CHAPITRE I

Li:S RÉGULATEURS- VOLANTS

La création, relativement récente, de machines à vapeur possédant une allure très rapide et destinées principalement à conduire des dynamos a occasionné l'apparition d'un type particulier de régulateurs, portant directement l'excentrique de distribution. Ces appareils sont montés h l'intérieur du volant principal ou d'un volant auxiliaire et peuvent être désignés sous le nom de régulateurs-volants. On les appelle aussi quelquefois régulateurs américains, parce que c'est en Amérique qu'ils ont reçu leur consécration définitive. Quelques auteurs leur donnent le nom de régulateurs directs; mais le terme action directe est déjà employé ainsi que nous le savons, dans un tout autre sens.

Rien de plus dissemblable, à première vue, que le moderne régulateur- volant et le classique régulateur de Watt. Pourtant l'un dérive de l'autre à la suite d'une lente évolution dont nous allons rappeler en deux mots les phases successives.

Le régulateur de Watt tire toute sa puissance de l'action delà pesanteur, ce qui oblige h placer son axe verticalement. Cette puissance est d'ailleurs très faible, parce que le poids des boules intervient h peu près seul pour équilibrer la force centrifuge. Il faut donc donner à l'appareil de grandes dimensions, qui le rendent encombrant. Déplus, la position des boules ne varie que lentement en fonction de la vitesse, et une longue course du manchon est nécessaire pour l'aire passer la valve de l'ouverture en grand à la fermeture : ces deux circonstances éloignent beaucoup de Tisochronisme, mais, par contre, elles assurent au régulateur de Watt une grande stabilité. En donnant au manchon une masse considérable, Porter a augmenté beaucoup la puissance; il a fallu seulement accroître en même temps la vitesse de rotation.

Un progrès fondamental a été marqué le jour où l'élasticité d'un ou plusieurs ressorts a été appelée à suppléer, ou même à remplacer, l'action de la pesanteur. Les ressorts ont, avons-nous dit, l'avantage de fournir, sous un petit volume, une puissance considérable; en outre, ils marchent a peu près indifféremment dans toutes les positions et permettent ainsi de disposer horizontalement Taxe du régulateur. Enfin, ils se prêtent très bien à la variation de la vitesse de régime, par un simple serrage ou desserrage de vis. Aux nombreux régulateurs a ressorts décrits dans la première section nous ajouterons ici celui que Porter fit breveter en 1861 et que représente la tig. 166. L'axe est horizontal. La force centrifuge des boules est équilibrée par un ressort central en hélice qui, à l'état de repos, possède une tension initiale calculée de façon à réaliser sensiblement Tisochronisme. La régularisation est faite par une valve d'étranglement.

Si nous parlons spécialement de ce dispositif, c'est parce que M. Porter lui-même a voulu dernièrement l'invoquer comme un titre de paternité concernant l'invention des régulateurs-volants* Voici en effet ce que nous lisons dans Engineering Neivs and american raihvay journal ft la date de mars 1898 :

o II y a quelques mois, dans une réunion d'ingénieurs à New- York, à laquelle assistait un rédacteur du journal, la conversation se porta sur les régulateurs de machines à vapeur. M, Charles-T. Porter, le vétéran des ingénieurs, bien connu comme inventeur

gw^jy— ^

du régulateur Porter à masse centrale, et l'un des inventeurs de l'appareil Porter- Allen, assistait à la réunion, et quelqu'un lui demanda : « Quel est le premier inventeur du régulateur dans le volant, employé maintenant pour les machines à grande vitesse?

Fig. 166. — Régulateur Porter.

— Mais, répondit-il, je pense que c'est moi ». Et il raconta qu'il avait fuit breveter en 1861 un régulateur à axe horizontal, etc. »

Fig. 167. — Régulateur Cusler.

Fig. 168, — Régulateur Bobct/ ci Rich&rd&oti.

