Brevet FR2645605A1 — publié le 19901012

La présente invention concerne un coussinet de forme particulière, destiné à coopérer avec un maneton allongé, une articulation formée entre deux pièces dont l'une présente un mouvement de rotation par rapport à l'autre et comprenant un tel coussinet et un maneton, ainsi qu'un moteur comportant au moins une telle articulation. De très nombreux mécanismes comportent un système à bielle et manivelle, habituellement destiné à transformer un mouvement de rotation en un mouvement de translation rectiligne ou inversement. Des exemples de tels mécanismes sont les moteurs à combustion interne du type à piston alternatif, les compresseurs volumétriques à piston alternatif, les presses mécaniques, etc. Lorsque la course d'un système à bielle et manivelle a été déterminée, sa variation générale est elle-même aussi pratiquement déterminée. Plus précisément, si la longueur de manivelle est infinie, la courbe obtenue est une vraie sinusoïde (courbe en trait interrompu de la figure 1) mais, en général, la bielle a une longueur déterminée et la variation de la course ne correspond qu'approximativement à une variation sinusoïdale, comme indiqué par la courbe en traits mixtes de la figure 1. On note cependant que les demi-courses couvrent toujours 180 . En d'autres termes, les deux demi-courses sont symétriques l'une de l'autre. Il existe cependant des cas dans lesquels il serait souhaitable de disposer de courbes dissymétriques. Par exemple, dans le cas des presses mécaniques, on sait qu'il est souhaitable que, lorsqu?'un poinçon a pénétré dans une pièce, il reste un certain temps au point bas et ne remonte ensuite que progressivement. Un autre exemple est celui des moteurs à combustion interne à cycle à quatre "temps" qui comprend successivement, dans chaque cylindre du moteur, une course d'aspiration d'un gaz par le piston qui s'écarte du fond du cylindre par lequel pénètre le mélange combustible, une course de compression du mélange combustible, une course de détente au cours de laquelle, après allumage, le mélange combustible brûle et se détend en chassant le piston (course motrice), et une course d'échappement dans laquelle le piston revient vers le fond du cylindre en chassant devant lui les gaz brûlés. On sait depuis longtemps qu'il est souhaitable d'allonger la course d'aspiration afin qu'une plus grande quantité de mélange combustible puisse pénétrer et que la stratification du mélange soit satisfaisante et d'allonger la course de détente afin que, au début de cette course et pendant la combustion, la pression puisse atteindre une valeur accrue et puisse donc donner un meilleur rendement, et que la combustion puisse être plus complète et dégage moins de polluants.Par contre, on sait que la course de compression qui est presque purement mécanique et la course d'échappement pourraient être raccourcies par rapport aux courses précédentes, Compte tenu des considerations qui précèdent, on a déjà realise des moteurs à piston rotatif ou à pistons commandés par des cames, destinés à allonger des parties du +ycle correspondant à l'aspiration et à la détente, au détriment des parties du cycle qui correspondent à la compression et à l'échappement. Cependant, ces réalisations présentent l'inconvénient de s'écarter beaucoup de la technique habituelle des moteurs à combustion interne à quatre temps, si bien que leur mise au point, avec un degré de sophistication voisin de celui des moteurs à pistons alternatifs, nécessiterait des études et des travaux longs et onéreux. L'invention concerne un nouveau type d'articulation qui, dans le cadre des moteurs à combustion interne à cycle à quatre temps, ne nécessite que des modifications réduites d'un petit nombre de pièces seulement. Cependant, l'invention n'est pas limitée à cette seule application et elle concerne toutes les applications des systèmes à bielle et manivelle. Avant la description de l'invention, il convient de préciser certaines définitions. Le terme "manivelle" est utilisé pour désigner, dans une structure du-type à bielle et manivelle, celui des deux éléments qui tourne et le terme "bielle" celui des deux éléments