Brevet FR2610368A1 — publié le 19880805

MACHINE A PISTONS ROTATIFS COMPORTANT UN AXE INTERIEUR L'invention est relative à une machine à pistons rotatifs comportant un rotor extérieur et un rotor intérieur montés dans un carter, qui tournent autour d'axes de rotations dif- férents, et des éléments en saillie en forme de listel agen- cés sur des éléments d'engrenage du rotor extérieur, orien- tés vers l'intérieur, qui génèrent le contour des pistons du rotor intérieur. Les machines à pistons rotatifs comportant un axe intérieur ainsi que deux rotors tournant dans le même sens, dans les- quelles les rotors intérieur et extérieurs qui présentent des flancs profilés selon les lois des engrenages s'engrè- nent de manière similaire à un engrenage intérieur et exté- rieur, sont classées en trois types de machines conformé- ment aux critères introduits par la publication de Wankel dans ce domaine technique, à savoir "Einteilung der Rotationskolbenmaschinen" (1963, Deutsche Verlags-ANSTALT GmbH, Fachverlag Stuttgart). Selon cette classification, dans le cas d'une machine dite "KA", les points générant la courbe se situent sur le rotor extérieur et dans le cas d'une machine dite "KI", ceux-ci se situent sur le rotor intérieur, tandis que dans le cas d'une machine présentant un troisième type d'engrenage, la courbe est générée par des surfaces temporairement en contact qui roulent l'une sur l'autre comme dans le cas d'un engrenage. Le choix du type de machine adéquat dans chaque cas parti- culier, c'est-à-dire la forme du profilé ou la courbe géné- rée par l'engrenage des flancs des rotors dépend essentiel- lement de la puissance et du débit de la machine à pistons rotatifs, les flux comprimés nuisibles et volumes morts, -2- c'est-à-dire les volumes non refoulés par les pistons du rotor intérieur pénétrant dans les chambres de travail, étant évités ou du moins essentiellement réduits. Ces exigences se contredisent souvent; par exemple, on ne peut généralement pas éviter, lorsqu'on cherche à augmenter la résistance mécanique de la machine, d'usiner les extré- mités des parties du rotor extérieur, qui s'amincissent dans le sens du périmètre etde ce fait, toutefois de s'accommo- der des, espaces morts plus importants. Par le document allemand DE - A - 24 56 252, on connatt une machine à pistons rotatifs dans laquelle le rotor intérieur comporte des renflements agissant comme des pistons, qui sont adaptés aux formes des chambres de travail constituées par des évidements pratiqués dans le rotor extérieur et dont la courbe enveloppante se présente sous la forme d'une tro- cholde. La forme descenflements ou pistons du rotor inté- rieur est dans ce cas, produite cinématiquement par des lis- tels d'étanchéité logées dans des rainures pratiquées dans des sommets agencés entre les évidements du rotor extérieur; c'est-à-dire qu'il s'agit d'une machine du type "KA" et que le contour du rotor intérieur est déterminé par les listels d'étanchéité, on obtient dans le cas de cette machine à pis- tons rotatifs eonnue,une étanchéité des chambres sans con- tact, c'est-à-dire, mis à part les listels d'étanchéité, il n'y a pas de contact entre les flancs profilés des rotors intérieurs et extérieurs. Ceci présente notamment l'avan- tage qu'il n'est pas nécessaire de respecter des tolérances de fabrication serrées lors de la fabrication des deux ro- tors. Par contre, l'inconvénient réside dans le fait que les espaces morts nuisibles dans les chambres de travail, sont augmentés, inconvénient dé à la forme trocholdale produite par les listels d'étanchéité et déterminant la forme des renflements du rotor intérieur. -3- Notamment lorsque les listels d'étanchéité dont l'extrémité radiale est de forme hémicylindrique, s'engrènent dans le creux entre deux pistons, l'espace mort qui est de toute ma- nière présent s'accrolt encore plus, ce qui peut entraîner, dans le cas d'application de la machine en