La suite de cette exposé montrera jusqu'à quel point est fondée la prétention de M. Porter.

Ces diverses modifications laissaient intact le principe de Watt, consistant à équilibrer certaines forces données (pesanteur, tension des ressorts) par la force centrifuge développée dans un mouvement de rotation.

Au chapitre des régulateurs d'inertie, nous avons vu comment la force centrifuge peut

se combiner dans une mesure variable à volonté avec l'inertie tangentielle qui offre l'avantHge d'une intervention immédiate. D'après un article publié par le professeur Carpenter, en 1898, dans le Power de New-York, un brevet pris en juin 1839 par J.-D. Custer, présenterait déjà l'application de l'inertie tangentielle à la construction d'un véritable régulateur volant, servant, comme ceux qu'on construit de nos jours, à manœuvrer directement

Fi*;. 108 hin. — Régulali'iir Robey et Fiichardson.

Fig. 169. — Régulateur Woodbury.

l'excentrique de distribution. L'appareil était évidemment peu pratique : trop compliqué et établi de manière à annihiler presque entièrement la force centrifuge, il ne pouvait dotiner des résultats satisfaisants. On doit néanmoins s'étonner de voir apparaître à une époque

Fie. 170. —'Régulateur Ilartnell et Guthrie.

aussi lointaine le germe d'une invention dessinée a prendre un demi-siècle plus tard un brillant développement. La fig. 167 représente le régulateur Custer.

Dans le régulateur breveté en 18b*9, en Angleterre, par Robey et Richardson, on voit, pour la première l'ois, h ma connaissance, reparaître la manœuvre directe de l'excentrique, La fig, 168 fait comprendre le principe de l'appareil. L'excentrique E présente une fente rectangulaire AB qui embrasse une partie équarrie de l'arbre et permet ainsi le déplace-

ment transversal de cet excentrique. Le manchon M porte une lame LL' en forme de parallélogramme. Quand cette lame monte ou descend avec le manchon, ses bords obliques appuient contre les petits côtés du rectangle AB et provoquent ainsi le déplacement de l'excentrique. Malheureusement, le frottement de la lame contre les bords de la rainure rend le fonctionnement assez défectueux.

La fig. 168 bis donne une vue d'ensemble du régulateur dont il s'agit.

En 1870, l'Américain Wpodbury fit breveter un régulateur dans le volant (fig. 169) présentant l'ensemble des dispositions qui caractérisent aujourd'hui les régulateurs américains : masses mobiles dans un plan perpendiculaire à l'axe, rappelées par des ressorts et manœuvrant directement l'excentrique. Les ressorts étaient spiraux et portaient eux-mêmes les masses mobiles. Cet appareil ne semble pas avoir été mis en pratique.

Bientôt après, MM. Hartnell et Guthrie imaginèrent en Angleterre un régulateur qui fut appliqué en 1 872 sur une machine figurant à l'exposition de Cardiff.

Nous empruntons à M. Hartnell lui-même (communication faite en 1882 à Y Institution of mechanical Engineers) la description de son appareil (fig. 170).

Les boules B, B sont portées par des leviers oscillants autour des centres C, C. Ces leviers sont réunis au moyen d'une barre DD sur laquelle agit le ressort E. L'excentrique F est relié à un support G qui peut osciller autour du centre H. Sur l'un des leviers portant les boules est calé un bras K, mobile autour du même centre C et terminé par une pièce I en forme d'arc de cercle, qu'on appelle le quadrant. Celui-ci sert de guide à un étrier J porté par

Fig. 171, 171 bi$ y 171 ter. — Hégulutcur H&rtitvtl,

l'excentrique. Le quadrant a son centre à une petite distance du point C, de telle façon qu'en tournant autour de C, il oblige l'excentrique a tourner autour de H ; mais l'effet inverse est impossible parce que la rota-ion de F autour de H déplacerait J presque perpendiculairement au quadrant, ce qui donne lieu a un arcboutement. Lkcornu. — Régulateurs des machines à vapeur.