qui a une partie à déplacement alternatif. Le terme "coussinet" est utilisé pour désigner une pièce quelconque ayant une cavité cylindrique dans laquelle peut tourner un maneton, cette pièce pouvant être en une seule ou en plusieurs parties. Cependant, la section droite du cylindre générateur de la cavité du coussinet n'est pas un cercle, mais est une courbe composite formée de plusieurs arcs de cercle.De même, le terme "maneton" désigne de façon générale un élément mâle placé dans un coussinet, mais cet élément mâle a une section qui n'est pas circulaire mais qui est aussi une section composite et comporte au moins deux arcs de cercle. L'invention concerne un coussinet ayant une cavité de section droite curviligne de forme générale triangulaire délimitée par au moins trois arcs de cercle centrés chacun sur l'un des trois sommets d'un triangle équilatéral rectiligne, le rayon des arcs de cercle étant supérieur ou égal à la longueur du côté du triangle équilatéral rectiligne, chaque arc de cercle recouvrant un angle supérieur ou égal à 60" autour de son centre. Dans un mode de réalisation particulier, chaque arc de cercle recouvre un angle sensiblement égal à 60 , et les extrémités voisines, de chaque paire d'arcs de cercle sont reliées par un arc de cercle supplémentaire dont le rayon est sensiblement égal au rayon desdits arcs de cercle réduit de la longueur du côté du triangle équilatéral rectiligne et qui recouvre un angle de 60". Il est avantageux que le coussinet soit formé de trois parties sensiblement semblables, ayant chacune un arc de cercle d'angle supérieur ou égal à 60 . L'invention concerne en particulier un coussinet qui a une cavité de section droite curviligne de forme générale triangulaire délimitée par six arcs de cercle tangents les uns aux autres et centrés deux à deux sur chacun des trois sommets d'un triangle équilatéral rectiligne de côté égal à une distance déterminée, le rayon d'un arc de cercle de chaque paire étant égal à un premier rayon et le rayon de l'autre arc de cercle de la paire étant égal à la somme de la distance prédéterminée et du premier rayon, chaque arc de cercle recouvrant un angle de 60 autour de son centre. L'invention concerne aussi une articulation formée entre deux pièces dont l'une présente un mouvement de rotation au moins partielle par rapport à l'autre ; une première pièce a un maneton ayant une section droite dont les extrémités en direction longitudinale sont telles que chacune est circonscrite par un arc de cercle ayant un rayon qui est le même pour les deux extrémités, les centres des cercles étant sépares par une certaine distance, et une seconde pièce comporte un coussinet tel que défini précédemment, les trois arcs de cercle du coussinet ayant un rayon égal à la somme dudit rayon et de ladite distance. Dans un mode de réalisation avantageux, la première pièce est une manivelle et la seconde pièce est une tête de bielle. Dans un autre mode de réalisation, la première pièce est une tête de bielle et la seconde pièce est une manivelle. De préférence, la première pièce est une manivelle et le maneton est décentre par rapport au centre de rotation de la manivelle. En outre, il est avantageux que l'axe longitudinal du maneton soit incliné par rapport à la direction passant par le centre du maneton et l'axe de rotation de la manivelle. Dans un autre mode de réalisation dans lequel la deuxième pièce est une manivelle, le coussinet est décentré par rapport au centre de rotation de la manivelle. L'invention concerne aussi un moteur à combustion interne du type à piston, dans lequel l'articulation formée entre un maneton et une tête de bielle d'au moins un piston est telle que défini-dans les paragraphes précédents. L'invention concerne aussi un procédé de fabrication d'un coussinet tel que défini précédemment, comprenant - le montage de deux fraises de même rayon en directions parallèles et à une certaine distance l'une de l'autre, - la formation d'une ébauche ayant une cavité dont une dimension au moins est supérieure au double dudit rayon mais est inférieure à la somme de ladite certaine distance et du double du premier rayon, - le rapprochement des deux fraises afin qu'elles puissent passer dans le trou de l'ébauche, - l'écartement des deux fraises à ladite certaine distance l'une de l'autre de manière qu'elles forment deux parties en arc de cercle ayant ledit rayon, - la rotation d'une fraise de 60 autour de l'axe de l'autre fraise, - la rotation de l'autre fraise de 60 autour de l'axe de la première fraise, et - la rotation de la première fraise de 60 autour de l'autre fraise. De préférence, l'ébauche est formée par forgeage. