatoire linéaire de la biellette primaire (3).

_Le mouvement oscillatoire linéaire de la biellette primaire est transformé en un mouvement oscillatoire rotatif de la biellette secondaire (7).

_Le mouvement oscillatoire rotatif de la biellette secondaire est transformé en un mouvement rotatif continu de I' arbre secondaire grâce à une commande d’avance alternative (roue libre – 8,11,12).

_ Le déplacement de position de la biellette primaire par rapport à l'axe secondaire permet de faire varier l'amplitude du mouvement oscillatoire rotatif de la biellette secondaire et ainsi la vitesse de sortie de l'axe secondaire.

Lorsque la crémaillère (9) positionne le support mobile (10) loin de l'axe de sortie, la biellette secondaire sera animée d'un mouvement oscillatoire de faible amplitude mais d'un couple important. (L’effet de levier est important).La rotation de la roue de sortie sera lente avec un couple fort. Au contraire lorsque le support mobile est proche de l'axe de sortie, la biellette secondaire sera animée d'un mouvement oscillatoire de grande amplitude avec un

Analyse cinématique du mécanisme

Graphe des liaisons du système en position réglée pour une vitesse :

Calcul de l’isostatisme :

6x4 – 5x3 – 5 – 2 –1 = h + 1 -> h = 24 – 23 – 1 h = 0

Graphe des liaisons du système de réglage :

Calcul de l’isostatisme :

6x2 – 5x2 – 1 = h + 1 -> h = 12 – 10 – 1 – 1 h = 0

Schéma cinématique du système réglé :

Schéma du mécanisme dans 2 positions extrêmes

Vitesse de sortie faible

Vitesse de sortie élevée

b.

Exemple d’utilisation

Lorsque la bielle primaire est très écartée de l'axe secondaire l’amplitude d'oscillation de la bielle secondaire est de 6° pour chaque tour de l'axe moteur réalisé.

Ce système est utilisable pour des véhicules de faible puissance mus par des moteurs à explosion tels que cyclomoteurs, motocyclettes, voiturettes. Il remplacera avantageusement le variateur à courroie.

Ce système n’est presque pas utilisé dans l’industrie.

Système 2 :

a.

Principe de fonctionnement

La rotation de l’arbre moteur (E) entraîne la rotation de l’excentrique (1) ce qui met en mouvement oscillatoire linéaire la pièce 2 partiellement bridée par la biellette primaire (3) et entraîne un mouvement oscillatoire linéaire de la biellette secondaire (4) qui entraîne à son tour l’arbre de sortie (S) en rotation continu grâce à une commande d’avance alternative (roue libre – 5).

Le déplacement du point d’attache (C) de la biellette primaire modifie l’amplitude des oscillations de la biellette secondaire et donc la vitesse de rotation de l’arbre de sortie.

La variation de vitesse s’effectue à puissance constante.

Le déplacement du point d’attache (C) est obtenu grâce à un levier. Le déplacement angulaire de ce levier n’est pas exactement proportionnel à la vitesse de sortie.

La loi suivie est représentée par le graphique :

b.

Applications industrielles

Dans les variateurs commercialisés, il y a 4 de ces systèmes afin de garantir la continuité de la rotation de l’arbre de sortie. L’arbre de sortie reçoit en permanence de la puissance provenant d’au moins un de ces systèmes.

Caractéristiques :

 Vitesses d’entrée : de 0 à 2 000 tr/min

 Puissance transmissible : jusqu’à 1.1 kW

 Plage de variation : de 0 à ¼ de la vitesse d’entrée Avantages :

 vitesse précise (moins de 1%)

 démarrage depuis une vitesse nulle

 changement de vitesse rapide

 réglage de la vitesse en marche ou à l’arrêt

 bloc étanche

 encombrement réduit Inconvénients :

3^ième Année 2003/2004

 1 sens de rotation

 faibles puissances transmissibles Utilisations typiques :

 Agriculture : semoir, machine à planter, séchoir, distributeurs d’engrais, arroseur mobile.

 Alimentation : commande de distributeur, transporteur, machine à trancher, empaqueteuse.

 Emballage : marqueur, distributeur de colle, distributeur de peinture ;

 Impression : alimentation de papier, rouleau encreur, couteaux, dérouleur de papier, enrouleur.

 Laboratoire : pompe doseuse, agitateur, doseur, distributeur, transporteur, machine à cachets, à ampoules.

 Textile : métier à tisser, machine à coudre, machine à couper, sécheur, bobinoir.

IV) Variateurs de vitesses hydrauliques

a.

Variateur de vitesse hydrostatiques

Une chaîne de transmission de puissance hydrostatique avec variation de vitesse comporte essentiellement (sans citer les organes annexes) : une pompe hydraulique entraînée en rotation à vitesse constante par un moteur (thermique, électrique, hydraulique... ). Cette pompe est ou non, à cylindrée variable

Les différentes configurations d'installation sont proposées figure 3.9.

La variation de vitesse est obtenue:

- fig. a : avec une pompe à débit variable alimentant un moteur hydraulique à cylindrée constante

- fig. b : avec une pompe à débit constant alimentant un moteur hydraulique à cylindrée variable

- fig. c : avec une pompe à débit variable alimentant un moteur hydraulique à cylindre variable

Dans les installations comportant deux sens de flux, l’inversion du sens de rotation du récepteur est permise sans inversion du sens de marche pour le moteur entraînant la pompe.

La puissance transmise est directement conditionnée par la pression p du fluide et son débit volumique q. Le rapport de transmission k = w /w s’établit facilement en exprimant le

Soit encore

D’où

V1 : cylindrée de la pompe, en m³/tr.

