Treuils vapeurs

Les treuils à engrenages ont constitué une avancée technologique considérable. Il était possible désormais de soulever couramment des charges de plusieurs tonnes avec deux ouvriers qui exerçaient une force ne dépassant pas 15 à 20 kg par manivelle.

Ci après, application à une grue légère

Sur l'image suivante on voit une grue à treuil manuel particulièrement étudiée. La gravure, qui est précise, montre les composants mécaniques principaux.

Une nouvelle avancée allait voir le jour en utilisant l'assistance des moteurs à vapeur, ouvrant ainsi la voie aux grues et aux pelles mécaniques. Sans ces machines le développement économique du XIX ème siècle n'aurait clairement pas pu être ce que nous en connaissons. Mais c'est une autre histoire. Dans la foulée, les treuils traditionnels à bras se virent aussi offrir des dispositifs d'assistance à vapeur. Les mesures montraient que de tels treuils avec assistance faisaient l'ouvrage de 6 personneset ceci sans discontinuer, rentabilisant l'investissement en quelques mois si de la vapeur était disponible.

Petit treuil de batellerie de rivière avec assistance vapeur

On voit ci-dessous un exemple de treuil avec assistance vapeur ainsi qu'un monte-charge, à commande déportée. Ce sont des moteurs oscillants qui étaient utilisés.

Grue Derrick à pivot. Ces grues étaient facilement démontables pour suivre les chantiers itinérants.Le bâti et la flèche étaient souvent réalisés avec les moyens locaux en charpente traditionnelle.

Monte charge d'entrepôtLes moteurs, en charge, à pleine vapeur tournent à 100 trs/mn. Le tambour qui reçoit la chaîne a un diamètre de 200mm environ. Un pignon débrayable est prévu pour réduire la vitesse ou augmenter la capacité de traction. Une tige de renvoi manoeuvrable à chaque étape commande levée, descente, arrêt.

On voit la disposition de ce type de treuil sur la gravure ci-dessus. En 1877 les règles d'urbanisme me semblent plus tolérantes qu'aujourd'hui.Extrait du tarif du fabricant, ce sont des Livres or de 1877. cwt= centum weight= 50,8 kg environ ; 45 lbs steam = environ 3 bars ; 1 in=25,4mm

On voit ci-dessous deux plans d'un treuil à bras de facture assez classique.

Ces treuils étaient pour la plupart munis :– d'un frein, généralement à bande et à action différentielle– d'un encliquetage pour sécuriser la charge à la montée et l'immobiliser en position.

Nota : J’imaginais ces deux dispositifs comme sommaires et allant de soi, en fait il n'en est rien. Ils ont fait l'objet d'études expérimentales et de modèles de calcul théoriques. Des développements technologiques raffinés les ontfiabilisé et optimisé dès le début du XXème siècle.

Avis aux modélistes intrépides amateurs de fonderies et de pièces fines... , on voit sur les plans ci-après un treuil plus costaud qui se rapproche des treuils de grues.

Charge utile Q= 2500 kgVitesse de levée v =0,3 m/sPression vapeur aux tiroirs = 6 bars Puissance maxi. 20,4 CVCourse du piston 250 mmAlésage 150 mmnombre de tours = 140 trs/mnDiamètre de chaîne d= 22mmDiamètre de tambour D=30d= 600mm

Freinage de charge à la descenteLes dispositifs de freinage ont été extrêmement nombreux mais sur ces petits treuils c'est généralement les freins à bande, simple ou différentiel, à action manuelle ou automatique, qui étaient installés. Dans cette famille de freins, une lame d'acier entoure la jante de la poulie de frein, en fonte usinée.

Le frottement tend à entraîner la bande dans le sens de rotation tandis que la force T l'en empêche. Plus la force T est importante, plus la pression exercée par la bande sur le tambour est importante et donc, plus la composante de friction (freinage) est élevée.

Frein à bande simpleDans le frein à bande simple un des brins est fixe sur l'axe de levier

Frein à bande différentielCe frein permet une plus grande progressivité de freinage. La même force appliquée K va, selon la position du levier produire un freinage plus ou moins intense.

