Brevet FR2505398A1 — publié le 19821112

i La présente invention concerne une machine volumétrique à pistons, du type dit "axial" ou "à barillet" Une telle machine peut Otre réalisée sous la forme d'une pompe, d'un moteur ou d'un compresseur à pistons. L'embiellage d'une machine de ce type comporte un plateau incliné ou assiette, sur lequel prennent appui les tiges des pis- tons Les pistons sont mobiles dans les alésages parallèles entre eux, répartis dans un barillet dont l'axe central est l'axe géo- métrique autour duquel tourne le plateau incliné, lequel est soli- daire de l'arbre de sortie de la machine. On sait que l'embiellage de ce type de machine pose un pro- blème de rendement mécanique lorsqu'il s'agit de moteurs, c'est- à-dire lorsque la poussée des pistons tend à entrafner en rota- tion l'arbre de sortie. Le brevet français 2 194 226 décrit une machine volumétri- que axiale, dont les cylindres ont leurs axes parallèles, équi- distant E entre eux et équidistants d'un axe central Cette machi- ne constitue par exemple, un moteur thermique à barillet La re- vendication essentielle porte sur le montage de l'assiette et particulièrement sur la conception de son pivot à frottement quasi nul, dt au roulement sans glissement d'un cène à deux nappes soli- daire de l'assiette, sur un cène à deux nappes solidaire de l'axe fixe du moteur Le roulement sans glissement est assuré par deux couples d'engrenages coniques montés sur les c 8 nes primitifs. Mans la demande 2 403 449 du 20 Septembre 1977, on conserve les deux couples d'engrenages précités, mais on sépare les deux couples de canes lisses adjacents, correspondants en deux couples de cènes d'appui et deux couples de c 8 nes de guidage. Une autre caractéristique importante de ce système connu ré- side dans la suppression de la translation de l'arbre moteur et du volant lorsque l'assiette subit elle-mgme la translation liée à la variation du rapport de compression qui est une caractéris- tique du brevet français 2 194 226. Cette indépendance longitudinale de l'assiette par rapport à l'arbre moteur est obtenue en logeant le tourillon dans un trat- neau cylindrique ou polygonal à axe parallèle à xx' et coulissant dans un oeil de la manivelle, laquelle n'a plus ainsi de déplace- ment axial. Ces principales dispositions sont résumées sur les figures 1 et 2 ci-jointeso La figure 1 est un schéma longitudinal du mo- teur et la figure 2 une coupe II-II (fig 1) effectuée transversa- lement au droit de la manivelle. On y retrouve les deux cènes d'appui roulant extérieurs 12 et 19 ainsi que les deux c 8 nes d'appui roulant intérieurs 62 et 63 puis les deux c 8 nes de guidage roulant extérieurs 13 et 20 ainsi que les deux c 8 nes de guidage roulant 66 et 67. Les couples d'engrenages de conduite ne sont pas représentés. On retrouve également sur ces figures 1 et 2 le tourillon 8 de l'assiette, l'oeil de la manivelle 10 et le tratneau 92 avec cette différence que dans le brevet français 2 403 o 449 le tratneau était cylindrique et arrêté en rotation par l'ergot coulissant 92 alors que dans les présentes figures, il est à section carrée ce qui est fonctionnellement équivalent Le palier c 8 té volant 29 ' est buté axialement pour interdire toute translation de l'arbre. Malgré un fonctionnement satisfaisant et la réalisation des buts d'économie de consommation, l'expérience et le calcul ont montré que, d'une part, certains éléments de l'appareil travail- laient trop fortesment en compromettant son endurance et que, d'au- tre part, l'encombrement en longueur était excessif pour une instal- lation commode du moteur sur véhicule. La présente invention a pour but d'obvier à ces inconvénients par les perfectionnements qui vont 4 tre décrits. Le dessin annexé, donné à titre d'exemple non limitatif, per- mettra de mieux comprendre l'invention. Figure 3 est une coupe axiale schématique du moteur illustrant la libération du maneton qui commande l'assiette inclinée. Figure 4 est une coupe transversale suivant IV-IV (fig 3). Figure 5 est un schéma