Brevet FR2556068A1 — publié le 19850607

La presente invention concerne un dispositif mécanique servant a' transformer un mouvement alternatif lineaire ou circu laire,en mouvement rotatif continu ou vise et versa. Ce type de transformation s'effectue de faucon tout a fait classique par un ensemble constitue d'une bielle et d'un vilebrequin manivelle.Procédé simple,d'histoire ancienne,dont l'tfficien- ce n'est plus à démontrer. Or,malgré son efficacite reelle,ce principe de transformation n'en demeure pas moins entache d'un certain nombre dtinconvenients, lies; - a sa conception d'une part: . direction de rotation perpendiculaire a la direction de translation, . rapport entre le déplacement en translation et le diametre de rotation de la manivelle de un - à sa mise en oeuvre d'autre part: nécessite pour le vilebrequin d'etre partilculiere- ment robuste et suffisamment pesant ,pour encaisser les efforts de la bielle,tout en assurant und- cer taine continuite au mouvement de rotation par inertie. - enfin a' son fonctionnement: usure ovalisante des pièces participant a ltélabo- ration du mouvement de translation (piston,chemises..) du fait de l'oscillation pendulaire de la bielle. Autant de caractéristioues,qui dans certaines situations apparaissent comme des handicaps sorieux,voire d'insurmoptables tares. Le dispositif de transformation selon l'invention permet de remedier à ces inconvenients. Il comporte en effet,un vilebrequin sphérique maintenu à chaque extrémité par des roulements coniques sur un carter support.Ce vilebrequin est pourvu selon un plan incline å une soixantaine de degres par rapport a son axe de rotation,d'une gorge de section trape'zoidale,dont les cotes convergent vers le centre de lasphere. Dans cette gorge prend place une couronne dite réceptrice désolidarisée du vilebrequin par un ensemble de glissement c-irculaire represente soit par des coussinets,soit par des roulements aiguilles en tronc de cone.Cette couronne est constituée de croissants trapezoidaux porteurs ou non de manétons.Leur nombre respectif varie en fonction du nombre d'elements en translation ou rotation alternative choisi, quì lui iaême dépend du rôle dévolu au convertisseur. Tous les croissants sont maintenus en couronne par un anneau cylindrique de section trapezoidale opposée,fractionné en plusieurs éléments, qui une fois assembles assurent a rigidite de la couronne. Les manetons sont ancrés dans l'ensemble anneau-croissants,sur roulements de fanon à pouvoir osciller.Ils supportent en tete, soit les attaches des bielles bordées exterieurement par des roulements de guidage coulissants dans une gorge cylindrique du carter,soit plus directement les pistons à trajectoire circulaire. Lorsque les bielles sont accouplees pour travailler en opposition alternative suivant un meme axe,leurs pieds sont dedoublés sur le maneton afin de leur permettre de fonctionner dans un meme plan. Ainsi conque,l'invention a pour effet; - d'engendrer un mouvement de rotation d'axe paralible aux axes de translation,ou perpendiculaire à la direction de rotation alternative - d'accroitre le rapport entre le deplacement en translation et le diamètre de la pièce transformante en rotation de l'or- dre de 30%, - de permettre la multiplication des éléments en translation ou rotation alternative sans pour autant accroitre de faon proportionnelle la masse des pieces de transformatiop. - de donner la possibilité- d'equilibrer l'ensemble non plus uniquement par inertie,mais par fonctionnement opposé alter natif des mouvements circulaires ou line-aires,réduisant ainsi considerablement le poids de l'ensemble transformateur, - de réduire,voire de supprimer l'usure ovalisante des pieces participant au mouvement de translation par une reduction de plus de moitie de l'angle d'oscillation pendulaire de la bielle,ou par sa suppression pure et simple. La figure 1 represente en coupe le dispositif selon l'invention La figure 2 represente en coupe une variante de ce dispositif La figure 9 represente en coupe verticale le vilebrequin spherique La figure 4 represente en coupe verticale la couronne réceptrice avec un ancrage de maneton La figure 5 représente en coupe verticale la couronne réceptrice croissants,anneau,maneton,pieds de bielles et ro-lements-de guidage La figure 6 represente en coupe verticale a échelle x2 la fixation des pieds d'un couple de bielles sur le maneton La figure 7 représente en coupe a échelle x 2,le détsil de la couronne réceptrice au point d'ancrage du maneton La figure 8 représente en coupe à echelle x2,le détail de la couronde réceptrice suivant um plan perpendiculaire a son plan d'assemblage La figure 9 represente