Rien n'était laissé au hasard, les leviers étaient calculés pour ne pas fléchir ni se voiler. Les poignées étaient optimisées pour une bonne tenue en main

Réglage des freins à bande (voir schémas)• il faut avant tout fixer le sens de rotation à la descente de la charge• le brin de bande qui s'enroule, soumis à l'effort T doit, dans un frein différentiel, toujours

être fixé au bras de levier a le plus court ; l'autre extrémité, à la sortie de la poulie devra agirsur le grand bras b parce que T agit comme résistance au mouvement du levier et t, dans une disposition correcte s'ajoutera à la pression du levier

• les extrémités de la bande de frein doivent le plus possible former un angle droit avec le brasde levier afin que l'action sur la bande commence sans retard

• l'arc d'enroulement (partie de bande en contact avec le tambour) sera le plus grand possible pour que K soit faible

• dans les freins à bande simple, l'extrémité qui sort de la poulie avec la tension la plus faible doit être attachée au levier et l'autre extrémité à l'axe d'articulation

• on veillera à équilibrer le levier pour qu'en position de repos la bande ne s'use pas prématurément par frottement continu sur le tambour

Frein à encliquetage dit « automatique »Dans ce dispositif astucieux, la poulie porte-cliquet est montée folle sur l'arbre. L'axe du cliquet est monté sur cette poulie. La roue à cliquet est solidaire de l'arbre. La bande de frein est tendue par un contre-poids dont l'effet est réglable.

• Levée de charge : La poulie de frein est arrêtée et retenue par la bande de frein. La roue à cliquet tourne alors sans engagement de cliquet

• Arrêt de la charge : la charge suspendue tente d'entraîner l'arbre en sens contraire de la montée ; les dents de la roue à cliquet se placent sous le cliquet et trouvent une résistance, puisque la poulie de frein et l'axe du cliquet qu'elle porte sont retenus par la tension de la bande de frein

• Descente de la charge : Aussitôt qu'on lève le levier de frein, le poids de la charge entraîne tout cet ensemble, maintenant devenu solidaire par encliquetage. C'est alors l'ouvrier qui assure la régularité du mouvement de descente.

Blocage de charge en position.Dans ce domaine de nombreux dispositifs se sont disputé le marché, mais c'est le système de roue à cliquet à denture extérieure qui fut le plus utilisé sur les treuils qui nous préoccupent.

La roue à cliquet est un dispositif de sécurité qui faisait aussi l'objet de calcul et d'une conception soignée. En effet la pression exercée par le cliquet est extrêmement importante, particulièrement parles effets dynamiques à chaque arrêt. Le cliquet doit exercer sa pression en fond de dent et le pied de dent doit être suffisamment massif. Le nombre de dents était compris entre 8 et 12 et toujours inférieur à 20.La roue à cliquet est conçue du plus petit diamètre possible car, si pour une roue de grand diamètre l'effort à la périphérie est plus faible, par contre sa vitesse périphérique très élevée produit des chocstrès violents (qui croissent comme le carré de la vitesse) lors des arrêts.

La position d'attaque la plus favorable du cliquet (voir schéma) se trouvera au point de contact de la tangente au cercle extérieur de la roue menée du centre d'attache du cliquet.Pour que le cliquet échappe et s'abaisse jusqu'au pied de la dent, le flanc rectiligne de la dent doit faire avec le rayon un angle qui soit supérieur à l'angle de frottement . En général vaut 15° etla hauteur des dents est de 15 à 25mm sur les treuils courants.

Treuil modèle réduit.

Il m'est venu à l'idée qu'étudier un petit treuil jouet serait une bonne idée et un passe-temps agréable, d'autant que j'ai un très bon souvenir de la grue en tôle peinte de couleurs vives que j'avaiseue pour Noël vers l'âge de 7 ans.J'ai repris, comme point de départ, les bases conceptuelles d'une grue jouet d'un article de LBSC . (A simple steam Crane- A Christmas present for the kiddies. The Model engineer – 15 octobre 1953 – p 459 à 462). Mais auparavant il convient d'assimiler quelques notions concernant les engrenages droits pour éviter de patauger.

Engrenages notions de base

Les dents d'un engrenage ont un profil particulier qui leur permettent de rouler l'une sur l'autre (et surtout pas de glisser). On utilise presque toujours le profil en développante de cercle défini par un angle (angle de pente appelé aussi angle de pression en mécanique), en général 20°. Ce type de profil n'est pas trop sensible à de petites erreurs d'entraxe.

Deux roues ne s'engrènent que si elles ont le même module « m » .

Le module est homogène, en terme d'unité, à des millimètres.

Les anglo-saxons utilisent le Diametral Pitch ; (DP)= m*25,4

Commentaire

On notera qu'il existe un nombre minimal de dents pour que 2 pignons s'engrènent sans se coincer. Cela est dû à la géométrie des dents à développante de cercle. On parle alors d'interférence des dents.

Nombre minimal de dents (pour éviter l’interférence) avec une denture à développante de cercle entre deux pignons

13 14 15 16 17

de 13 à16

de 13 à26

de 13 à45

de 13 à101

de 14 à∞

Source Internet

Le diamètre primitif est une grandeur fondamentale à partir de laquelle bon nombre d'autresparamètres seront déterminés. Pour faire simple on retiendra que dans un train d'engrenages c'est l'équivalent du diamètre de roues lisses, en contact sans glissement l'une avec l'autre, et qui tourneraient chacune à la même vitesse que l’engrenage qu'elle représente. Sur le dessin ci-dessus lediamètre primitif est noté d et a été dessiné en trait mixte.

