MECANISME DE TRANSMISSION DE TRACTION A DEMULTIPLICATION VARIABLE

La présente invention concerne le domaine des appareils utilisant des éléments flexibles de traction comme des câbles, des chaînes ou des courroies.

Un problème n'ayant que partiellement été résolu est celui du manque de progressivité au démarrage où des efforts importants sont nécessaires pour la mise en mouvement des parties de ces appareils et des éléments liés.

II est connu des systèmes de palans ou de moufles augmentant l'effort de traction en diminuant l'amplitude de la translation dans un rapport constant.

Il manque un système de démultiplication variable apportant une progressivité de ces efforts de démarrage en les répartissant pendant la mise en mouvement des parties des appareils.

Ce but est atteint par un mécanisme de transmission de traction par éléments

flexibles parallèles se déplaçant dans le même sens possédant une poulie où s'enroule un élément flexible mené, reliée mécaniquement à une poulie d'où se déroule un élément flexible menant, avec un rapport variable des vitesses

linéaires des éléments flexibles et un point d'ancrage à une référence fixe. Chaque élément flexible a une extrémité fixée à sa poulie respective. Pour améliorer la mise en mouvement des parties desdits appareils, il est judicieux d'avoir une vitesse d'entrée importante, celle de la translation de l'élément flexible menant, et d'obtenir une vitesse de sortie plus faible, celle de la translation de l'élément mené, et donc avec un effort de traction proportionnellement plus grand. Cela entraîne un démarrage en douceur et il convient alors de diminuer progressivement la démultiplication entre ces

vitesses pour accélérer le mouvement de sortie. Cela peut être réalisé par une transmission mécanique variable de rotation entre les poulies d'entrée et de sortie, transmission connue en soi, ou par la géométrie de cesdites poulies. En effet, une diminution du rayon instantané de la poulie d'entrée ou une augmentation du rayon instantané de la poulie de sortie engendre le même effet de diminution de la démultiplication et donc l'accélération du mouvement de sortie. Ces variations de rayon instantané peuvent être obtenues par des profils en spirale des poulies, mais également avec des poulies circulaires puisque les éléments flexibles peuvent créer cette spirale en s'y enroulant plus qu'un tour par l'addition successive de leurs épaisseurs. Cette définition de poulie en spirale par son profil ou par les épaisseurs successives de son élément flexible qui s'y enroule est similaire à celle décrite dans la demande de brevet français 05 08771 du 26/08/05 non encore publiée. On remarquera qu'une poulie dont le profil est en spirale ne peut opérer au maximum que sur un tour, par opposition à celle dont les épaisseurs successives assurent la

variation de rayon qui agit par essence sur plusieurs révolutions La démultiplication entre les vitesses linéaires amène une différence entre traction d'entrée et traction de sortie qui impose un point d'ancrage à une référence fixe où s'applique une réaction équilibrant les efforts d'entrée et de sortie, réaction parallèle à ces derniers et dans le même sens que celui d'entrée dont l'amplitude est moindre. Le moyen d'ancrage est avantageusement prévu sur le boîtier ou bâti qui supporte (contient) le mécanisme.

Dans une forme particulière de réalisation de l'invention, le rapport des vitesses linéaires des éléments flexibles atteint au moins une fois la valeur 1 , avec un alignement des éléments flexibles d'entrée et de sortie, permettant de transmettre le mouvement en prise directe avec des poulies n'ayant plus de mouvement de rotation, mais le même mouvement de translation que les éléments flexibles et que l'ensemble du mécanisme. On obtient donc une phase permanente à traction égale à la suite de la phase variable de démultiplication. Comme le mécanisme doit être ancré à une référence fixe pendant la première phase, il faut donc que cet ancrage soit débrayable ou, plus simplement, réalisé par un appui ou un accrochage à un élément flexible résistant pour encaisser la réaction, mais autorisant un déplacement dans le sens de la translation finale.