en coupe verticale une application du dispositif selon l'invention au moteur a explosion 4 cylindres 4 temps La figure 10 represente en coupe horizontale,la couronne réceptrice pourvue de ses manetons dans le cas d'un moteur a explosion a 4 cylindres La figure 11 represente le plateau de distribution commandant l'ouverture et la fermeture des soupapes dans le cas d'un moteur a 4 cylindres 4 temps La figure 12 represente en coupe une application du dispositif selon l'invention a un montage sans bielle La figure 13 represente une réalisation du dispositif sur un mo teur -4 cylindres,4 temps, sans bielle ,et avec un vilebrequin spbe- rique pourvu d'ailettes de type turbine La figure 14 représente le meme montage nue dans la figure precé- dente apres une rotation de l'axe principal de 1 de tour La figure 15 represente en coupe équatoriale, le dispositif selon la figure 14 La figure 16 represente schematiquement les differentes positionsdu vilebrequin a ailettes ainsi que de la couronne réceptrice au cours d'une rotation de 1 tour de l'axe principal. Le dispositif selon l'invention présenté dans l'ensemble des figurescomporte un vilebrequin sphérique (1) entaille suivant un plan incline a une soixantaine de degrés par rapport à son axe de rotation,d'une gorge de section trapezoidale dans laquelle vient coulisser par l'intermediaire de coussinets qu de roulements aiguilles(3) ,une couronne réceptrice (2).Cette dernière supporte les manetons (4) sur lesquels viennent se fixer les pieds des bielles (5) travaillant suivant un axe parallele a l'ase de rotation du vilebrequin. L'ensemble est maintenu et guide sur un carter au moyen de rou lements coniques (7),au niveau du vilebrequin espar le biais d'une gorge cylindrique (8),dans laquelle se déplacent les 2 roulements de bout de maneton (9). La couronne réceptrice est constituée de croissants (10) sccolés les uns aux autres,et ceci en nombre d'autant plus grand,qu'il existe des bielles simples,des couples de bielles,ou des pistons attelés.Chaque croissant,outre ses plans de glissement (3) comporte un segment tronco-cylindrique (11) sur lequel vient s'appuyer le maneton lorsqu'il est présent dans le croissant. Ces croissants sont maintenus en couronne rigide par-un anneau(12) qui est lui compose de plusieurs éléments assemblés (l3).Cet anneau est conclu pour,tout en servant d'ancrage aux manetons,leur permettre de pivoter,il comporte donc des roulements- (14). De son côte, le maneton,pour supporter les efforts de traction auxquels il sera soumis,possede une base troncônique et en tête suivant un axe perpendiculaire au sien,il redoit les pieds des bielles qui peuvent etre de doubles (15) pour travailler dans un meme plan. Selon une variante sans bielle,figure 12,le maneton (4) vient s'enraciner directement dans les pistons (17) qui coulissent dans le cylindre circulaire (16). Le dispositif peut fonctionner soit a partir de l'ener- gie fournie par le mouvement de rotation,soit 8 partir de l'éner- gie fournie par le mouvement de translation alternative.Dans un cas comme dans l'autre,la rotation- du vilebrequin s'accompagne d'une oscillation giratoire de la couronne réceptrice,qui entraine le maneton libre dans un mouvement d'oscillation circulaire transforme ou non,par bielle,en oscillation linéaire. Le graissage s'effectue par pompe en prise sur l'axe principal qui envoie l'huile sous pression au contact vilebre quin-couronne réceptrice,puis dans la couronne aux ancrages des manetons,et aux pieds de bielles,puis par centrifugation vers les pie ces en glissement lineaire ou circulaire avant de regagner le réservoir d'alimentation de la pompe. Dans la forme de réalisation selon les figures 9 et lO, la couronne réceptrice est pourvue de 2 manetons qui traduisent l'action simultanée de 2 couples de bielles.Par ailleurs,s'agis- sant d'une application de type moteur a' explosion 4 cylindres, 4 temps,elle comporte une chambre de combustion (16),un piston (17),des soupapes (18),un plateau de distribution (19),une ou verture pour allumage (20),un pignon de transmission primaire (21) ainsi que des ailettes de refroidissement (22). Le plateau de distribution presenté â la figure l0,est situe en bout d'arbre moteur (23) et coulisse entre les roulements (24). Il est entrainé par pignon de façon a ce que sa vitesse de rota- tion soit réduite de moitié.Sa surface est divises en anneaux concentriques sur lesquels viennent rouler les queues des soupapes, chaque cercle correspondant à une soupape.Des surcharges en relief permettent alors d'actionner les soupapes en fonction des impératifs de la distribution (25). Dans la forme de realisation illustrée par les figures 