Le fonctionnement est facile a comprendre : quand les boules s'écartent sous Faction de la force centrifuge, elles compriment le ressort antagoniste E et font tourner le quadrant. Celui-ci, à son tout, fait tourner la pièce G autour de H, ce qui diminue Texcen-

Fig. 172.

trîutc et réduit par conséquent la course du tiroir. La résistance du tiroir tend alternativement à faire osciller In pièce G dans un sens ou dans l'autre ; mais cet effort, d'après ce qui vient d'être dit, ne se transmet pas au régulateur; il est supporté uniquement par le volant. Pour réduire autant que possible la course de l'excentrique, on le fait agir sur un tiroir auxiliaire, à persiennes, placé sur le dos du tiroir principal.

Pour les petites machines de 8 à 10 chevaux au maximum, M, Ilartnell préfère , dans un but de simplicité, n'employer qu'en seul tiroir. Le régulateur est logé dans une boîte de 45 centimètres de diamètre ; il est établi de façon h utiliser tout l'espace disponible. La fig. 171 correspond à Fécartement maximun des masses, et la %. 171 his, à l'écartement minimum. B, B sont les masses; C, G leurs axes d'oscillation; D la barre d'accouplement; E, E les ressorts, au nombre de deux ; F, l'excentrique, porté par la pièce G qui peut osciller autour de Taxe H ; I, le quadrant porté par le bras K. Ce quadrant est fixé à Tune des masses B (celle qui occupe la partie supérieure des figures) par deux points d'attache Let N. Quand les masses se déplacent, le quadrant fait marcher, comme dans le cas précédent, Fétrier J, ce qui oblige la pièce G et l'excentrique F à osciller autour de IL

L'appareil est disposé de façon qu'on puisse, au repos, renverser le sens de la marche. A cet effet on desserre une vis placée en N, et Ton fait tourner le quadrant autour du second point d'attache L, jusqu'à ce que la vis N occupe l'autre extrémité de la rainure k visible sur la fig 171, puis on resserre la vis N. Cette opération très simple a pour effet de changer le sens de l'angle de calage de l'excentrique.

M. Hartnell indique encore une troisième forme d'appareil (fig. 172), basée toujours sur les mêmes principes, mais destinée à rendre la construction plus économique* L'excentrique est directement porté par la barre d'accouplement, et le quadrant est supprimé. L'inconvénient est que les masses ne sont plus aussi complètement soustraites aux réactions provenant du tiroir ; aussi cette combinaison ne fonclionne-t-elle bien qu'avec un arbre tournant à grande vitesse, de manière à développer des forces centrifuges de grande intensité.

La maison Westinghouse a simplifié plus tard, d'une autre manière, le régulateur Hartnell. L'excentrique est porté par une barre suspendue à la périphérie du volant, et actionnée directement par les masses centrifuges que rappellent deux ressorts en hélice.

Pour compléter cet historique, nous devons dire encore qu'en 1872 M* Hoadley, aîdé de M. Sims (qui plus tard devait collaborer à l'invention du régulateur Armington et Sims) construisit une machine pourvue d'un régulateur-volant, machine qui est devenue la propriété du Laboratoire de Mécanique de l'Université Columbia, à New- York,

A peu près à la même époque, la Compagnie américaine Buckeye commençait de son côté l'établissement d'un appareil semblable. Après quelques tâtonnements, cette Compagnie adopta définitivement, en 1876, un type très simple, dans lequel l'excentrique, sous Faction des masses centrifuges, tourne autour de Faxe du volant : c'est-à-dire qu'on change Fangle de calage sans modifier l'excentricité. Aucune précaution particulière n'est prise pour éviter la réaction du tiroir sur le régulateur. Nous reviendrons un peu plus loin sur ce point. La détente esta double tiroir : un tiroir principal de distribution, conduit par un excentrique calé sur l'arbre, et un tiroir auxiliaire, conduit par l'excentrique variable. La tige du tiroir auxiliaire passe à l'intérieur de celle du tiroîr principal.