Recherche de l'entraxe de deux engrenagesLe calcul donne une bonne approche, mais pour le réglage d'entraxe d 'engrenage, le plus simple est d'utiliser un petit gabarit de mesure parfois appelé compas d'engrenage.Ce petit gadget a un lointain cousinage avec l'outil d'horloger du nom de « compas aux engrenages ».

Le schéma ci-dessus se suffit à lui même. Simplement percer et aléser proprement les logements desaxes d'engrenages pour qu'il n'y ait pas de jeu.Pour connaître l'entraxe on rapproche les branches du compas jusqu'à ce que l'engrènement soit exact et fluide. On mesure la distance extérieure des deux axes, et on lui soustrait le demi-diamètre du premier axe et le demi-diamètre du second axe. On a la valeur de l'entraxe.

Epure du treuil

Le montage du tracé est simple car, dans le projet de modèle, les axes des arbres sont alignés. Dans le tracé que j'ai retenu, l'arbre moteur est l'axe directeur à partir duquel on construit le reste de la géométrie.

La distance entre les alésages des bagues palier va dépendre du module m et du nombre de dents z.J'ai choisi des engrenages commerciaux en module m=0,5 . Deux types de roues z1=20 dents d1=10mm et z2=80 dents d2=40mm. Compte tenu de l’arrangement des roues les entraxes sont égaux et valent a = (10+40)/2=25mm

Ensuite à partir des axes directeurs on va construire et placer les perçages dépendants comme cela est montré sur le dessin ci-après.

Bloc vapeur

Cette pièce est quelque peu difficile à visualiser dans l'espace, et demandera une bonne organisationdes perçages.

Pour s'y retrouver il faut considérer les différents cheminements.

L'inverseur met en relation les lumières qui vont vers le cylindre (plan horizontal) avec les lumières verticales qui sont en relation respectivement avec les tuyaux d'admission et d'échappement. La rotation de la valve modifie les lumières mises en relation. Sur la coupe qui suit, les 4 trous périphériques servent à fixer le bloc sur le châssis.

Maintenant, côté glace de cylindre on va retrouver les lumières par où passe la vapeur.

Ci-dessus une coupe sur un canal vapeur et sur un trou de l'inverseur. Ci dessous une coupe sur les deux canaux vapeur. Sur la droite l'admission et l'échappement.

Après perçage ces deux canaux verticaux seront bouchonnés en partie supérieure.

Volant d'inertie

Dans les treuils vapeur il n'y avait pas de volant d'inertie afin d'avoir une réponse très rapide à la commande de manœuvre. C'est une des raisons expliquant la motorisation des treuils par un bicylindre vapeur.Pour notre petit treuil animé par un monocylindre oscillant il convient de lui amener le secours d'un petit volant d'inertie.

Afin d'éviter des porte à faux un peu disgracieux on usine un alésage pour y coller ou bien y souder le pignon moteur de 20 dents.

Frein à bande

La position de distribution vapeur oblige à déporter le volant de bielle vers l'extérieur ce qui n'était pas très esthétique et s'éloignait de l'aspect compact des treuils réels. J'ai donc ajouté un frein à

bande, dont j'ignore d'ailleurs s'il sera efficace. Cette poulie et ce frein amène de la massiveté qui me plaît bien.

Vues d'ensemble

Du moment que l'on ne touche aux cotes critiques de l'épure le treuil peut être très simple, avec une commande directe d'inverseur sur la valve rotative, pas de frein à bande, un bloc moteur cylindrique, etc.

Par contre, on peut adjoindre un combiné graisseur-régulateur sur la joue droite du bâti. Le plan est donné dans la suite. On obtient ainsi un ensemble homogène et autonome sur lequel il ne reste plus qu'à brancher la vapeur. La sortie vapeur est vers le bas et l'admission sur la gauche dans le plan médian du corps du régulateur.

Je vous livre sous forme de liasse de plans le résultat de cette petite étude. Qui débouchera peut-être un jour sur un projet.

2.000ECHELLE

1.500ECHELLE

103.

5

89

84

25

25

9.5

46

30

55.5

10

R13

146.

5

6.5

78

50

150

13.8

R1.5

R3 trous alignés4

R -M21

R -M21

R-M3

1

R1.5

R1.5

13.8

13.8

R8 trous1.05

10

sur cercle

R12

16.2

4.5

16.2

4.5

70

8.8

VOIR DETAIL B

Voir frein pour cote

d'implantation

VOIR DETAIL A

3.000ECHELLE ADETAIL

3.000ECHELLE BDETAIL

5014

6.5

78

10

10

0.8

25

25 13.8

70

55

30

3 5 4

6 51 640

63

18

14

1

14 10

R2.05

R1.