analogue à la figure 3, mais illustrant la construction en une seule pièce de l'assiette oscillante. Figure 6 est une coupe suivant VI-VI (fig 5). Figure 7 est un schéma en coupe longitudinale, illustrant une variante o le vilebrequin est porté par deux paliers. Figure 8 est une coupe axiale d'un mode de réalisation pra- tique d'un moteur à barillet selon l'invention. Figure 9 est une coupe transversale suivant IX-IX (fig 8), pratiquée au droit du tourillon moteur perpendiculaire à l'axe de l'assiette. Figures 10, 11 et 12 sont des vues respectivement identiques aux figures 3, 5 et 8, mais sur lesquelles pour plus de clarté on a fait applwattre seulement la répartition des efforts. Be premier perfeetienzement est caractérisé par la libératieon du naneton par rapport aux forees d'inertie Cette libération eonsi- ote (fig 3 et 4) à établir un grand jeu ou à supprimer le caté 91 du earré opposé à l'axe pour me garder ajustés que les autres eités. Le etté axe reçoit la composante radiale de l'effort d'explosion (diminuée de l'inertie) et les deux otés latéraux transmettent le souple moteur instantané modulé par l'assiette. ans le oae de faibles charges d'explosien et de haut régime o les inerties seont prépondérantes, les efforts ne butent plus sur l'extérieur de la manivelle et sont reçgus direeement par les enas d'appui roulant 12 et 19 qui sont établis pour recevoir de très gros efforts dans de bien meilleures conditions que le eoussinet 92 ou le roulement à billes qui on tient lieu Nais le coussinet 92 doit Stre tenu en place axialement par les deux butées b Il n'y a rien de changé daens le-fonctionnement des cenos d'appui roulant inté- rieurs 62 et 63 qui restent toujours en appui dans tous les eas de charge et de vitesse. Le second perfectionnement s'applique à la constitution mme de l'assiette et de la anivelle. Cette assiette jusqu'ici était construite on d eux parties (fig 1 et 2), la partie avant 6 portant le eue mobile d'appui 2563 avec sow engrenage non représenté et la partie arrière 5 portant le tourillon 8 ré 4 uniesg ar une couronne de vis 7, oe montage en deux pibèes étant nécessité par le besoin de monter le oine d'ap- pui 62 sur l'axe 2 ainsi que son engrenage Nais il se trouve que les efforts développés dans l'assiette sont maximaux au droit de 301 'assemblage et situés dans un plan tournant autour de l'axe de l'assiette de telle sorte que toutes les vis supportent chaoune à leur tour l'effort naximum en étant peu soulagée par les autres Il en résulte des dimensions gênantes pour la construetion et un alourdissement intempestif de l'assiette. La seconde earactéristique selon l'invention consiste alors à eonstraire l'assiette en une seule pièce avec une ouverture ar- ribre suffisante pour passer le cène fixe de butée 62 et son engre- nage, et à inverser le système de tourillonnement, l'assiette de- venant femelle et la manivelle *tle Cela est visible sur les fi- gures 5 et 6: la fixation du tourillon 8 ' sur l'assiette 5 est facile parce que les efforts sont beaucoup plus faibles qu'au cen- tre et beaucoup mieux répartis Le tourillon 8 ' eot femelle; il tourne sur le coussinet 92 ' qui peut être un roulement à billes et le coussinet 92 ' est embotté dans le carré 10 de la manivelle avec un grand jeu (j) du c 8 té de l'axe qui permet (cosmme dans la fig. 3) à l'assiette de décoller de la manivelle nous l'effet de l'iner- tie, et de faire recevoir les efforts d'inertie par les e*nes d'ap- pul roulant 12 et 19. I 1 est bien entendu comme précédemment, que l'axe uoteur ne peut pas de déplacer en translation, retenu par le palier butée 29 ', alors que les axes 2 et 4 liés entre eux à leur extrémité extérieure au umeteur par les vis 26 peuvent prendre une légère translation pour la variatioea du rapport de eompression, retenus en rotatieon soh 4 éna- tiquement par le doigt 32 coulissant dans la rainure fixe 31; cet- te translation est ceemuiquée à l'assiette et le déplacement rela- tif esnt permis par le coulissement du coussinet 92 ' par rapport à la nanivelle 10. L'arrgt