Dans le cas d'une manutention verticale, cette référence est idéalement l'extrémité d'un élément flexible de longueur appropriée dont l'autre extrémité est fixée à la structure supérieure du système de levage. Il est judicieux de permettre à cet élément flexible de réaction de conserver cette longueur

appropriée par un système de treuillage sous faible tension lié au déplacement

du mécanisme pendant la phase en prise directe, et de pouvoir le bloquer pour l'utiliser ensuite en référence fixe.

Dans une forme particulière de réalisation de l'invention, les poulies d'entrée et de sortie sont solidaires sur le même axe de rotation et au moins une des poulies est en spirale par son profil ou par les épaisseurs successives de son élément flexible, c'est-à-dire que son rayon instantané varie uniformément avec sa rotation. Les vitesses de rotation de ces poulies sont donc égales à tout moment et le rapport de démultiplication variable est assuré par la variation de

rayon instantané de l'au moins une poulie en spirale. Si la poulie menante est en spirale, l'élément flexible menant doit être fixé au point de rayon minimum et doit se dérouler de la poulie, par contre si la poulie menée est en spirale, l'élément flexible mené alors doit s'enrouler et sa fixation est également au point de rayon minimum. Il est possible d'agencer les deux poulies en spirale, pour une plus grande variation de la démultiplication. Le point d'ancrage à la référence fixe d'un tel mécanisme est alors l'axe commun des poulies.

Dans une forme particulière de réalisation, l'une des poulies est doublée d'une poulie identique avec un élément flexible correspondant parallèle et ces deux poulies sont placées symétriquement par rapport à la troisième poulie. Cette disposition entraîne un équilibre en flexion de l'axe commun, avec deux éléments flexibles parallèles de part et d'autre du troisième élément flexible. Idéalement, ce sont les éléments menés qui sont doublés car ils sont davantage sollicités du fait de la démultiplication. L'ancrage de l'axe commun est alors facilité car ne requerrant qu'une immobilisation de celui-ci dans la

direction commune des éléments flexibles et dans le sens opposé à l'effort menant, de part et d'autre de l'ensemble rigide des trois poulies. Cela est facilement réalisé par un double appui de part et d'autre de cet axe, ou par une double fixation aux extrémités de deux éléments flexibles de longueur appropriée dont les autres extrémités sont fixées à une référence fixe, qui peut être à la structure supérieure du système de levage dans le cas d'une manutention verticale.

Dans une forme particulière de réalisation, la valeur 1 de la démultiplication est

atteinte avec les trois éléments flexibles dans le même plan. Avec trois poulies solidaires en rotation, cette démultiplication de 1 se réalise lorsque les rayons instantanés ont la même valeur, valeur obtenue soit par les profils des poulies, soit par les épaisseurs successives des éléments flexibles. On obtient alors un alignement des trois éléments flexibles avec idéalement les éléments menés symétriques par rapport à l'élément menant, dans une disposition parfaitement équilibrée. La phase permanente en prise directe s'opère avec le bloc des trois poulies en translation commune avec les trois éléments flexibles.

Selon un autre aspect, la présente invention concerne également un système de traction, notamment de levage, comprenant un élément flexible apte à transmettre une traction à un objet, dont la force de traction est transmise audit objet via un mécanisme de transmission de traction tel que défini ci-dessus, fixé à l'élément flexible du système de traction. Typiquement, l'élément menant du mécanisme de transmission de traction est solidement fixé (couplé) à l'élément

flexible du système de traction et l'élément menant du mécanisme est

solidement fixé (couplé) à l'objet sur lequel la traction doit être exercée, éventuellement au moyen d'un flexible ou barre de traction intermédiaire.