tant que compres- seur, que du gaz déjà comprimé est renvoyé vers l'aspiration de la machine. Par le document allemand DE - A - 34 32 915, on connaît une machine à pistons rotatifs qui consiste en une combinaison des trois types d'engrenage des trois machines connues; dans ce cas, à chaque étape de fonctionnement, existe une relation directe entre le contour du rotor extérieur et du rotor in- térieur, et ce de manière telle que les rotors exercent, dans chaque étape de rotation, une influence déterminante sur le contour de l'autre, c'est-à-dire génèrent le contour, et que, simultanément, est réalisée une mise en contact du rotor in- térieur et du rotor extérieur à la manière d'un engrenage. Pour que les deux rotors génèrent ou déterminent, lors de leur mouvement relatif l'un par rapport à l'autre, mutuel- lement leur forme, des zones d'angle du rotor intérieur se déplacent le long des surfaces latérales internes du rotor extérieur et des zones d'angle interne du rotor extérieur se déplacent le long des surfaces périphériques externes du rotor intérieur. Par cette influence mutuelle, le volu- me non refoulé par les pistons du rotor intérieur pénétrant dans les chambres de travail est réduit, c'est-à-dire que 1 espaces morts nuisibles sont ramenés à une valeur négli- geable grâce à l'optimalisation des contours des rotors. On a, pour ce faire, suivi un compromis en ce sens que, d'une part, les espaces morts sont ramenés à une valeur négligea- ble sans d'autre part, provoquer des flux comprimés inadmis- siblement importants ou indésirables. La réalisation de cette idée suppose toutefois, lors de la fabrication de ces machines à pistons rotatifs connues, des dépenses importantes - 4 dans les techniques de fabrication et une précision élevée du contour des flancs profilés des rotors intérieurs et ex- térieurs, s'engrenant l'un dans l'autre. En partant de la conception d'une machine dite du type "KA", c'est-à-dire, d'une machine comportant des points qui génè- rent les courbes, situés sur le rotor extérieur, le but de l'invention consiste à fournir une machine à pistons rota- tifs du type susmentionné qui présente les avantages d'un mode de construction simple du point de vue des techniques de fabrication et grâce à laquelle on peut malgré tout ré- aliser une étanchéification par contact, en fonctionnement, sans pour autant augmenter les espaces morts. Selon la présente invention ce but est atteint par des élé- ments en saillie qui présentent, dans le sens de rotation du rotor extérieur, deux arêtes étanchantes disposées à dis- tance, l'une à c8té de l'autre. De préférence, les arêtes sont disposées sur un cercle dont. le centre correspond à l'axe de rotation du rotor extérieur, ou bien les éléments en saillie en forme de listels qui s'étendent de préférence radialement vers l'intérieur présentent, entre les arêtes, un contour correspondant à un segment d'hypocyclolde. Des arêtes disposées sur un cercle sont plus faciles a réa- liser. Dans les deux cas, il est toutefois assuré qu'uni- quement les arêtes éventuellement légèrement arrondies dé- terminent le contour du rotor intérieur en tant que généra- trice de la courbe enveloppante et que, à l'état monté, uni- quement les arêtes constituent des arêtes d'étanchéité face au rotor intérieur. Etant donné que le volume enfermé dans les chambres de travail est séparé de manière étanche uni- quement par les arêtes d'étanchéité s'étendant sur toute la longueur du rotor intérieur, les autres parties du contour du rotor extérieur peuvent être rélisées de manière essen- tiellement plus grossière, c'est-à-dire avec plus de Jeu - 5 - et en s'écartant par exemple des contours d'hypocyclolde ou d'épicyclolde, éventuellement par simple alésage; il n'est par conséquent plus nécessaire de prévoir des ajustements de tolérance qui exigent des dépenses importantes. La précision absolument nécessaire du contour du rotor extérieur se limite