schématique en rotation susdit des arbres 2 et 4 est ebtenu avantageusement par le resseort à lae 38 décrit dane le bre- vet français 2 403 449. Une Sreisième oaractéristique appara t d'abord comme la eonsé- quence des deux précédentes (fig 7) à partir du soaent oe la manivelle utle 10 a pénétré à l'intérieur de l(assiette 5, il est facile de la continuer par use deuxième branche de manivelle 33 et un tourillon 34 concentrique à l'arbre moteur, tournant dans un palier fixe 28 ' solidaire d etone fixe d'appui 62 et de l'axe 2 qui le porte, et eoncentrique avec eux. Un vilebrequin à un seul coude est ainsi réalisé avec ses deux paliers 28 ' et 29 ' et son porte-tourillon 10; le palier 28 est supprimé et c'est à sa place qu'est venu le palier butée 29 'o Ze ce fait, le moteur est raccourci considérablement dans le sens axial o son encombrement est d'habitude le plus critique. Mais cette opération a susciteé dans un premier temps une ob- servation défaverable, à savoir que le nouveau palier 28 ', au lieu d'Stre rigidement fixé au btti comme le palier 29 ', se trouve à l'extrémité d'un moignon plus ou moins flexible: la partie de l'arbre 2 qui dépasse de l'arbre 4 et dont la longueur et le dia- mètre sont commandés par le débattement de la partie 6 de l'as- miette O'ent alors qu'en remettant on place toutes les forces mi- ses en jeu, par cette disposition du vilebrequin, il a été rele- vé ce résultat inattendu qu'au contraire, elle apporte une quasi suppression de toute flexion du moignon, une fermeture très cour- te à l'intérieur de l'assiette des forces mises on jeu aussi bien des ferces d'explosion que d'inertie, avec une réduction considé- rable des forces se fermant sur les bitis, ce qui permet une tenue générale bien meilleure et un allègement des dits bttis. )anu la figure 8, on retrouve les axes 2 et 4 concentriques à l'axe du moteur, rendus solidaires en rotation par les cannelures et arrêtés en rotation par exemple par le ressort à lame 38; l'axe 4 porte le o 8 ne d'appui roulant extérieur 19, le cone de guidage roulant 67 et l'engrenage 18; l'axe 2 porte le otue d'ap- pui roulant 62 et l'engrenage 21; son extrémité s'épanouit pour former le palier 28 ' porteur ici d'un roulement à aiguilles eanu ee roulement tourne le tourillon 34 à l'extrémité du vilebrequin de branche 33 et de portée aile 10 complété par le palier 29 ' for- mant butée et l'important contrepoids 71. 0 O retrouve également l'assiette 5 en une seule pièce avec sa partie avant 6 portant le o$ne d'appui roulant intérieur 63 et l'engrenage 14, ces deux pièces maintenues en appui et en rota- tion par rapport à 6 par la douille cannelée 72, avec sa partie moyenne épanouie en a oreilles 73, à étant le nombre de cylindres (impair, peur les moteurs à 4 temps) et portant le cne d'appui roulant extérieur 12 et le cone de guidage roulant 66, les oreil- les portant les bottiers d'attache de bielles 45 tels que décrits au brevet français 2 403 449, fixées par les vis 46 enfin, avec sa partie arrière qui porte le tourillon femelle 8 ' dans lequel est monté le roulement à billes 92 ' ajusté sur le cavalier 74 qui che- vauche le "carré" 10 du vilebrequin, en ménageant le jeu très im- portant (j) entre le roulement 92 ' et le vilebrequin Ce jeu, ainsi que l'assemblage sphérique du roulement dans l'assiette, facili- tent le montage de l'ensemble IM deux flancs parallèles 75 du cavalier sont ajustés sur les flancs correspondants du vilebre- quin avec le minimum de jeu, pour assurer la transmission du cou- ple moteur instantané, modulé par l'assiette; le sommet plan 76 est toujours appliqué en charge sur le vilebrequin 10 sauf quand l'iner- tie prépondérante ou la course d'aspiration tendent à les décoller pour appliquer le o 8 ne 12 sur le c Sne 19; le jeu en 76 doit alors 4 tre minimal, du O 4 me ordre que le Jeu des flane" 75; les flancs 75 *t 76 permettent le déplacement de l'assiette 5 suivant xx' pendant la variation du rapport de compressien alors que le vilebrequin ne se déplace pas suivant cet axe Il en est de