Brevet FR2512104A1 — publié le 19830304

La présente invention concerne un appareil rotatif à fluide, à chambre de travail de volume variable, utilisable en tant que moteur ou pompe. On connaît déjà des moteurs rotatifs qui permettent une conversion directe de l'énergie provoquée par la détente d'un fluide en énergie mécanique de rotation d'un axe, ce qui évite d'avoir à utiliser des ensembles bielles-vilebrequin pour transformer le mouvement alternatif d'un piston dans un cylindre en un mouvement de rotation. Toutefois, les moteurs rotatifs connus jusqu a ce jour n'ont pas donné pleinement satisfaction car généralement leur structure est très complexe et par ailleurs leur rendement est relativement bas. La présente invention vise essentiellement à remédier à ces inconvénients. A cet effet, cet appareil rotatif à fluide à chambre de travail de volume variable, utilisable notamment en tant que moteur ou pompe, comprenant un carter présentant un alésage cylindrique, est caractérisé en ce qu'il comprend deux pistons coaxiaux logés dans l'alésage et appliqués l'un contre l'autre par des rampes constituées par des surfaces hélicoïdales complémentaires, de même pas, des moyens pour entraîner en rotation l'fun au moins de ces pistons par rapport à l'autre, dans le sens correspondant à celui de ltenroule- ment de sa rampe hélicoidale à partir de son extrémité adjacente à l'autre piston, et des moyens pour maintenir les deux pistons en contact l'un avec l'autre par leurs rampes hélicoldales. La rotation de l'un des pistons par rapport à l'autre entraine la formation, entre les deux rampes hélicoidales en regard, d'une chambre dont le volume va en croissant à la fois dans le sens circonférentiel et dans le sens axial. L'appareil suivant l'invention peut comporter un seul piston en rotation,l'autre étant bloqué en rotation, ou bien encore deux pistons tournant respectivement en sens inverse l'un de l'autre. Le mouvement de rotation du ou des pistons se traduit également par un mouvement de translation axial, résultant du contact entre les deux rampes hélicoldales, et ce mouvement de translation axial du piston opposé au piston rotatif ou des deux pistons si ceux-ci tournent dans des sens opposés, est suivi d'un mouvement en sens inverse provoquant une diminution du volume de la chambre de travail, sous faction de moyens de rappel assurant une compression. L'appareil rotatif suivant l'invention offre l'avantage d'être d'une construction simple et robuste, ce qui lui permet de présenter une fiabilité élevée. Son étanchéité peut être assurée par des moyens très simples, par exemple par des segments placés sur des pistons mobiles. Son rendement est nettement plus élevé que celui des moteur rotatifs connus jusqu'à ce jour. Il peut être aisément refroidi par l'intermédiaire de l'axe des pistons. L'appareil suivant l'invention peut être utilisé en tant que moteur à air comprimé, à vapeur, à explosion, vérin hydraulique ou pneumatique , pompe , transmission hydraulique etc. On décrira ci-après, à titre d'exemples non limitatifs, diverses formes d'exécution de la présente invention en référence au dessin annexé sur lequel La figure l est une vue en élévation schématique des éléments constitutifs principaux d'un appareil rotatif suivant l'invantion, au cours des diverses phases de la rotation d'un piston. Les figures 2, 3 et 4 sont des vues en perspective schématiques des deux pistons au cours des diverses phases de la rotation. La figure 5 est un schéma illustrant le fonctionnement de l'appareil en tant que moteur à quatre temps. La figure 6 est une vue en coupe axiale d'un moteur suivant l'invention. La figure 7 est un schéma d'une transmission hydraulique formant bote de vitesses. L'appareil rotatif suivant l'invention qui est représenté schématiquement sur les figures 1 à 4 comporte essentiellement deux pistons 1 et 2 qui sont constitués par des corps cylindriques d'un même diamètre et qui sont logés dans un alésage cylindrique 3 d'un carter extérieur 4. Les deux pistons 1 et 2 sont coaxiaux et disposés face à face de manière à être plaqués l'un contre l'autre par leurs faces frontales en regard. Ces faces frontales sont constituées par des rampes respectives 5 et 6 délimitées par des surfaces hélicoïdales ayant pour axe l'axe longitudinal commun xx' des