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels la figure 1 à laquelle on s'est déjà référé représente un exemple de courbe asymétrique représentative de la course d'un système à bielle et manivelle comprenant une articulation selon l'invention, comparée à la course d'un système classique à bielle et manivelle ; la figure 2 est une coupe représentant les dispositions géométriques relatives d'un maneton et d'un coussinet réalisés selon l'invention la figure 3 représente schématiquement un système à bielle et manivelle selon l'invention ; et la figure 4 est une vue en plan d'une partie de coussinet. La figure 2 représente la configuration caractéristique de la section de la cavité centrale d'un coussinet d'un mode de réalisation avantageux de l'invention. Les points A, B et C de la figure 2 sont les sommets d'un triangle équilatéral de côté h. Sur la figure 2, les côtés du triangle équilatéral ont été prolongés, comme indiqué par les traits interrompus. Selon l'invention, la section est délimitée par six arcs de cercle. Pour chaque sommet A, B, C, un premier arc de cercle 10, 12, 14 de même rayon R est compris entre les prolongements des deux côtés passant par le sommet adjacent. L'autre arc de cercle 16, 18, 20 est formé dans l'angle opposé par le sommet et a un rayon égal à la somme du rayon R et de la longueur h du côté du triangle équilatéral. Le maneton placé à l'intérieur du coussinet est allongé et est délimité par deux parties en arc de cercle de rayon R, centrées en deux points D et E séparés par la distance h qui est égale à la longueur du côté du triangle équilatéral. Lors du fonctionnement et à partir de la position représentée sur la figure 2, dans un sens choisi arbitrairement, le maneton tourne autour de son centre E qui est confondu avec le sommet C si bien que l'autre centre D parcourt l'arc de cercle indiqué en trait interrompu de B à A. Lorsque le point D se confond avec le sommet A, le maneton tourne autour du point D et l'autre centre E décrit l'arc de cercle indiqué en trait interrompu de C à B. Lorsque le point E atteint le point B, la rotation s' effec- tue autour du point E et le point D décrit l'arc de cercle indiqué en trait interrompu de A vers C. Ensuite, le maneton tourne autour du point D qui est confondu avec le point C pendant que le point E décrit l'arc de cercle indiqué trait interrompu entre B et A. Le maneton tourne alors autour du point E confondu avec le point A pendant que le point D décrit l'arc de cercle indiqué en trait interrompu de C à B. Lorsque le point D a atteint le point B, la rotation s'effectue autour de ce point B si bien que le point E décrit l'arc de cercle indiqué en trait interrompu du point A vers le point C.Ensuite, la rotation se poursuit autour du point E confondu avec le point C, le point B parcourant l'arc de cercle indiqué en trait interrompu de B vers A et repassant à la position initiale indiquée sur la figure 2. On note donc qu'un cycle complet comporte six rotations successives de 60 , alternativement autour des points D et E et alternativement autour des points A, B et C. Le maneton dont les extrémités sont délimitées par les arcs de cercle centrés sur les points D et E est en fait solidaire d'une manivelle comme indiqué sur la figure 3. Le centre de rotation du maneton est en général en dehors de l'axe DE. Ce centre O de rotation de la manivelle est tel que la direction des centres DE fait un angle á non nul avec la droite OP qui relie le centre 0 de rotation de la manivelle au centre du segment DE. De même, le coussinet peut avoir diverses orientations en rotation par rapport à l'axe (30 sur la figure 3) de la bielle à laquelle il est