D'autres particularités et caractéristiques de l'invention ressortiront de la description détaillée de quelques modes de réalisation avantageux présentés ci-dessous, à titre d'illustration, en se référant aux dessins annexés. Ceux-ci montrent:

FIG.1 : un schéma de principe d'une première variante de l'invention utilisant des poulies en spirales, dans la configuration de départ ; FIG.2: variante de la Fig.1 en configuration de prise directe ;

FIG.3: un schéma de principe d'une seconde variante de l'invention utilisant un engrenage en spirale, dans la position de départ.

La présente invention trouve application dans le domaine des appareils utilisant des éléments flexibles de traction comme des câbles, des chaînes ou des courroies. C'est par exemple le cas des appareils de levage et manutention du type grue, qui permettent le levage d'une charge au moyen d'un câble métallique.

Un démarrage en douceur est essentiel pour la sécurité et la longévité de tout mécanisme et cela est encore plus vrai en manutention.

Le mécanisme selon l'invention vise à faciliter le levage d'une charge à l'aide d'un tel appareil de levage vertical.

Selon un mode de réalisation, l'invention propose un mécanisme de transmission de traction par éléments flexibles parallèles et se déplaçant dans le même sens qui un opère initialement selon un mode transitoire où le mouvement de traction est démultiplié pour faciliter le démarrage, puis atteint

un mode en prise directe. Le mécanisme comprend :

une poulie où s'enroule un élément flexible mené ;

une poulie d'où se déroule un élément flexible menant ;

le mécanisme est conçu de sorte que les poulies sont mécaniquement liées avec initialement un rapport variable des vitesses linéaires, jusqu'à atteindre un point de fonctionnement où les poulies n'ont plus de mouvement de rotation et transmettent le mouvement en prise directe, le rapport des vitesses linéaires des éléments flexibles atteignant la valeur 1 ;

le mécanisme comprend un point d'ancrage, par exemple sur son bâti, permettant son ancrage à une référence fixe pendant la phase initiale.

Ce mécanisme indépendant s'insère dans le câble de traction de l'appareil de levage, et requiert simplement un lien à une référence fixe pendant la phase

initiale, au moyen de l'ancrage. Ainsi, l'élément flexible menant est par exemple lié à une extrémité libre du câble de traction de l'appareil de levage et l'élément flexible mené peut être directement fixé à la charge à lever, ou par un câble intermédiaire. Les extrémités libres (opposées aux extrémités fixées aux

poulies) des éléments flexibles menant et mené peuvent bien entendu être munie de moyens d'accrochage ou d'accouplement pour être fixées à la charge ou à un autre élément flexible.

De par la conception du mécanisme, la mise en mouvement de la charge sera initialement démultipliée, en raison des vitesses variables entre les poulies. Cette démultiplication initiale permet un levage avec une traction de démarrage améliorée. Puis le mécanisme va atteindre un point de fonctionnement en prise directe, où les poulies ne sont plus en mouvement et les éléments flexibles menant et menés se déplaceront à la même vitesse.

Le mécanisme selon l'invention permet ainsi une meilleure exploitation des tractions de démarrage, et donc des couples de la motorisation, ce qui autorise en plus un downsizing conséquent, et des économies d'énergie.

L'idée est donc d'intercaler le mécanisme dans un câblage de levage, de sorte que la force exercée par l'appareil de levage, par ex. via son moteur, sur l'élément flexible menant pour lever la charge soit dans une première phase démultipliée par le mécanisme, entraînant un levage moins rapide mais avec une traction supérieure de la charge par l'élément mené.

Lorsque le mécanisme atteint le point de fonctionnement en prise directe, les poulies des flexibles menant et menés ne sont plus en rotation et la force de traction est simplement transmise entre l'amont et l'aval du mécanisme. Le mécanisme se déplace donc avec, et à la même vitesse, que le câblage de traction de l'appareil de levage dans lequel il est monté.

II est à noter que la démultiplication entre les vitesses linéaires, pendant la phase transitoire initiale, amène une différence entre traction d'entrée et traction de sortie du mécanisme, et impose donc un moyen d'ancrage à une référence fixe où s'applique une réaction équilibrant les efforts d'entrée et de sortie.