deux pistons 1, 2. Les deux rayons délimitant les deux extrémités de chacune des rampes hélicoidales 5 et 6 sont écartés, dans le sens longitudinal, d'une distance correspondant au pas p de chaque hélice, en formant ainsi des gradins ou épaulements 7 et 8. L'un au moins des pistons 1 et 2 est monté à rotation par rapport à l'autre. Dans le cas illustré schématiquement sur les figures 1 à 4, le piston 1 est monté à rotation dans le sens indiqué par les flèches, tandis que l'autre piston 2 est fixe en rotation mais toutefois mobile en translation axiale. Le sens de rotation du piston 1 est celui de l'enroulement de l'hélice externe qui délimite sa rampe hélicoidale 5, c'est-à-dire le sens suivi lorsque l'on va de l'extrémité 5a de l'hélice qui est en contact avec la rampe hélicoldale 6 de l'autre piston 2 jusqu'à son autre extrémité 5b, le gradin ou épaulement 7 étant délimité entre ces deux extrémités 5a et 5b. La figure 1 illustre schématiquement, dans ses parties a, b, c et d, les positions respectives que prennent les pistons 1 et 2 lorsque le piston 1 entraîné en rotation effectue un tour complet. Dans la partie a de la figure 1, les pistons 1 et 2 sont pratiquement encastrés l'un dans l'autre, les deux épaulements radiaux 7 et 8 étant très voisins. En pratique, dans cette position que l'on peut considérer comme la position de départ du cycle, les deux pistons 1 et 2 ne sont pas en contact l'un avec l'autre, un certain jeu e étant ménagé entre eux, afin d'éviter un choc violent lors du retour en position de départ comme on le verra plus loin.Après un certain angle de rotation à partir de la position illustrée dans la partie a de la figure 1, l'extrémité 5a de la rampe hélicoïdale 5 du piston 1, vient en contact avec la rampe hélicoïdale en regard 6 de l'autre piston 2 et elle continue à glisser le long de cette rams qui est fixe en rotation.Parcemerd;tton est créée, entre les gradins radiaux 7 et 8,une chambre 9 dont le volume va en croissant dans le sens circonférentiel. En même temps, puisqu'on a supposé que la position du piston rotatif 1 dans le sens axial est fixe, le glissement de la rampe hélicoïdale 5 mobile en rotation sur l'autre rampe 6 provoque une translation du piston 2 vers la gauche ainsi qu'il est représenté dans la partie b de la figure 1. Ce mouvement de translation du piston 2 se poursuit et s'amplifie comme il est représenté à la partie c de la figure 1 et sur la figure 3. A ce moment, la chambre 9 formée entre les faces frontales hélicodales en regard des deux pistons 1 et 2 a presque atteint son volume maximal à la fois dans le sens circonférentiel et dans le sens axial. La position correspondant à ce volume maximale est celle qui est illustrée dans la partie d de la figure 1. A ce moment on exerce sur le piston 2 mobile en translation une poussée de la gauche vers la droite, de manière à ramener ce piston 2 en contact avec le piston 1 et à se retrouver dans la position de départ illustrée dans la partie a de la figure 1. En fait, le piston 2 revient en contact avec le piston 1 après une certaine rotation de ce dernier si bien qu'en fin de course de translation. axiale du piston 2, la chambre 9 délimitée entre les gradins 7 et 8 présente un certain volume, du fait de l'écart existant entre ces deux gradins. On voit d'après ce qui précéde que l'appareil suivant l'invention permet d'obtenir une chambre 9 dont le volume varie régulièrement à la fois dans le sens circonférentiel et dans le sens axial, pendant un tour du piston 1. L'appareil suivant l'invention dont la structure et le fonctionnement ont été décrits schématiquement ci-dessus, peut être conçu suivant diverses variantes. En effet, le piston 1 qui est entraîné en rotation pourrait aussi être monté à coulissement axial, conjointement avec l'autre piston 2. Dans cette versionàmseul piston rotatif 1, le piston 2 pourrait être également totalement immobilisé, le piston 1 étant alors animé à la fois d'un mouvement de rotation et de translation axiale. Dans une variante d'exécution, les deux pistons 1 et 2 peuvent être tous les deux animés d'un mouvement de rotation, dans des sens inverses. Dans ce cas, un seul des deux pistons rotatifs 1 et 2 peut être également animé d'un mouvement de translation axiale ou bien encore les deux pistons l et 2 peuvent être animés