incorporé, dans un exemple.Suivant la position en rotation du coussinet par rapport à l'axe 30 de la bielle, représentée par l'angle ss sur la figure 3, la longueur de la bielle, la longueur du segment OP et l'angle a du segment OP et de la droite DE, la courbe représentant la course peut être tres différente. En fait, pendant un cycle complet, la courbe est constituée de six arcs de courbes sinusoïdales ou pseudo-sinusoidales raccordés les uns aux autres comme représenté par exemple sur la figure 1 par la courbe 32 en traits pleins. La figure 1 permet la comparaison de courbes 32 et 33 obtenues selon l'invention et de courbes obtenues de manière classique. Sur la figure 1, les ordonnées représentent la course, c 'est-à-dire la position du point O de la figure 3 le long de l'axe OQ. Les abscisses représentent l'angle de rotation de la manivelle, c'est-à-dire l'angle e indiqué sur la figure 3 autour du point 0. On note que, dans le cas des courbes classiques, la demi-course correspondant å la descente du piston, entre les points 34 et 36, est exactement égale a la demi-course de remontée ou de compression comprise entre les points 36 et 40.Au contraire, la courbe 32 selon l'invention est telle que la course de descente, comprise entre les points 34 et 38 est bien supérieure à la course de remontée, comprise entre les points 38 et 40. On note en particulier que, au voisinage du point 34 et juste après le passage au point mort haut, la courbe 32 selon l'invention a une décroissance plus lente que les courbes connues. Dans le cas d'un moteur à combustion interne å pistons alternatifs, une telle variation permet l'obtention d'une pression plus élevée que celle qui est obtenue dans une chambre classique, lorsque les autres paramètres gardent des valeurs identiques.La courbe 33 qui correspond à un autre mode de réalisation donne un très long palier (la partie dans laquelle la variation est de moins de 1 % de la course autour du point mort haut atteint 45 ). La figure 3 montre plus en détails comment une bielle et une manivelle selon l'invention cooperent pendant le fonctionnement. La manivelle 42, centrée sur l'axe de rotation O et représentée avec un contrepoids 43, comprend le maneton 44 qui est centré sur le point P et qui tourne autour du point 0. La bielle 46 a une tête 48 dans laquelle est formé le coussinet selon l'invention. Une direction de référence du coussinet, reperée par la référence 50 et passant par le centre d'un petit arc de cercle et le centre du coussinet, fait un angle ss avec l'axe 30 de la bielle, c'est-à-dire l'axe passant par le centre du coussinet et le point Q- d'articulation sur le piston.Cet angle p peut évidemment avoir diverses valeurs, donnant des effets dif férents lorsqu'il varie dans une plage de 1200. A-delå de cette plage, les nouvelles positions obtenues correspondent à des positions antérieures, étant donné que le coussinet a une symétrie d'ordre trois. On a représenté, sur les figures 2 et 3, un maneton de forme allongée, terminé par deux arcs de cercles. La partie intermédiaire a été représentée délimitée, en coupe, par des droites. Cependant, cette disposition n'est pas indispensable. En effet, les deux arcs de cercle d'extrémité, ayant un rayon sensiblement égal à celui des petits arcs de cercle du coussinet, peuvent être eux-mêmes reliés par des arcs de cercle dont le rayon peut être sensiblement égal au rayon des grands arcs de cercle du coussinet. Il est par exemple avantageux que ce rayon soit très legèrement inférieur à celui des grands arcs de cercle du coussinet afin que, lorsqu'une extrémité du maneton est sur le point de s'appliquer contre un petit arc de cercle, l'autre extrémité commence à s'écarter du petit arc de cercle correspondant du coussinet. En outre, lorsque la distance séparant les centres D et E est supérieure au double du petit rayon, le maneton peut être formé par deux organes circulaires centrés en D et E et ayant le petit rayon. Par exemple, chacun de ces organes peut être constitué par un roulement à bille ou un coussinet de section droite circulaire. On sait que, dans les moteurs à combustion interne à pistons alternatifs, la