Citons aussi le régulateur, un peu plus récent, de Grist, décrit dans V American Machinist de 1883, dans lequel au contraire on agit sur l'excentricité sans modifier sensiblement Fangle de calage. Ainsi que le montre la fig. 173, il n'y a qu*un seul ressort, à lames flexibles.

Ces quelques exemples suffisent déjà pour faire saisir la variété des solutions auxquelles on peut être conduit. Ce qu'il y a en somme de particulièrement intéressant à considérer, c'est la loi de déplacement de la poulie d'excentrique, et nous devons insister un peu sur ce point.

Considérons Fexcentrique à l'instant où le piston moteur est à lune des extrémités de sa course. Deux éléments caractérisent sa position, savoir : le distance r de son centre de figure c à son centre de rotation o, et Fangle p formé par la droite oc avec la barre

d'excentrique. Nous supposons d'ailleurs que cette barre puisse être considérée comme infinie, et que sa direction coïncide par conséquent avec celle de la tige du tiroir à laquelle elle est articulée. L'avance à l'admission dépend uniquement de la projection r cos 9 de la ligne oc sur la direction de la barre. On sait qu'il est utile de maintenir constante la

grandeur de cette avance. Un appareil qui, comme le régulateur Buckeye, modifie l'angle de calage 9 sans agir en même temps sur l'excentricité r, donne nécessairement une avance variable. 11 en est de même pour les régulateurs tels que celui de Grist, dans lesquels on fait varier l'excentricité r en conservant l'angle de calage. Avec le dispositif Hartnell on peut arriver à un résultat plus satisfaisant : car, dans le mouvement de réglage, la poulie d'excentrique oscille autour d'un centre assez éloigné pour que son déplacement puisse être considéré comme rectiligne, et si l'on a soin de placer ce centre de telle manière qu'il se trouve sur le prolongement de la barre d'excentrique au moment où le piston arrive à fin de course, on est assuré que la quantité r cos 9 ne pourra éprouver que de très faibles variations.

Une autre solution propre à donner une avance linéaire à peu près constante, a été réalisée dans le régulateur Armington et Sirns : elle consiste à employer deux poulies d'excentrique à rotations inverses. Sur l'arbre du volant est montée follement une

Fig. 173. — Régulateur Grisl.

Fig. 174. — Dispositif Armington et Sims.

première poulie de centre C (fig. 174). Une seconde poulie de centre C, forme collier par rapport à la première, et porte à son tour le collier D prolongé par la barre d'excentrique. Deux bielles AB, A'B', attachées en deux points A et A' des poulies C et C, s'articulent en et B' à l'une des masses, susceptible de tourner,' sous l'action de la force centrifuge, autour d'un point F du volant. Cette masse est rappelée, à la manière ordinaire, par un ressort (non figuré). Elle peut en outre être conjuguée, par une barre quelconque, avec une autre masse.

Imaginons que la figure corresponde à un fond de course du piston, et qu'à ce moment les quatre points 0, C, A, A', se trouvent (pour l'état moyen de régime) sur une même parallèle à la tige du tiroir. On veut que, pour une légère rotation du système FBB' autour de F, le point C éprouve un déplacement perpendiculaire à la droite AA ; , de manière à ne pas modifier l'avance linéaire à l'admission. Ce résultat sera obtenu si le

mouvement élémentaire de la poulie qui a pour centre C se réduit à une translation perpendiculaire à AA'. Or, ce mouvement résulte de deux rotations effectuées autour de O ot de G'. Pour que l'ensemble de ces rotations produise une translation perpendiculaire à la ligne des centres, il faut et il suffit, comme Ton sait, qu'elles soient égales et de signes contraires. Soit ç leur valeur commune. Admettons, pour iîxer les idées, que la rotation autour de s'effectue dans le sens du mouvement des aiguilles d une montre. Elle abaisse le point A d'une longueur OA X ? et elle élève le point B dune longueur OA' x f. La rotation contraire autour de C abaisse B d'une longueur C'A'x?, sans déplacer A. Le mouvement définitif de A' est donc un abaissement égal à OCx?, et le rapport des vitesses