de ce mouvement. L'appareil suivant l'invention comporte, comme on l'a vu précédemment, une chambre 9 dont le volume varie à la fois dans le sens circonférentiel et dans le sens axial. Cette chambre à volume variable est utilisée, dans les applications pratiques, pour recevoir un fluide en expansion, dans le cas où l'appareil est utilisé en tant que moteur, ou au contraire un fluide à refouler., si l'appareil est utilisé en tant que pompe. La figure 5 illustre schématiquement le fonctionnement d'un appareil suivant l'invention utilisé en tant que moteur à quatre temps. Dans la partie supérieure de la figure 5 sont représentéesschématiquement une boîte de soupapes 11 comportant une soupape d'admission 12 et une soupape d'échappement 13, cette boîte de sou papesll étant disposée dans le carter 4 de manière à déboucher dans ou l'alésage 3 de celui-ci à l'endroit/est formée la chambre 9 de volume minimal. Dans ce cas, le piston 2 et son gradin radial 8 sont supposés fixes en rotation,tandis que le piston l et son gradin radial 7 tournent. La phase d'admission est représentée dans la partie a de la figure 5. Durant cette phase, la soupape d'admission 12 est ouverte tandis que la soupape d'échappement 13 est fermée et elle correspond à une rotation du piston l d'environ 3200, comme il est indiqué par le secteur hachuré. A la phase d'admission a fait suite la phase de compression représentée dans la partie b de la figure 5. Cette phase de compression s'étend sur environ 400 et durant cette phase, les soupapes 12 et 13 sont fermées. Puis a lieu, dans le cas d'un moteur à explosion par exempleJapiase d'explosion représentée dans la partie c de la figure 5, phase durant laquelle les deux soupapes 12 et 13 sont fermées. Cette phase d'explosion c s'étend par exemple sur 3200,comme il est indiqué en hachures. Enfin, la dernière phase du cycle à quatre temps est constituée par la phase d'échappement représentée dans la partie d de la figure 5. Durant cette phase, la soupape d'échappement 13 est ouverte tandis que la soupape d'admission 12 est fermée. Cette phase d'échappement s'étend par exemple sur une rotation de 40". La figure 6 illustre une forme d'exécution non limitative d'un moteur mettant en oeuvre le principe de l'appareil suivant l'invention. Ce moteur comprend les deux pistons 1 et 2 qui sont disposés faceà face et pourvus respectivement de leurs rampes hélicaiiales 5 t 6. Le piston 1 qui est entraîné en rotation par la détente des gaz dans la chambre 9 à volume variable, est solidaire d'un arbre 14 monté à rotation dans un flasque 15 solidaire du carter 4. Cet arbre 4 porte un piglDn non représenté qui entraîne,par l'intermédiaire d'un mécanisme de distribution, des culbuteurs agissant sur les soupapes d'admission 12 et d'échappement 13 logées dans la boîte de soupapes 11. L'autre piston 2 est monté à coulissement axial alternative dans le carter 4. Ce piston 2 est solidaire d'une bague 16 qui est traversée par l'arbre 14 du premier piston 1. Cette bague 16 est montée à coulissement à travers un autre flasque 17 solidaire du carter 4 et elle porte, à son extrémité, une gorge annulaire transversale 18 dans laquelle fait saillie l'extrémité inférieure 19a d'un ergot pivotant 19. Cet ergot est articulé autour d'un axe 21 porté par une chape 22 solidaire du flasque 17. L'ergot pivotant 19 présente par ailleurs une autre branche à extrémité arrondie 19b qui est en contact avec une rampe 23 portée par la face frontale d'un volant transversal 24 solidaire de l'arbre 14. Pendant la rotation du piston 1, la coopération des rampes 5 et 6 provoque la translation vers la droite du piston 2 ainsi que de la bague 16. A la fin de la phase d'admission, la rampe 23 portée par le volant 24 provoque un pivotement de l'ergot 19 autour de son axe 21 et un coulissement de la bague 16 et du piston 2 vers la gauche, ce qui assure ainsi la compression. Le retour du piston 2 mobile en translation, pour assurer la compression axiale, peut être aisément obtenu en utilisant deux moteurs en tandem avec un déclage de 3600 de leurs cycles de fonctionnement respectifs, c'est-à-dire en faisant en sorte que dans l'un des moteurs on se trouve en phase d'admission tandis que dans l'autre moteur on se trouve en phase d'explosion et de détente. De ce fait, on peut utiliser