V2 : cylindrée du moteur, en m³/tr.

Ce mode de variation de vitesse offre une grande plage d’utilisation. Le fluide en mouvement à l’intérieur du circuit hydraulique porte souvent le nom d’" arbre hydraulique".

b.

Variateur de vitesse hydrodynamiques

Principe de fonctionnement du coupleur hydrodynamique :

Le coupleur hydrodynamique fonctionne selon le principe de Föttinger. Il se compose pour l’essentiel de deux roues à aubages, la roue pompe située sur l’arbre d’entrée (primaire) et la roue turbine solidaire de l’arbre de sortie (secondaire), et d’une enveloppe extérieure. Les deux roues à aubages sont disposées face à face. Le couple est transmis pratiquement sans usure, étant donné qu’il n’y a aucun contact mécanique entre les éléments qui le transmettent.

L’énergie mécanique du moteur est transformée en énergie cinétique du fluide de fonctionnement dans la roue pompe. Cette énergie cinétique est à nouveau transformée en énergie mécanique dans la roue turbine. En fonctionnement, trois états doivent être considérés :

Roue pompe

Roue turbine

2 1

2 2 . 2 w 1 . V w V



 ^

2 1 1 12 2

V V

k    

Etat stationnaire :

La totalité du fluide de fonctionnement dans le coupleur est statique

Démarrage :

La roue pompe accélère, à mesure que le régime du moteur augmente, de sorte que le fluide est mis en rotation dans la chambre de travail. La force centrifuge envoie le fluide dans la roue turbine du coupleur et lui implique un mouvement de rotation. L’évolution du couple pendant la phase de démarrage suit la courbe caractéristique du coupleur.

Fonctionnement nominal :

En raison de la faible différence de vitesse entre la roue pompe et la roue turbine, on obtient dans le coupleur un flux constant. Seul le couple demandé par la machine est transmis.

Remarque : la disposition judicieuse des chambres de compensation, telles que la chambre de retardement et l’enveloppe de la chambre annulaire, permet de modifier les performances de démarrage du coupleur.

Principe de variation de vitesse d’un coupleur hydrodynamique :

La vitesse de sortie du coupleur dépend du remplissage en huile dans la chambre de travail, déterminée par la position radiale de l’écope. La commande de celle-ci est effectuée soit par une servocommande qui peut être raccordée à une régulation.

Le temps de variation obtenu est très court car le débit que peut absorber l’écope est bien plus important que celui de la pompe.

1 roue primaire 2 roue secondaire 3 enveloppe 4 carter d’écope 5 réservoir d’huile

6 pompe de recirculation d’huile

7 écope

Commande de l’écope

Glissement :

On définit le glissement g% par la relation entre la vitesse de l’arbre d’entrée et la vitesse de l’arbre de sortie.

Le glissement est d’autant plus grand que le volume d’huile est peu important. Le rapport de transmission peut alors s’écrire :

L’énergie calorifique due au glissement est évacuée par un échangeur thermique si le refroidissement obtenu dans le coupleur est insuffisant.

Domaines d’utilisation :

En raison de leur grande taille et des grosses puissances qu’ils sont capables de transmettre, les coupleurs hydrodynamiques de régulation sont principalement utilisés dans les domaines industriels suivants :

 Chantiers navals

 Sidérurgie

 Industrie des matières premières Convoyeurs de manutention

 Exploitations minières

Technique des traitements

 Industrie chimique Pompes Ventilateurs Mélangeurs Centrifugeuses

 Centrales thermiques de chauffage Pompes de circulation

 Centrales énergétiques Ventilateurs Pompes

 Industrie pétrochimique

1 2

100

1





   g

1 100

1 2 12

k    g





Différents types de coupleurs hydrodynamiques :

Il existe de nombreux types de coupleurs hydrodynamiques qui différent par la disposition des principaux éléments constitutifs du coupleurs. Pour chaque type de coupleur, plusieurs modèles sont proposés, afin de couvrir plusieurs plages de vitesse de fonctionnement ainsi que plusieurs plages de puissance sur l’arbre primaire.

Gamme Voith Turbo de coupleurs hydrauliques de régulation :

Coupleur de type SVL

Coupleur de type SVN

Coupleur de type SVNL

Coupleur de type SVNL Vertical

Coupleur de type SVNK

Coupleur de type SVTL Coupleur de régulation à eau :

Le fluide utilisé peut être de l’eau, comme ici pour ce coupleur de type SVTW ci-dessous.

Choix d’un coupleur :

La puissance et la vitesse du moteur d’entraînement sont les facteurs qui conditionnent la détermination d’un coupleur. A l’aide de ces éléments, on peut directement sélectionner la taille nécessaire du coupleur, en utilisant les diagrammes de sélection ci-dessous.

Coupleur de type SVL

Coupleur de type SVN

Coupleur de type SVNL

Coupleur de type SVNL Vertical

Coupleur de type SVNLG

Coupleur de type SVTL

Coupleur de type SVTW

Conclusion

Le choix d’un variateur de vitesse mécanique peut être réalisé à partir de différents critères plus ou moins importants selon l’application, tels que :

 la plage de vitesse

 la plage de puissance transmissible

 l’encombrement

 le prix

 la qualité de protection

Néanmoins, il faut souligner que même si les variateurs de vitesse mécaniques sont de plus en plus remplacés par des variateurs électriques, certaines applications nécessiteront toujours l’emploi des premiers.

Enfin, au cours d’une réalisation nécessitant le choix d’un variateur mécanique de vitesse, il est conseillable de se procurer les documentations constructeurs très précises telles que celles qui nous ont permis de réaliser ce dossier.