ainsi plutôt aux arêtes. En cas de contact éventuel entre le rotor extérieur et le ro- tor intérieur, les arêtes subiront, par ailleurs, tout au plus une certaine abrasion de matière, ce qui n'est pas gê- nant en pratique. Dans le cas d'un piston de rotor intérieur pénétrant dans une chambre de travail du rotor extérieur, le piston s'appuie uniquement sur les arêtes de deux éléments d'engrenage adjacents du rotor extérieur de telle sorte que se forme un espace mort affectant une forme qui se rétrécit dans le sens orienté vers les arêtes, à la manière d'une fau- cille. Par contre, dans le cas de la machine à pistons rota- tifs connue par le document DE-A-24 56 252 présentant une étan- chéification par contact, l'espace mort s'agrandit dans la zone des listels d'étanchéité. On peut obtenir une utilisation optimale des chambres de tra- vail ou une limitation des espaces morts à la mesure immuable du point de vue constructif pour des machines dites du type "KA", présentant une étanchéification par contact, grâce à des courbes enveloppantes générées par les arêtes ou par un contour des pistons du rotor intérieur, déterminé par les arêtes, si chaque arête décrit de préférence, une épicyclolde. Avantageusement, les épicycloldes décrites par chaque fois un élément en saillie en forme de listel se coupent au som- met de la surface enveloppante d'un piston du rotor intérieur. La géométrie d'une machine à pistons rotatifs présentant un rayon d'étanchéité le plus grand possible et simultanément, un espace mort réduit et un volume utile important est ainsi déterminée par le fait que, premièrement, les sommets du ro- tor intérieur décrivent une hypocyclolde dans le rotor extérieur; -- 6 -- -6- cette hypocyclolde est interrompue par des évidements prati- qués dans le rotor extérieur en vue de former des chambres de travail. Les segments restants de l'hypocycloIde, ou pour des raisons de fabrication, les segments circulaires restants for- ment, avec les parois des chambres de travail, des arêtes qui génèrent de leur côté, les enveloppes du rotor intérieur; les épicyclodes décrites par les deux arêtes de chaque élément en saillie se croisent alors au sommet de l'enveloppe d'un piston du rotor intérieur, c'est-à-dire que le point d'intersection des deux épicycloldes représente le point le plus élevé d'un piston. Avantageusement, on peut fabriquer au moins les arêtes des élé- ments en saillie en forme de listel du rotor extérieur en un matériau plus doux que celui du rotor intérieur. Dans le cas d'une combinaison des matériaux dans laquelle le matériau des arêtes du rotor extérieur au moins est plus tendre que celui du rotor intérieur, les arêtes peuvent même être surdimension- nées; dans ce cas, les arêtes sont érodées selon le contour du rotor intérieur. Comme combinaison convient, par exemple, de l'aluminium contenant du magnésium pour le rotor extérieur et de l'aluminium contenant du silicium pour le rotor intérieur. Avantageusement, les éléments en saillie en forme de listel comportent une pièce interchangeable munie des arêtes cor- respondantes; à titre d'exemple, la pièce interchangeable peut consister en un sabot d'usure amovible. L'invention est décrite plus en détail ci-dessous à l'aide des formes d'exécution représentées dans les dessins dans lesquels: - la figure 1 représente une coupe radiale à travers une machine à pistons rotatifs comportant un rotor extérieur muni d'éléments en saillie radiaux présentant des arêtes définies, agencés sur des éléments d'engrenage; - 7 - la figure 2 est une représentation simplifiée du point de vue cinématique d'enveloppantes générées par les arêtes des éléments d'engrenage du rotor extérieur, enfermant entre elles un segment d'hypocyclolde ou de cercle, et générant le con- tour d'un piston d'un rotor intérieur d'une ma- chine à pistons rotatifs conforme à la figure 1; - la figure 3 représente, à échelle agrandie, un détail indi- qué