l'énergie des gaz formés par l'explosion dans le second moteur pour provoquer la translation du piston 2 dans le premier moteur et assurer ainsi la compression dans celui-ci. On voit d'après la description qui précéde qu'il est facile de faire varier le taux de compression dans un moteur suivant l'invention: il suffit en effet de faire varier l'instant où l'on provoque la course axiale du second piston 2. La pente des rampes hélicoïdales 5, 6 peut être constante sur toute la circonférence des pistons 1 et 2, ou bien encore elle peut varier sur cette circonférence. Par ailleurs, le profil de ces rampes peut être déterminé par des plans perpendiculaires à l'axe ou par des surfaces différentes, par exemple des surfaces ondulées. L'appareil suivant l'invention peut être utilisé également pour réaliser une transmission hydraulique ou encore une boîte de vitesses. Une telle transmission hydraulique est représentée sur la figure 7. Elle comprend deux ensembles hydrauliques 25 et 28 pouvant fonctionner l'un en générateur de fluide sous pression ou pompe et l'autre en récepteur de ce fluide ou moteur. Dans l'exemple qui sera décrit ci-après, on considérera que l'ensemble 28 fonctionne en générateur tandis que l'autre ensemble 25 fonctionne en récepteur. L'ensemble générateur 28 comprend deux paires de pistous en tandem à savoir une première paire de pistons la, 2a associés à une boîte de soupapëslla et une seconde paire de pistons lb,2b associés à une boîte de soupapes lIb. L'ensemble récepteur 25 comprend de la même façon deux paires de pistons ai tandem à savoir une première paire de pistons 1A, 2A associés à une boîte de soupapes 11A et une seconde paire de pistons 1B, 2B associés à une boîte de soupapes 11B. Chacune des boîtes de soupapes lia, iib, 11A et 11B comprend deux soupapes à savoir une soupape d'admission et une soupape d'échappement comme il a été décrit précédemment.Ces boîtes de sousoupapes sont reliées à deux vannes 26, 27 à boisseau rotatif interconnecte'espar deux conduits 29 et 31. Par ailleurs les boîtes de soupapes lia et llb sont reliées à la vanne 27 par deux conduits 32 et 33 et de la même façon les boîtes de soupapes 11A et 11B sont connectées à la vanne 26 par l'intermédiaire de conduits 34 et 35. Le fonctionnement de la transmission hydraulique qui vient d'être décrite est le suivant dans la position illustrée sur la figure 7, les vannes 26 et 27 en position de repos assurent la communication entre les conduits 33, 31 et 35 d'une part et 32, 29 et 34 d'autre part. De ce fait, la paire de pistons lb, 2b du générateur 28 refoule le fluide à travers la boîte de soupapes llb, dans les conduits 23, 31 et 35 et à travers la boîte de soupapes 11b Furlwintroduire dans la chambre de travail de la paire de pistons 1B, 2B du récepteur 25. Le mouvement de rotation du piston lb est donc transmis au piston 1B qui est accouplé à l'autre piston 1A.La paire de pistons 1A, 2A refoule le fluide se trouvant dans sa chambre de travail ,à travers la boîte de soupapes 11A, les conduits 34, 29 et 32, et la boîte de soupapes fla,dans la chambre de travail de la paire de pistons la, 2a Lorsque le récepteur 25 a besoin d'hêtre basculé, c'està-dire lorsque la chambre de travail ds piston 1A, 2A doit être alimentée en fluide sous pression à la place de celle des pistons 1B, 2B, on commute la vanne 26 en position de travail si bien que le conduit 31 est relié au conduit 34 et le conduit 29 au conduit 35.A partir de ce moment, le générateur 28 alimente la chambre de travail des pistons 1A, 2A à travers le circuit suivant : boîte de soupapes llb, conduit 23, vanne 27, conduit 31, vanne 26, conduit 34, boîte de soupapes 11A. Parallèlement, le fluide se trouvant dans la chambre de travail des pistons 1B, 2B est refoulé par le circuit suivant boîte de soupapes 11B, conduit 35, vanne 26, conduit 29, vanne 27, conduit 32, boîte de soupapes lia. A la fin du cycle de pulsion, le générateur 28 doit être basculé à son tour, ce qui est réalisé en commutant la vanne 26 en position de repos (indiqueesur la figure 7) et en commutant l'autre vanne 27 dans sa position de travail qui est indiquée dans la partie gauche de la figure 7. A partir de ce moment c'est la paire de pistons la, 2a qui assure le refoulement du fluide à travers le circuit suivant: boîte de soupapes