OA

de A et A' doit être par suite -r^-,. D'autre part, si Ton prolonge la ligne AA' jusqu'à sa

rencontre en S avec la ligne BF, on reconnaît sans peine, en appliquant la théorie des centres instantanés de rotation, que le rapport des vitesses imprimées aux points A, A'

* * A OT7 4 An 1 FB x AS x BS

par une rotation de BF autour de G a pour valeur : f^fr, 1 , g „ e v

r r FB' x AS x BS

On est ainsi conduit à la relation :

FB x AS OA x BS FB'xA'S^ OC'xB'S'

Telle est la condition nécessaire et suffisante pour qu un déplacement élémentaire des masses centrifuges, à partir de l'état de régime, n'altère pas l'avance à l'admission.

On peut encore réaliser la constance de l'avance linéaire en dirigeant le déplacement de la poulie d'excentrique au moyen de guides convenables. Tel est le principe du régulateur français de Lecouteux et Garnier. Trois masses symétriquement disposées en trois points de la jante du volant, et pourvues chacune d'un ressort analogue à un ressort de voiture, agissent sur trois barres attachées en trois points de la poulie. Celle-ci présente un œil allongé formant glissière sur une partie méplate de l'arbre. On est assuré de cette manière que l'excentrique ne peut prendre, par rapport au volant, qu un mouvement de translation; mais il est à craindre que les frottements ne nuisent au bon fonctionnement de l'appareil.

Un point important, dans la construction des régulateurs-volants, concerne les précautions à prendre pour éviter que les efforts venant du tiroir et de sa tige ne modifient périodiquement la position de l'excentrique. Nous avons déjà vu en quoi consiste le dispositif imaginé à cet effet par MM. Hartnell et Guthrie, Pour les régulateurs, tels crue celui de Buckeye, dans lesquels l'excentrique tourne autour de l'axe du volant, l'influence perturbatrice du tiroir n'est guère h craindre. Considérons en efTet une poulie d'excentrique de rayon R, ayant pour centre de figure le point G (fig. 174 bis), et mobile autour de Taxe du volant. Si le collier exerce une pression P sur le contour, cette pression, en raison du jeu existant nécessairement entre les deux pièces, peut être regardée comme appliquée en un point unique A. Supposons que l'effort ainsi exercé déplace la poulie, et la fasse tourner dans le sens indiqué par la flèche. Il y aura glissement relatif en A, et ce

glissement développera une réaction tangentielle /"P (/"étant le coefficient de frottement), réaction opposée au mouvement. Pour que celui-ci soit impossible, il suffit que le moment de/P par rapport à soit supérieur à celui de P, ce qui conduit h l'inégalité :

/P (a cos f -J- R) > P a sin ^

dans laquelle & désigne la distance OC et ? le supplément de l'angle COA. On tire de là :

a sin 9

' * a cos <p -J- R

Cette inégalité sera vérifiée quel que soit <p, pourvu que /"soit supérieur à

On peut en conclure qu'un excentrique dont l'excentricité est inférieure au sinus de l'angle de frottement ne peut être déplacé par la pression de son collier. Lorsque l'excentrique est mobile autour d'un point éloigné, comme dans le régulateur Harnell-Guthrie, la même impossibilité n'existe pas, et c'est ce qui justifie l'emploi du quadrant, précédemment décrit. Il en est de même pour les régulateurs à guidage rectiligne, tels que celui de Lecouteux et Garnies On peut, en pareil cas, atténuer, sinon supprimer, les oscillations de la poulie d'excentrique sous l'action du tiroir, en se bornant à adapter un frein a huile. L'action du frein est d'autant plus efficace que l'arbre tourne avec une plus grande vitesse, parce que les mouvements alternatifs du tiroir se succèdent alors à très brève période. D'ailleurs la grandeur de la vitesse de rotation permet d'employer des ressorts très raides, et peu sensibles par conséquent à l'action du tiroir.