13,14,15, et 16, le dispositif selon l'invention est monté sur un moteur à explosion 4 cylindres, temps pistons fonctionnant en opposition directement attelés sur les manetons comme sur la figure 12. Dans ce cas cependant,le vilebrequin spherique (1) est pourvu suivant 2 quarts de sphère opposés,d'ailettes de type turbine (26) orientees pour produire un couple de rotation,les 2 autres quarts restant pleins(27). La figure 13 et 14 montrent la position de ce quart d'ailettes après un déplacement du piston de w de sa course pour une rotation du vilebrequin de + de tour,tandis que la figure 15 représen-te la coupe de la figure 14 selon un plan équatorial.Elle permet de distinguer,les pistons (16) dans leurs cylindres,leurs attaches sur les manetons 4) ,les aires specifiques du vilebrequin;quart sphérique à ailettes (26) ou sans (27) ainsi que l'orifice d'evacuation des gaz actionnant la partie turbine (28). La figure 1 schematise en vue de dessus les positions respectives des parties à ailettes du vilebrequin et de la couronne réceptrice (2) portant les manetons (4),au cours d'une rotation de 1 tour. La figure 16(a) illustre ainsi en vue d'en haut, suivant l'axe principal de rotation,la situation decrite par la figure 13.I1 en est de meme pour les figures 16(b) et 14,tandis que les schemas 16(c) et 16(d),achèvent la rotation du vilebrequin pour le ramener en position 16(a). Ces représentatins se retrouvent a' la partie opposée du vilebrequin de fanon symétrique à l'ensemble des schemas 16 pour les pistons inferieurs. Le fonctionnement de ce moteur c cylindres circulaires opposés à vilebrequin-turbine spherique se résume comme suit. Soient les cylindres numerotes comme en figure 13,avec 4 a l'es plosion donc en 16(a).Propulse par l'explosion,le piston amorce sa rotation pour se trouver après + de tour en situation figures en 14 et 16(b). A ce moment,les ailettes du vilebrequin ont commen cé à apparaître devant la fenêtre longitudinale du cylindre dans laquelle oscille le maneton faisant le lien entre la couronne ré- ceptrice et le piston. Jusqu'à cette position,piston a mi course, l'essenîel de la rotation du vilebrequin a été assureepar le glissement de la couronne réceptrice dans la gorge du vilebrequin. En poursuivant sa course dans le cylindre B,la fenêtre de contact cylindre-vilebrequin, s'allonge verticalement pour laisser apparaitre pendant pres d'un quart de tour,les ailettes turbine jusqu'en 16(c),à l'instant ou le piston a atteint le fond du cylindre B. Durant cette phase,les gaz de l'explosion en expansion propulsent les ailettes avant de s'échapper par l'orifice (28) p-revu s' cet effet.Pendant ce quart de tour,les efforts mecaniques sont réduits puisque la rotation est générée par les gaz de combustion. .4. Ensuite,c'est l'explosion du cylindre B qui renvoie le piston vers A.L'ouverture de la fenetre se rétrécit longitudinalement vers le haut,tandis que le piston tend vers A,et que defile devant un quart spherique plein permettant au cylindre A de se vider totalement des gaz d'echappement restants. De son côté,dans le cylindre B,le piston étant repousse,la fenêtre longitudinale s'ouvre pour laisser apparaitre les premières ailettes inférieures jusqu'en 16(d).Âilettes qui vont défiler devant l'ouverture de la fenetre durant le 1 de tour separant 16(d) de 16(a).Durant cette phase,a nouveau la transmission mecanilue du mouvement de rotation au vilebrequin,est relègues par une generation directe issue des gaz en expansion sur les ailettes. Symetriquenent,-un fonctionnement analogue se developpe dans les cylindres C et D,de telle sorte que le cycle de 4 temps soit res pec+.e,ce qui se traduit par tour; explosion A explosion b explosion C explosion D échappement D echappement A échappement B échappement C admission. C admission D admission A admission B Compression B compression C compression D compression A Les quarts sphériques pleinsviennent en regard des orifices variables des fenetres pendant les phases de compression et d'echappe- ment,tanåis que les quarts a ailettes,n 'apparaissent que durant les phases d'explosion et d'admission,participant ainsi à la propulsion d'une part et au remplissage des chambres de combustion d'autre part. Les contacts vilebrequin-couronne préceptrice et piston-couronne, sont protégés par des segments de feu. Selon cette conception,le dispositif devrait permettre d'augmenter le rendement du moteur, ainsi que la puissance disponible,tout en réduisant de fanon considerable,les efforts et donc l'usure des pièces mécaniques. De par la simplicité de son fonctionnement et de sa mise en oeuvre,ses dimensions et son poids particulièrement réduit,sa souplesse