55

Joue droite

Tirant

Piétement du châssis

Support de graisseur-régulateur

Trou fixationsupport graisseur

Pignon moteur 20 dents

Volant d'inertie solidaire du pignon

Volant de bielle

Tambour de frein à bande

511

9.2

33.4 388.5

7.5

1

94.3

27 40 27.5

54

9.8

R13

R2.5

R1.2

R1.5

10R1.25

134 9

17 535

32 36

5

8.5

7 5

12

DP=

10M3

4

Axe moteur

M=0.5 20 dentsDP=10 ; Dext=11

Pignon moteur

Volant de bielle motrice

Pignon moteur soudé ou collé sur volant d'inertie

25 44 14.5

83.5

6 5

DP=

406

DP=

10

5 5

10

6

8

R2

R

-M3

1.5

Second mouvement

Pignon 20/80

Arbre second mouvement

Bague d'arrêt

Bague d'arrêt

Pignon m=0.5 z=80

Pignon m=0.5 z=20collé ou soudé

72.5

5

R2.5

DP=

4012R

-M3

1.5

4

Pignon m=0.5 z=80

Touret solidaire de l'arbrePignon m=0.5 z=80

Arbre 3ème mouvement

10

6

8

42

6

34

16

2.5 2.542

47

10 10

R2.5

Touret

Palier second mouvementcollé ou pressé

5 pour arbre moteuret arbre touret

VIs blocage touretsur l'axe

Moteur oscillant double effet

R9

7

R-M

21

10

R12.5R6

25

1.5

2

30

8.8

8.8

1.6

1.8

M3

5

4

1.8

12.5

Coupe sur lumière vapeurVOIR DETAIL C

6.000ECHELLE CDETAIL

35

3

31

25

12

10

R1.0

5

M6

12

25

6

4

12

3

63

1

10

83.5

36

9

5.5

10

2

Goujon

Pivot moteurFiletage M3 aux deux extrémités

M2 sur 7.5mm environ

M2 sur 3.5mm environ

12

3

3.5

7

M3

45.5

3

M36

5.6

8

R1.5

6

3

12

R2.7 environ

R0.

3

Pas

envi

ron

1.6

Piston

Bielle motrice

Crosse de bielle

Distance tête piston - axe d'alésage de crosse D=49.1mm

Ressort de pivot

Filetage M3 auxdeux bouts

4 Lumières vapeur (double effet)

Alésage pivot moteur

Echappement

Admission

Trous bouchonnésmise en communication lumières

4 trous filetés M2 fixation sur bâti

4 trous inverseur

Bloc de distribution

18

8.8

27

1012

4.4 8.8

10

4

3

M3

M2

2

2.22

7

M4

2.5

4.4

8.8

9.17.6

Vue côté glace cylindre

Vue côté inverseur Coupe sur canal inverseur

Coupe sur échappement

Fixation sur bâti

45

3

1.6

51

18

R5.4

R3.4

R1

6.5

R -M2

1

36.5

environ 32.6

R2

40.5

2

6.5

R2

R1

R1

R2

3.5

84.2

envi

ron

7.8

2

1

Biellette de renvoi

Levier de manoeuvre

Valve rotative

VOIR DETAIL D

6.000ECHELLE DDETAIL

R1

R23

M26 10

10 2

12

4.8

30

6.5

50

8.5

1

37

R2

R0.75

R1

R0.

75

Rondelle de 3mmd° 1mm, selon besoins

Bague pivot de levier

Levier commande de frein

1.65 1.65

1.2

4.5

10

6

8

2

1.5

5

10

3

R0.8

R -M21

R15.75

0.5

4

Trou M2 inutile si bande collée ou soudée

Chape de traction du frein

Bande de frein prisedans du feuillard de 0.3 à 0.5mmTailler et ajuster en place

Pièces assemblées par brasure

HuileurBouchon huileur

Guide pointeau

Pointeau

Tuyau vapeur vive chaudière

Tuyau sortie vers distributeur

4

1.8

22.2

27.2

6

11

3.2

7

M8

7

22.2

0.8M8

6

10

M6

3.2

57

8

Ecrou selon système de plomberie retenu

M4

17.6

6

2124

30

M64

3.6

M6

3.2

6

6

42.

4

Plot pour brasure

Plot brasure sortie vapeur

Plot brasure huileur

VOIR DETAIL A

8.000ECHELLE ADETAIL

53.5

5

M4

3.3

13.510

4

1.8

M6

2.5 8

10.5

28

3

4

6

5

525

6

R1.2

36

28

R8.2 9

2.4

Sortie vapeur à braser

Guide pointeau

PointeauManivelle de pointeau

Porté conique selonmodèle plomberie