Nous terminerons le présent chapitre en décrivant rapidement quelques-uns des nombreux régulateur s- volants imaginés dans ces dernière années. Nous suivrons à peu près Tordre chronologique d'apparition, et nous nous bornerons aux inventions postérieures à 1888.

Régulateur Sweet.

Le régulateur Sweet Fonctionnait à l'Exposition de 1889, appliqué à la machine dite Strstight Une engïne. Ainsi que le montre la fig. 175, il y a une seule masse M et un seul

Fie*. t7!>. — Régulateur Suwp/,

Fig. 176. — Régulateur Berger Noël.

ressort R. Le poids de la niasse M est équilibré par celui des leviers qu'elle commande. L excentrique est mobile autour du pivot r.

Régulateur Berger Noël (1889).

L'unique masse mobile M (%• 170), en s'écartant du volant par l'effet de la force centrifuge, fait osciller un secteur denté qui communique un mouvement de rotation à une

roue dentée, concentrique au volant. Cette roue est folle sur l'arbre, et elle porte un excentrique intermédiaire dont on va voir le rôle. Le collier dudit excentrique est muni d un bras dont l'extrémité B est reliée par un pivot avec un bras tout pareil appartenant à la poulie de l'excentrique de distribution. Enfin l'excentrique de distribution porte un second bras dont l'extrémité C est articulée en un point du volant renfermant tout le système.

L'excentrique de distribution ne peut prendre, par rapport au volant, d'autre mouvement qu'une rotation autour de C, mouvement qui équivaut à une variation de l'excentricité sans changement sensible de l'angle de calage. Ce mouvement est commande par la position de B, déterminée par celle de la masse centrifuge. L'excentrique de distribution ne pourrait déplacer la masse centrifuge qu'eu faisant tourner l'excentrique auxiliaire par l'entremise de son collier ; mais une pareille action est d'autant moins a craindre ici que les deux bras pivotes en B et C sont à peu près à angle droit et que, par conséquent, la rotation de l'excentrique de distribution autour de C tend a déplacer l'extrémité B suivant un rayon du volant, déplacement évidemment impossible.

Régulateur Green (1892).

L'excentrique est porté par une pièce A (fig. 177) qui peut tourner autour de Taxe du volant et qui est équilibrée par un contrepoids C. Les masses centrifuges G G agissent

Fie. 177. — Régulateur Greeti.

sur la pièce A par l'intermédiaire de deux courtes bielles 0. A l'état de repos, ces bielles sont sensiblement dans le prolongement des tiges II portant les masses G,

Dans cette position il faut un grand déplacement des masses G pour produire un déplacement appréciable de l'excentrique. Au contraire, quand les masses sont très écartées du centre, l'excentrique devient très sensible a leurs déplacements. Cette disposition a pour objet, d'après l'inventeur, d'obtenir une régulation également rapide dans toutes les positions, tout en assurant une stabilité suffisante. Les ressorts sont attachés

™fï«3

au volant de telle manière que leurs extrémités M puissent être déplacées le long de la jante en vue de changer au besoin leur obliquité pour compenser leurs variations d'élasticité. I/appnreil est pourvu d'un frein à air R.

Régulateur Manifold (1892).

L'excentrique comprend trois parties : le collier H (fig. 178) portant, comme d'habitude, la bielle de distribution I ; i'excentrique proprement dit C, muni d'un bras J, dont