lubrification est assurée par transmission d'huile par des canaux percés dans le vilebrequin, c'est-à-dire les manivelles et les manetons. Selon l'invention, il est avantageux que les canaux d'huile débouchent aux extrémités du maneton, pratiquement sur l'axe reliant les centres D et E ou à proximité des extré- mités de cet axe. De cette manière, l'huile est introduite juste à l'emplacement de plus grand frottement. La figure 2 représente aussi le mode de réalisation fondamental de l'invention. En effet, les petits arcs de cercle 10, 12 et 14 ne sont pas indispensables du moment que le maneton peut tourner autour des points A, B et C. Les grands arcs de cercle 16, 18 et 20 peuvent se prolonger au-delà du prolongement des cotés du triangle ABC, ctest-à- dire sur plus de 60", comme l'indiquent les traits interrompus 52 qui se recoupent en 54. Dans ce cas, la rotation autour de chaque sommet A, B ou C est assurée par contact de la surface circulaire d'extrémité du maneton avec les deux points de deux grands arcs adjacents, tels que 16 et 20, qui recoupent les prolongements des côtés correspondants du triangle, c'est-à-dire les deux points 56 et 58 sur la figure 2. Il est alors avantageux que le coussinet soit fabriqué en trois parties, de préférence identiques. Comme représenté sur la figure 4, une partie de coussinet a une forme délimitée par un arc de cercle concave (correspondant à l'un des arcs 16, 18, 20 mais plus long), un arc de cercle convexe 60 recouvrant un angle de 60 , et deux cotés rectilignes 62 formés par des parties de rayon du cercle formant l'arc 60. Bien entendu, ces côtés 62 peuvent avoir toute forme commode capable de coopérer, éventuellement par emboîtement, avec un côté d'une autre partie de coussinet. Dans un cas limite, les grands arcs de cercle ont un rayon égal au côté du triangle équilatéral, et les petits arcs de cercle sont de simples points Le maneton a alors la forme d'un calisson par exemple. La caractéristique importante est que chaque extrémité du maneton et/ou les "coins" de la cavité triangulaire du coussinet coopèrent de maniere que le maneton tourne de 60 autour de chaque sommet A, B, C (figure 2) en étant guidé. On a indiqué, sur la figure 1, un exemple de courbe 32 qui peut être utilisée dans un moteur à combustion interne à pistons alternatifs ; la course comprise entre les points 34 et 38 correspond aux courses de détente et d'aspiration, et la course comprise entre les points 38 et 40 correspond aux courses de compression et d'échappement. Cependant, de nombreuses autres formes de courbes peuvent être obtenues, en fonction de l'application considérée du système à bielle et manivelle, comme l'indique par exemple la courbe 33. C'est l'application prévue qui détermine la configuration de courbe voulue. Cette configuration dépend essentiellement des paramètres suivants : la longueur h du côté du triangle équilatéral, représentée par le segment DE, la longueur du bras de manivelle OP, l'angle a de l'axe longitudinal du maneton avec l'axe de la manivelle, l'angle p représentatif de l'orientation du coussinet par rapport à l'axe longitudinal de la bielle, et la longueur de la bielle, entre la centre du coussinet et le point Q d'a,pli- cation de force.Ces paramètres sont bien plus nombreux que ceux d'un système classique à bielle et manivelle (longueur du bras de manivelle, longueur de la bielle). Dans l'exemple correspondant à la courbe 32, le coté du triangle équilatéral étant pris comme unité, la longueur du segment OP est égale à 0,98, l'angle a est de 48 401, l'angle p est de 10 32', et la longueur de la bielle est égale à 4,33. Le point mort haut est à 5,41 et le point mort bas à 3,29, donnant une course de 2,12. Dans l'exemple correspondant a la courbe 33, la longueur du segment OP est égale a 1,04, l'angle a est de 8" 36', l'angle p est de 45 et la longueur de la bielle est égale à 4,56. La course est aussi égale à 2;12. Etant donné la configuration allongée du maneton, la tête de bielle a un poids et un encombrement supérieurs à ceux la tête de bielle d'un système classique à bielle et manivelle. Cette augmentation de poids nécessite l'augmentation du poids des