par un cercle en traits d'axe à la figure 2. Une machine à pistons rotatifs 1 comporte, à l'intérieur du carter 2, un rotor extérieur 4 constitué par quatre éléments d'engrenages 3 reliés rigidement entre eux, ainsi qu'un ro- tor intérieur 6 comportant trois pistons rotatifs 5. Les rotors 4, 6, tournent dans le même sens, mais selon des vitesses de rotation différentes, autour des axes 7 et 8 qui sont écartés l'un de l'autre. Le rapport des vitesses de ro- tation sst de 4: 3, selon le rapport du nombre des chambres de travail 9 à 12 formées entre les éléments d'engrenage 3 du rotor extérieur 4 au nombre des pistons 5 du rotor intéri- eur 6. Dans le cas d'un rapport des vitesses de rotation de par exemple 3: 2, le rotor intérieur comporte deux pistons opposés et adopte la forme d'un profilé d'os à chien, tandis que le rotor extérieur présente, de manière correspondante trois éléments d'engrenages. Lors de la rotation du rotor extérieur 4 autour de l'axe 7 et du rotor intérieur 6 autour de l'axe 8 en direction de la flèche 13, un milieu comme par exemple de l'air, est aspiré via deux conduits d'admission 14, 15, comme représenté par les flèches 16, via des conduits d'aspiration 17 agencés dans le carter 2. Dans la position des rotors intérieurs et exté- rieurs 4, 6, représentée à la figure 1, le milieu 16 est as- piré, via les conduits d'aspiration 17 et les conduits -- 8 -- d'admission 14, 15, dans les chambres de travail 9, 10, par les pistons 5 tournant de manière excentrique autour de l'axe de rotation fixe 7 du rotor extérieur. Dans les conduits d'admission 14, 15, sont agencés des tiroirs rotatifs 18 avec lesquels on peut obturer les canaux d'aspiraton 17 de manière variable. Au cours de la rotation ultérieure des rotors 4,6, de la machine à pistons rotatifs 1 dans le sens de la flèche 13, le milieu aspiré atteint la zone d'évacuation 19 par la- quelle le milieu comprimé est évacué comme représenté pour la chambre de travail 12. Les éléments d'engrenage 3 du rotor extérieur 4 font radica- lement saillie vers l'intérieur et sont surmontés d'éléments en saillie 20 en forme de listel, qui sont munis de chaque fois deux arêtes agencées l'une à la suite de l'autre dans le sens de rotation 13 du rotor extérieur 4, mais écartées l'une de l'autre, représentées dans les figures 1 à 3 comme simples points angulaires 21, par suite des représentations en coupe. Dans la suite, les arêtes du rotor extérieur 4 s'étendant com- me arêtes d'étanchéité sur toute la longueur axiale du rotor intérieur 6 seront désignées par "points d'angle 21". Les points d'angle 21 déterminent, à titre de générateurs d'enveloppantes, le contour du rotor intérieur 6, notamment le contour des pistons 5 du rotor intérieur, pénétrant dans les chambres de travail 9 à 12 formées par des évidements 22 pratiqués dans la paroi du rotor intérieur 4. On peut ainsi obtenir une étanchéité par contact définie. Comme représenté plus en détail à la figure 2, les points d'angle 21 sont si- tués à une distance 23 l'un de l'autre soit sur un arc de cer- cle 24 dont le rayon R part d'un centre 25 correspondant à l'arc de rotation 7 du rotor extérieur 4, soit sur une hypocy- cloIde 27 décrite dans le rotor extérieur 4 par les sommets 26 des pistons 5 du rotor intérieur 6. Les points d'angle 21 sont donc reliés par un arc de cercle 28 ou par un segment - 9- d'hypocyclolde 29 (voir figure 3). La distance des points d'angle (ou des arêtes d'étanchéité) du centre 25 de l'axe de rotation 7 est déterminée par les critères suivants: le rayon intérieur le plus petit des pistons 5 -en partant du centre 25 de l'axe de rotation 7 du rotor extérieur 4 - correspond à la somme du rayon de l'arbre correspondant à l'axe 8 du rotor intérieur 6 et de la double excentricité (distance des axes de rotation 7, 8, entre eux). La plus petite distance possible des points d'angle corres- pond à la somme qui résulte du plus petit rayon