m*Ae dans cette ciroonstance pour le palier 28 ' et le tourillon 34; c'est pourquoi le roulement correspondant est à aiguilles. Pour compléter cette description, mention est faite des ner- sre raidissant les oreilles 73, par rapport au eorps 5 de l'as- siette, et comportant en prinoipe, par oreille, une nervure cen- trale 77 destinée principalement à transmettre l'effort radial d'explosion, et deux nervures latérales 78 destinées à la fois à partieiper au raidissement général de l'oreille et à la transmis- sion du couple. Mention est faite également du prolongement du vilebrequin, à travers l'arbre 2 et concentriquement, pour commander la distribu- tien et les auxiliaires. Enfin, il faut noter aussi que le jeu préeité en 76 peut être anmulé et remplacé par une légère prcontrainte initiale en choi- sissant judicieusement le défaffleurement de l'extrémité avant 79 de l'arbre 4 et du décrochement 80 de l'arbre 2, avant serrage de l'écrou 69; tous les c 8 nes d'appti doivent alors Stre légèrement taillés en bateau; la possibilité de oette précontrainte est visi- ble également sur la figure 7 par le choix de l'épaisseur de la oale 68 Ce genre d'opération avait déjà été évoqué dans le brevet fran ais 2 194 226, mais complété à tort par la possibilité d'un décalage angulaire entre les arbres 2 et 4, oe qui ne doit pas Stre. Mise en place des efforts principaux Avantages de la configuration illustrée gur les figures 7 et 8. Les calculs montrent que, dans tous les cas, illustrés sur les figures 3 à 8, l'effort le plus important du moteur est celui qui applique les ocnes d'appui roulant intérieurs 62 et 63 l'un sur l'autre. Cette force parallèle à l'axe yy' de l'assiette est la somme de deux forces A et B. A est proportionnelle à la poussée de l'explosion au point mort haut du piston- B est proportionnelle aux efforts d'inertie appliqués à l'assiette et à son équipage mobile. A se déomepose en une force radiale a et une force axiale La force axiale n'est pas préoccupante car elle exerce seulement une traction sur l'arbre 2 dont la section est établie en conséquence, laquelle traction n'est pas génératrice de vibrations. Par contre, la force radiale a exerce une flexion sur ce m S- ne arbre 2 dans la partie dépassant de l'arbre 4, avec un moment axial, et oomme elle est variable en intensité et en position (puisqu'elle est tournante), elle risque d'induire des vibrations dans le moignon, qui nécessitent des précautions particulières. Me m Sne, 3 Je décompose en une force radiale b et en une force axiale non g 4 nante (comme pour A); la force radiale bl agit comme a sur l'arbre 2 par un moment bxl de sorte que le moignon de l'ar- bre 2 dépassant l'arbre 4 subit un moment total de t + X al + bl ou l(a + b) (sens trigonométrique +) (Voir figures 3, 4 et 8) Il en est de mêre pour les figures et 6, bien que non représentées. Iuae tous les cas des figures 3 à 8, une force radiale c diri- g 6 e vers l'axe moteur est appliquée par le coussinet 92 ' sur la manivelle ou sur le vilebrequin Cette force, toujours très infé- rieure à la force A, dépend principalement de la poussée de l'explo- sion mais se trouve diminuée, et m Sme annulée, au-dessus d'une cer- taine vitesse, par l'inertie de l'assiette. Me mne, une force d'inertie X est induite par le contrepoids de la manivelle ou du vilebrequin Mépendant du carré de la vitesse, elle reste proportionnelle à la force B, bien que nettement infé- rieure. Mans les oonfigurations des figures 3 X 6, la force C se décom- pose en 8 sur le palier 28 et en 8 ' sur le palier 29 ' de m Sme, la force X se décompose respectivement en 5 sur le palier 28 eten 5 ' sur le palier 29 '. Mans ces deux configurations, finalement, on trouve deux sys- têmes de forces indépendantes l'un de l'autre en ce qui concerne l'action sur les pièces contigfes et qui ne se referment que par les bÉtis extérieurs Au contraire, dans les configurations des figures 7 et 8, il en va différemment car les forces C et D, en se décomposant sur les paliers 28 ' et 29 ', donnent respectivement c et