contrepoids et donc du vilebrequin. Cependant, cette augmentation de poids peut être compensée par réduction du poids du volant, puisque la masse ajoutée à la tête de bielle introduit essentiellement un moment d'inertie de rotation autour de l'axe du vilebrequin. Dans le cas de l'application à des moteurs à combustion interne, l'articulation selon l'invention donne une plus grande latitude de sélection en fonction du problème particulier à résoudre. Par exemple, des problèmes posés par ces moteurs sont l'augmentation de rendement et la réduction des polluants. L'articulation selon l'invention permet un ralentissement du piston au début de la course de détente et donc l'obtention d'une pression accrue dans la chambre. Une telle pression accrue augmente la surface représentative du travail utile sur un diagramme pressionvolume, et permet donc l'augmentation du rendement du moteur. D'autre part, l'allongement de la course d'aspiration permet un meilleur contrôle de la charge combustible et une meilleure combustion, réduisant les polluants créés. Les considérations qui précèdent n'ont été données qu'à titre illustratif, la caractéristique essentielle de l'invention étant de permettre une modification de la course d'un système à bielle et manivelle, par utilisation d'un coussinet de forme particulière. REVENDICATIONS 1. Coussinet, caractérisé en ce qu'il a une cavité de section droite curviligne de forme générale triangulaire délimitée par au moins trois arcs de cercle (16-20) centrés respectivement chacun sur l'un des trois sommets (A, B, C) d'un triangle équilatéral rectiligne, le rayon des arcs de cercle étant supérieur ou égal à la longueur du côté du triangle équilatéral rectiligne, chaque arc de cercle recouvrant un angle supérieur ou égal à 60 autour de son centre. 2. Coussinet selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque arc de cercle (16-20) recouvre un angle sensiblement égal à 60 , et les extrémités voisines de chaque paire d'arcs de cercle sont reliées par un arc de cercle supplémentaire (10-14) dont le rayon est sensiblement égal au rayon desdits arcs de cercle réduit de la longueur du côté du triangle équilatéral rectiligne et qui recouvre un angle de 60 . 3. Coussinet selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il est formé de trois parties sensiblement semblables, ayant chacune un arc de cercle d'angle supérieur ou égal à 60". 4. Articulation formée entre deux pieces dont l'une présente un mouvement de rotation au moins partielle par rapport à l'autre, caractérisée en ce que - une première pièce a un maneton (44) ayant une section droite allongée dont les extrémités en direction longitudinale sont telles que chacune est circonscrite par un arc de cercle ayant un rayon qui est le même pour les deux extrémités, les centres des cercles étant séparés par une certaine distance, et - une seconde pièce comporte un coussinet selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, les trois arcs de cercle du coussinet étant égaux à la somme dudit rayon et de la dite certaine distance. 5. Articulation selon la revendication 4, caracté risée en ce que la première piece (42) est une manivelle et la seconde pièce est une tête de bielle. 6. Articulation selon la revendication 5, caractérisée en ce que le maneton (44) est décentré par rapport au centre de rotation de la manivelle. 7. Articulation selon la revendication 6, caractérisée en ce que l'axe longitudinal du maneton (44) est incliné par rapport à la direction passant par le centre du maneton et l'axe de rotation de la manivelle. 8. Articulation selon la revendication 4, caractérisée en ce que la.première pièce est une tête de bielle et la seconde pièce est une manivelle, et le coussinet est décentré par rapport au centre de rotation de la manivelle. 9. Articulation selon l'une quelconque des revendications 4 à 8, caratérisée en ce que le maneton comporte deux organes circulaires rotatifs distants. 10. Moteur à combustion interne du type à piston alternatif, caractérisé en ce que l'articulation formée entre un maneton et une tête de bielle d'au moins un piston est selon l'une quelconque des revendications 4 à 9.