intérieur des pistons 5 et de l'excentricité. Le respect de cette géométrie exclut une liaison entre le côté admission et le côté évacua- tion de la machine à pistons rotatifs 1, liaison allant de paire avec une perte de puissance. En ce qui concerne la dis- tance 23 (voir figure 2) entre les points d'angle 21, il y a lieu de noter que les difficultés à la fabrication augmentent en même temps que la dite distance se réduit. Etant donné que les courbes décrites par les points d'angle 21 se croisent au sommet 26 des pistons 5, la distance 23 détermine la grandeur de la déviation du point 26 par rapport à la courbe, c'est- à-dire le passage d'une hypocyclolde à un arc de cercle à courbure inversée. Chaque point d'angle 21 du rotor extérieur 4 décrit, lors de la rotation des rotors 4, 6, c'est-à-dire lors du roulement sur le cercle de roulement du rotor intérieur 6, une épicy- clolde 30, 31. Les épicycloldes 30, 31 générées par les points d'angle 21 d'un élément en forme de listel 20 faisant saillie se coupent au sommet 26 de la surface enveloppante d'un piston 5 du rotor intérieur 6, comme représenté à la partie inférieure de la figure 2. Les points d'angle 21 disposés l'un à côté de l'autre à une distance définie génèrent une courbe enveloppe 33, ayant la forme d'une épicyclolde et dé- terminant le contour des pistons 5. 2610 3 6 8 - 10 - Le contour 32 des évidements 22 du rotor extérieur 4, passant dans les chambres de travail 9 à 12 est adapté à la courbe enveloppe 33. Comme représenté à la figure 1 pour l'élément d'engrenage 3 disposé dans la moitié supérieure du dessin, 5. les points d'angle 21 peuvent être réalisés sur une pièce interchangeable 34 se présentant par exemple sous la forme d'un sabot d'usure. La pièce interchangeable 34 peut par exemple être appliquée ou glissée sur les éléments en saillie 10. 20 en forme de listel. - 11 - REVENDICATIONS 1. Machine à pistons rotatifs (1) comportant un rotor extéri- eur et un rotor intérieur (.4, 6) agencés dans un carter (2), qui tournent autour d'axes de rotation différents(7, 8), et des éléments en saillie en forme de listel (20) agencés sur des éléments d'engrenage (3) du rotor extérieur, orien- tés vers l'intérieur et générant le contour des pistons (5) du rotor intérieur (6), caractérisée en ce que les éléments en saillie (20) présentent deux arêtes d'étanchéité (21) agencées à distance l'une à côté de l'autre dans le sens de rotation du rotor extérieur (4). 2. Machine à pistons rotatifs selon la revendication 1, caractérisée par des éléments en saillie (20) orientés ra- dialement vers l'intérieur. 3. Machine à pistons rotatifs selon la revendication 1 ou 2 caractérisée en ce que les arêtes (21) sont disposées sur un cercle (24) dont le centre (25) est situé sur l'axe de rotation extérieur (4). 4. Machine à pistons rotatifs selon la revendication 1 ou 2 carac- térisée en ce que les éléments en saillie en forme de listel (20) présentent, entre les arêtes (21),un contour correspondant à un segment (29) d'une hypocycloide (27). 5. Machine à pistons rotatifs selon l'une des revendications 1 à 4 caractérisée en ce que chaque arête (21) décrit une épicycloide (30, 31). 6. Machine à pistons rotatifs selon l'une des revendica- tions 1 à 5 caractérisée en ce que les épicycloïdes (30,31) décrites par les arêtes (21) d'un élément en saillie, en forme de listel (20) se coupent au sommet (26) de la surface enveloppante d'un -12- piston (5) du rotor intérieur (6). 7. Machine à pistons rotatifs selon l'une des revendica- tions 1 à 6 caractérisée en ce que le matériau-des arêtes (21) au moins des éléments en saillie en forme de listel (20) du rotor extérieur est en un matériau plus doux que le matériau du rotor intérieur(6). 8. Machine à pistons rotatifs selon l'une des revendica- tlons 1 à 7 caractérisée par des éléments en saillie en forme de listel (20) comportant une pièce interchangeable (34) munie des arêtes (21).