lia, conduit 32, vanne 27-en position de travail, conduit 31, vanne 26 en position de repos, conduit 35, boîte de soupapes 11B. Le fluide sous pression est alors fourni à la chambre de travail des pistons 1B, 2B du récepteur 25. De la même façon, le fluide est évacué de la chambre de travail des pistons 1A, 2A par le circuit suivant: boîte de soupapes l-1A, conduit 34, vanne 26 en position de repos, conduit 29, vanne 27 en postion de travail, conduit 33, boîte de soupapes llb. Comme précédemment, lorsque le récepteur 25 doit être de mani' e basculé, la vanne 26 est commuée en position de travail que le fluide sous pression soit fourni à la chambre de travail des pistons 1A, 2A au lieu d'être dirigés vers celle des pistons 1B, 2B. Lorsque le cycle total de pulsion du fluide est terminé, il faut inverser les soupapes et les vannes de manière à revenir dans la position illustrée sur la figure 7. REVENDICATIONS 1. Appareil rotatif à fluide à chambre de travail de volume varie, utilisable notamment en tant que moteur ou pompe, comprenant un carter (4) présentant un alésage cylindrique (3), caractérisé en ce qu'il comprend deux pistons coaxiaux (1, 2) logés dans l'alé sage (3) et appliqués l'un contre l'autre par des rampes consti tuées par des surfaces hélicoïdales complementaires (5, 6), de meme pas, des moyens pour entraîner en rotation l'un au moins de ces pistons (1) par rapport à l'autre, dans le sens correspon daMt à celui de l'enroulement de sa rampe hélicoïdale (5) à par tir de son extrémité adjacente à l'autre piston (2), et des moyens pour maintenir les deux pistons (1, 2) en contact l'un avec l'autre par leurs rampes hélicoldales (5, 6). 2. Appareil suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un seul piston (1) entraîné en rotation, l'autre piston (2) étant bloqué en rotation. 3. Appareil suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les deux pistons (1, 2) tournent en sens inverse l'un de l'autre. 4. Appareil suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'un des deux pistons (1, 2) est monté à coulissement axial alternatif. 5. Appareil suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les deux pistons (1, 2) sont montés à cou lissement axial alternatif. 6. Appareil suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend une boîte de soupapes (11) com portant une soupape d'admission (12) et une soupape d'échappement (13) et communiquant avec la chambre de travail (9) délimitée entre les rampes hélicolcales (5, 6) des deux pistons (1 et 2) et dont le volume va en croissant à la fois dans le sens circon férentiel et dans le sens axial pendant la rotation du ou des pistons. 7. Appareil suivant la revendication 2, caractérisé encre que le piston (2) bloqué en rotation et monté à coulissement axial alter natif dans le carter (4) est solidaire d'une bague (16) traversée par un arbre (14) solidaire du premier piston (l) entraîné en ro tation , cette bague portant une gorge annulaire transversale (18) dans laquelle fait saillie une extrémité (l9a) d'un ergot pivotant (19) articulé autour d'un axe (21) et présentant par ailleurs une autre branche dont l'extrémité est en contact avec une rampe (23) portée par un volant transversal (24) solidaire de l'arbre (14). 8. Transmission hydraulique réalisée à partir de l'appareil suivant l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce qu'elle comprend un ensemble générateur (28) comprenant deux paires de pistons en tandem à savoir une première paire de pis tons (la, 2a) associés à une boîte de soupapes (lia) une seconde paire de pistons (lob, 2b) associés à une boîte soupapes (il), un récepteur (25) comprenant deux paires de pistons en tandem à savoir une première paire de pistons (1A, 2A) associés à une boîte de soupapes (11A) une seconde paire de pistons (1B, 2B) et associés à une boîte de soupapes (11B), chacune des boîtes de soupapes (lia, 11b, 11A et 11B) comprenant deux soupapes à savoir une soupape d'admission et une soupape d'échappement, ces boîtes de soupapes étant reliées par des conduits (32, 33,34, 35) à deux vannes (26, 27) interconnectées par deux conduits (29 et 31) de manière à relier chacune des boîtes de soupapes (i la, 11b) de l' ensemble générateur (28) à l'une ou l'autre des bottes de soupapes (11A, 11B) de l'ensemble récepteur (25).