d'utilisation (multiplication du nombre d'elementsen translation ou rotation alternative suivant les besoins spécifi- quesj,et surtout,son aptitude a travailler aussi bien pour convertir un mouvement de rotation en mouvement d translation ou rotation alternative que le contraire,le dispositif selon l'invention est à meme de toucher un vaste domaine d'applications industrielles;pompes hydiauliques,ccmpresseurs,robotique. . .en passant par le vaste champ des moteurs à explosion. Dans cette optique,il apparait susceptible d'apporter unereponse efficiente,dans les secteurs des vehicules terrestres ou ariens â moteur.En effet,son faible volume et poids en-rapport s l'au g- mentation de puissance disponible du fait de l'accroissement relatif du volume de la chambre de combustion,devrait en faire un propulseur adapté pour les motocyclettes et avions. Par ailleurs,son aptitude à fonctionner aussi bien en cycle 2 temps que 4 temps,ou diesel,pour un nombre de cylindres pouvan-t aller jusqu'à une trentaine (15x2 en oppositionjdevrait lui donner acces a une large plage de puissances,pour une consommation reduite de par sa possibilité d'intégrer le nombre et la position des cylindres a 1 'équilibrage du mouvement de rotation,et donc de lui permettre de concerner aussi bien l'automobile que le bateau. REVENDICATIONS 1- Dispositif pour transformer un (des) mouvements alternatifs circulaires ou linesires,en mouvement rotatif continu,ou vice et versa,caracterisé en ce qu'il comporte un carter (6) dans lequel se trouve un vilebrequin sphérique (l),une couronne receptrice(2) portant des manetons (4) sur lesquels viennent se fixer en nombre varisole,soit les pieds des bielles (5),dont les extremites ope'rent des mouvements de translation sur des axes paralleles à l'axe de rota~~n,soit des pistons (17) en rotation alternative sur un axe perpendiculaire à l'axe de rotation continue. 2 - Dispositif sélon la revendication 1 caracter-ise en ce que le vileDrequin spherique (1) est entaille d'une gorge de section trapezoidale inclinée par rapport a l'axe de rotation de ce dernier,et dont les cotés convergent vers le centre de la sphère definissant ainsi des tranches tronconiques 3 - Dispositif selon la revendication 1 caracterisé en ce que la couronne receptrice (2) qui coulisse dans la gorge du vilebrequin est constituée d'un nombre variable de croissants (10) maintenus assembles en un ensemble tronco-cylindrique par un anneau (12). 4 - Dispositif selon la revendication 3 caracterise en ce que chaque croissant quelle que soit sa section cylindrique comporte sur ses faces de glissement, soit un coussinet, soit un roulement aiguille (3) sur lequel s'appuie interieurement une portion de couronne trapexzoidale (11) servant de base aux manetons 5 - Dispositif selon la revendication 3 caracterise en ce que l'anneau (12) qui solidarise l ensemble de la couronne réceptrice est constitue de plusieurs segments perces a certains endroits de fa 9on à permettre l'ancrage des manetons (4) et comporte suivant ces orifices des roulements assurant à ces derniers la possibilite de pivoter 6 - Dispositif selon la revendication 1 caracteri-sé en ce que les manetons (4) sont montes libres dans l'anneau et possedent un pied tronconique,tandis qu'en tete, suivant un axe perpendiculaire ils reoivent fixés sur roulements ou coussinets, soit les pieds des bielles (5),ainsi que de part et d'autre un roulement de guidage sur le carter (93,soit plus directement les pistons t17). 7 - Dispositif selon la revendication 1 ou 6 caracterisé par un montage de couple de bielles en opposition,fonctionnant dans un même plan a' pied de bielle dédouble symetrinuement par rapport au plan de travail 8 - Dispositif selon la revendication 6 caracterise en ce que les manetons (4) sont guides à leur extremite par des roulements coulissants dans une gorge cylindrique tracée dans l'ensemble carter 6) 9 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications precedentes,caracterisé en ce que,en utilisation dans un moteur à explosion en cycle a' 4 temps,la distribution est assuree par un plateau de distribution,qui apres reduction de moitié de sa vitesse par pignon à partir de- l'arbre moteur,commande par des reliefs situes sur des anneaux concentriques l'ouverture et la fermeture des soupapes dont les queutes roulent sur ledit plateau LU - Dispositif selon la revendication 2 caracterisé en ce qu'en utilisation dans un moteur à explosion a cylindres circulaires, le vilebrequin peut étre pourvu d'ailettes de type turbine disposees parallèlement a l'axe de rotation de façon à produire sous l'effet des gaz de combustion en expansion,un couple de rotation.