Les figures 1 et 2 représentent un ensemble de trois poulies en spirale, une grande poulie menante 1 , encadrée par deux petites poulies menées 2 et 3 identiques et symétriques par rapport à la première. Ces trois poulies sont montées solidaires en rotation sur l'axe 4 et porte deux éléments flexibles menés 5 et 6 fixés respectivement au plus petit rayon des poulies menées et un élément flexible menant 7 fixé au plus petit rayon de la poulie menante. L'invention est représentée dans le cas d'une manutention verticale avec les points d'ancrage aux extrémités de l'axe 4 fixés à des éléments flexibles de longueur appropriée attachés à la structure supérieure non représentée du système de levage. Ces références fixes sont symbolisées par leurs réactions sous la forme des flèches 8 et 9. La figure 1 décrit la position de départ de la phase variable avec la démultiplication maximale. Toutes les poulies ont un rapport de 2,5 entre rayon maxi et rayon mini et l'effort de levage est donc au départ 6,25 fois plus faible, le carré de 2,5. Pour utiliser au mieux la rotation de ces poulies sur la totalité d'un tour de révolution, le rayon minimum de la grande poulie a la même valeur que le rayon maximum des petites poulies, ce qui donne une réduction de 1 à la fin d'un tour complet. La charge à soulever, par exemple 50 kg, se répartit en deux efforts égaux de 25 kg le long des éléments 5 et 6 et s'équilibrent en couple de rotation avec une traction de 8 kg sur

l'élément 7. Les réactions prennent alors les valeurs de 21 kg portées par 8 et 9. Les poulies vont alors tourner dans le sens horaire et la traction va alors augmenter pour atteindre la valeur de la charge à soulever après un tour de rotation. On obtient alors la position représentée par la figure 2 avec une traction de 50 kg le long de l'élément 7, équilibrant la charge, les réactions de la référence fixe deviennent nulles et l'ensemble poulies-axe est donc libre de se déplacer en prise directe vers le haut avec une translation de l'ensemble du mécanisme.

Dans une forme particulière de réalisation de l'invention, un dispositif permet de

revenir de la position en prise directe à une position démultipliée sans déplacement de l'élément flexible mené. Au cours du fonctionnement en prise

directe, l'ancrage doit être désactivé pour permettre la translation de l'ensemble du mécanisme. Pour revenir à une position démultipliée, il est nécessaire de réactiver ledit ancrage à une nouvelle position de référence. Cela peut être réalisé par tout système connu en soi ou comme décrit précédemment, par une

référence constituée par l'extrémité d'un élément flexible de longueur appropriée fixé à une partie fixe, ou à la structure supérieure du système de levage dans le cas d'une manutention verticale. Pour rendre possible la rotation interne des poulies avec l'élément flexible mené immobile, il faut soulager l'élément flexible menant qui fournissait l'intégralité de la traction pour permettre au point d'ancrage d'encaisser un effort de réaction croissant. Le mécanisme va donc se déplacer dans le sens de la traction menante et de la force de réaction et une cinématique appropriée entre les poulies et le point d'ancrage doit

assurer l'immobilité de l'élément flexible menée. Le point d'ancrage doit donc se déplacer par rapport à la référence fixe de telle sorte que l'élément mené reste immobile. La cinématique qui assure les mouvements relatifs est identique à chaque redémarrage et peut être réalisée par une transmission mécanique variable utilisant des engrenages non circulaires, des poulies non circulaires, par un système géré électroniquement ou par tout autre système connu en soi. Une méthode de réalisation simple consiste à relier un second point d'ancrage à l'extrémité d'un autre élément flexible qui s'enroule sur la même poulie d'où se déroule l'élément flexible mené. Le mouvement composé de l'élément flexible mené est donc nul à tout instant, car somme de deux mouvements opposés. Le seul travail à fournir pour cette opération vient des frictions et des inerties, donc reste faible. Il peut être fourni par une source extérieure, ou récupéré en laissant se déplacer l'élément mené sous tension d'une faible

distance.