d sur le palier 28 ' en bout de l'arbre 2, et c' et d' sur le palier 29 ' qui reste le seul dans le btti. Ces forces o et d induisent dans l'arbre 2 un moment 5 -W' o L d L ou -L (o+d) (sens trigonométrique = +) tou Jours opposé au moment K et à tout instant de la rotation da aoteur. L'idéal serait que S X Nt O. djàl, on pourrait réaliser exactement S bl dl O oar b et d restent propertionnelles à toutes le vitessos, (le facteur W 2 étant le mme, A Kb avec K 1 et voisin de 1/2), et il y a une oertaine latitude peur le ohoix de 1 et L dont le rapport eet d'ailleurs naturellement voisin de 1/2. Il n'ent pas possible, dans tous les oae, dt'axler al o L, car j ne reste pas proportionnel & a; eela arrivera pour une vites- se donnée v axns ce cas, on aura s X ' 0. 0 N pourra eendant s'en rapprocher sur une assez large plage de vitesses Tailleurs interfèrerent aussi les efforts dit au couple aeteur provenant de l'action des autres oylindres sur l'as- siette qui introduiront des efforts perpendieulaires au plan de la figure à la fois sur le palier 28 ' et sur la denture 21, efforts eppesée et seustraetifs en oe qui ooneraie la flexion du moignen 2. Un oertain résidu de moment de flexion dt à ces efforts peur- tant inférieurs aux effert B du type a be c d, rend superfétatoi- re la reoherehe de l'amnulation totale N M' 0. Il est évident que la très forte réduction du moment de fle- xion du meoignoa de l'arbre 2, dans la oonfiguration des figures 7 et 8, sécurise la tenue de cet arbre. Par ailleurs, les réaotions o' et d' du vilebrequin sur le palier arrière, représentent une fraction faible des réactions et S (peut-4 tre le 1/3) reçues par les palier du btti dane les configurations des figures 3 à 6. EVMDICATION 8 1 Àachine volumétrieque à pistons du type dit axial ou à barillet telle que décrite dans les brevets français 2 194 226 et 2 403 449, caractérisée en ce qu'un jeu très important entre la manivelle 10 de l'arbre moteur et le coussinet 92 ' porté par le tourillon femelle 8 ' de l'assiette 5 est réservé dans le plan axial de la manivelle de façon à assurer le contact entre le ctne d'ap- pui roulant extérieur 12 de l'assiette et le cène fixe correspon- dant 19 lorsque les inerties sont prépondérantes, et à éliminer s Lrement dans ce cas, tout contact manivelle-coussinet ainsi que tout travail du coussinet ou du roulement à billes en tenant lieu. 2 Nachine volumétrique suivant la revendication 1, earaeté- risée en ce que l'assiette 5 est construite d'une seule pièce aven ouverture de grand diamètre à l'arrière permettant de monter le cene d'appui fixe intérieur 62 et l'engrenage correspondant, cette ou- vertue oonstituant l'enveloppe du coussinet ou du roulement monté lui-même sur un cavalier 74 enjambant la manivelle 10 et transmet- tant d'une part, les efforts radiaux d'explosion sur le des de cette manivelle 10 à section quasi-carrie et d'autre part, les efforts de couple sur ses flancs tout en admettant un coulissement longitudinal sur cette manivelle 10 qui est fixe en translation, alors que ledit cavalier 74, ledit coussinet 92 ', ladite assiette 5 et son équipage de bielles et de pistons peuvent se déplacer en légère translation lors de la variation du rapport de compression. 3 Nachine volumétrique suivant les revendications 1 et 2, caraetérisée en ce que la manivelle 10 est refermée à l'intérieur de l'assiette 5 par une deuxième branche 33 et un tourillon 34, constituant ainsi un vilebrequin qui prend son second appui tou 3- nant et légèrement coulissant dans un palier 28 ', lisse à aiguil- les ou à rouleaux, situé à l'extrémité et dans l'axe du moignon porteur du ocne d'appui roulant extérieur 62 fixe en rotation et de l'engrenage 21 correspondant, cette disposition ayant pour avanta- ges de refermer la plupart des forces mises en jeu dans le mécanisme par un circuit très court, de diminuer l'intensité des forces qui se ferment par le circuit très long des bttis, donc d'alléger le moteur, et enfin de raccourcir ledit moteur par la suppression du deuxième palier extérieur.