Cette opération prend tout son sens en manutention verticale pour une reprise

de charge, c'est-à-dire le redémarrage d'un treuillage après un arrêt, phase où les efforts de redémarrage sont les plus importants car toute la chaîne de transmission est restée sous contrainte. Pendant la phase en prise directe suivant un démarrage, l'absence d'effort dans les éléments flexibles de réaction permet à un éventuel système de treuillage sous faible de tension de se repositionner à la position de départ de cette manœuvre de préparation au redémarrage.

La Fig.3 illustre de manière schématique une autre variante 110 du mécanisme selon l'invention. Il comprend une poulie 112 d'où se déroule un élément

flexible menant 114 et une poulie 116 où s'enroule un élément flexible mené 118. Les poulies 112 et 116 sont liées par un engrenage avec des pignons en spirale 120 et 122 de sorte à ce qu'il existe une démultiplication décroissante de l'effort qui conduit à des vitesses différentes des éléments flexibles menant 114 et mené 118.

La traction sur l'élément menant 114 provoque le déroulement de ce dernier et donc la rotation de la poulie 112 et également du pignon en spirale supérieur

120 auquel elle est couplée (solidaire en rotation). Cela entraîne la rotation du pignon en spirale inférieur 122 et de la poulie 116 y couplée, et donc l'enroulement de l'élément flexible mené 118.

Pendant cette phase, l'élément flexible mené 118 se déplace à une vitesse inférieure à celle de l'élément flexible menant 114, ce qui permet une levée en douceur de la charge 123, nécessitant un effort de traction proportionnellement

moindre.

Dans la présente variante le dimensionnement de l'engrenage en spirale et des poulies (1 ,8 / 1 ,5) est tel qu'avant la discontinuité des engrenages en spirale, on atteint un point où la vitesse des éléments menant et mené est identique, et donc également leurs efforts de traction. Les poulies et engrenages s'arrêtent alors de tourner. On atteint donc une configuration en prise directe.

Dans l'exécution de la Fig.3, deux types d'ancrages possibles sont illustrés. On l'aura compris, l'ancrage est requis pour équilibrer les efforts d'entrée et de sortie appliqués par les éléments flexibles. Dans une telle configuration, la réaction est parallèle aux efforts d'entrée et sortie et dans le même sens que celui d'entrée dont l'amplitude est moindre (égale à la différence).

Cette réaction peut être reprise de deux manières différentes illustrées sur la Fig.3 :

(1) Deux points d'ancrage 124 sont prévus en partie supérieure du boitier/bâti 126 qui supporte les poulies et engrenage, et sont reliés à des câbles 128 attachés à une référence fixe, par ex. le bras de l'appareil de levage (non montré). La force de traction pour le levage est transmise par l'appareil de levage via son câble de traction représenté par le câble 130 dont une extrémité est reliée au flexible menant 114 et l'autre peut être enroulée sur un tambour 132 commandé par un moteur électrique.

En phase transitoire initiale, ces câbles 128 fournissent la réaction (matérialisée par les deux flèches) requise pour l'équilibrage des forces de traction alors que le câble 130 exerce la force de traction/levage.

En prise directe, le mécanisme 110 va monter sous l'effort du câble de traction et les câbles 128 vont se détendre.

(2) L'autre possibilité consiste simplement à disposer le mécanisme 110 sur deux cales 140 reliées par ex. au sol. Pendant la phase transitoire, la réaction sera fournie par les deux cales 140 dans ce cas à deux points d'ancrage

inférieurs sur le boîtier du mécanisme 110. A nouveau, deux flèches matérialisent la réaction fournie par les cales. En prise directe, le mécanisme se soulèvera en se dégageant de cette référence fixe.

Il est bien entendu que d'autres modes de réalisation sont possibles sans sortir du cadre de la protection de la présente invention.