Brevet FR2732069A1 — publié le 19960927

Dispositif pour la transformation dtn mouvement rectiligne alternatif en un mouvement de rotation, ou vice versa, avec possibilités d'agir sur les caractenstiques de courses du piston La présente invention concerne un dispositif pour transformer un mouvement rectiligne alternatif de type piston en un mouvement de rotation, ou vice versa, avec la possibilité d'avoir des courses de piston différentes (en longueurs, vitesses et accélérations), le tout sur un certain cycle. Cette transformation de mouvements est traditionnellement réalisée par un ensemble bielle, mancton, vilebrequin, dont le raIent est affaibli du simple fiiit de sa géométrie, dans la mesure où, d'une part un mouvement de rotation se greffe sur le mouvement de translation de la bielle et d'autre part la force appliquée n'est pas toujours tangentielle au mouvement de rotation de l'arbre. De plus, un tel mécanisme impose de nombreuses contraintes constitutives qui ne laissent que peu de possibilités d'actions sur les caractéristiques des courses du piston. Ces viennent essentiellement du fait que les liaisons entre bielle, maneton, vilebrequin imposent d'ellesmêmes les caractéristiques de courses du piston (par exemple longueurs de courses identies en descente et en montée), et du fait que le cycle mécanique est lié au cycle thermodynamique (par exemple deux tours de vilebrequin par cycle pour un moteur quatre temps).Or, des possibilités d'actions sur les couses du piston peuvent favoriser la thermodynamique du système, par exemple une intnption de la course permet d'approcher des transformations isochores. Par ailleurs, les problèmes liés aux forces d'inertie et aux forces de réaction méritent qu'on s'attarde sur la réduction des discontinuités (points de rebroussement) dans les mouvements des pièces. Le dispositif selon l'invention propose d'optimiser cette transformation de mouvements, tout en offlint de nmn'elles possibilités. Le dispositif comporte le traditionnel ensemble piston, bielle lié par une liaison pivot, et se i-anse par la la présence d'une pièce intermédiaire attachée à la bielle par une autre liaison pivot La pièce intermédiaire exerce, grâce à sa géométrie, deux lignes de contact constant, tangent et sans glissement avec respectivement deux éléments de rotation qui sont à la fois les supports du mouvement de rotation principal et les guides du mouvement de la pièce intermédiaire dans la mesure où ils agissent en étau sur celle-ci. L'agencement des pièces ainsi que la géométrie des surfines de contact entre pièce inrnaire et éléments de rotation confère au dispositif certaines libertés quant awr caractéristiques des courses du piston longueurs de courses variables, interruption de courses, etc. Ces propriétés se répètent selon un cycle qui n'est pas forcément imposé par le cycle thermodynamique du du piston, ni par le cycle mécanique des éléments de rotation. Certaines configurations particulières mènent à une optimisation du rendement de la transmission de mouvements visée. Néanmoins, la pièce intermédiaire doit présenter certaines caractéristiques minimales. Elle doit posséder une surface extérieure latérale constamment en contact avec la surface orale d'une roue extérieure (qui constitue l'un des éléments en rotation) et dont tout profil est une courbe fermée pour laquelle chaque point possède une tangente, et une surface intérieure w en contact avec la surface latérale de la roue intérieure (l'autre élément en rotation) et dont tout profil est une courbe fermée pour laquelle chaque point posède une tangente.Tout décollement des contacts est évité parce que, d'une part le rayon du cercle représentant la roue extérieure est inférieur au plus petit des rayons de courbures concaves (centre de courbure extérieur à la courbe) de la courbe représsentant la surface extérieure de la pièce intermédiaire, et d'autre part le rayon du cercle représentant la roue intérieure est inférieur au plus petit des raoyons de courbures convexes (centre de courbure intérieur à la courbe) de la courbe représentant la surface mtçrieme de la pièce interniiiire. Enfin, dans la meure où les axes de rotation des deux roues sont fixes par rapport à l'axe de translation du piston, les deux courbes représentant de profil les surfaces de la pièce intermédiaire sont parallèles; la distance minimale entre les circonférences des deux roues est épie à la distance entre les deux surfaces de la pièce intermédiaires, de sorte que l'espace entre les roues constitue le lieu de passage obligé de la pièce intermédiaire. Les modes de réalisation peuvent s'orienter vers divers cas particuliers que ron peut classer en plusieurs catégories selon les éléments du dispositif concernés. Cas particuliers liés à la disposition des axes de rotation des roues et de l'axe de translation piston: - axes de rayon des roues fixes par rapport à l'axe de translation du piston - axes de rotation des roues coplanaires. - axes de rotation des roues parallèles. - axes de rotation des roues orthogonaux à l'axe de transation du piston. Cas particuliers liés aux configurations longitudinales des surfaces de contact entre pièce intermédiaire et roues: - surfaces coniques. - surfaces cylindriques (implique des axes de rotation des roues parallèles). Cas particuliers liés aux profils des deux surfaces de la pièce intermédiaire: - profils constitués de segments de droites. - profils constitués d'arcs de cercles. - profils admettant chacun un cercle inscrit, c'est-à-dire un cercle tangent à tous les segments de droites. - les ments de droites de chaque profil forment un polygone régulier lorsqu'vils sont prolongés jusqu'à intersection. Cas particuliers liés à l'emplacement de la liaison pivot entre pièce intermédiaire et bielle: - axe de cette liaison coirespondant à la droite des centres des cercles inscrits tels qu'ils sont mentionnés ci-dessus, dans la mesure où ils sont effectivement colinéaires. - axe de cette liaison correspondant à la droite des centres des polygones réguliers tds qu'ils sont mentionnés ci-dessus, dans la mesure où ils sont effectivement colinéaires. Une autre option consiste en un profil de la surfice extérieure de la pièce intermédiaire contenant au moins un arc de cercle dont le centre passe par l'axe de la liaison pivot entre la bielle et la pince intermédiaire. On obtient ainsi une interruption de la course du piston. Enfin, pour parfaire les entraînements sans glissement, les surfaces de contact entre pièce intermédiaire et roues part être dotées de dents s'engrenant. Les dessins annexés illustrent l'invention, dans trois cas: La figure 1 représente en coupe le dispositif global en phase de course desceadante du piston, dans un cas que. La figure 2 représente en coupe le dispositif global en phase de course descendante du piston, dans un cas particulier. La figure 3 représente en coupe le dispositifglobal en phase de course montante du piston, dans le même cas particulier. La figure 4 représente en coupe la pièce intermédiaire dans le même cas particulier. La figure 5 représente en coupe la pièce intermédiaire dans un autre cas particulier. En référence à ces dessins, les pièces constituantes de ce dispositif sont, outre les pièces traditionelles piston (1) et bielle (2), la pièce intermédiaire (3), la roue extérieure (4) et la roue intérieure (5). Le piston (1) et la bielle (2) sont solidarisés par une liaison pivot, de même que la bielle (2) et la pièce intermédiaire (3). Le piston (1) est l'agent du mouvement rectiligne alternatif, alors que l'une ou l'autre ou les deux roues (4) et (5) sont les agents du mouvement de rotation. Les deux roues (4) et (5) peuvent tourner autour d'axes de rotation Par commodité de réalisations, on pet d'emblée sinposa ces deux axes copia-ires et fis par rapport à raxe de translation du piston (1). Outre leur d'assurer le mouvement de rotation, les deux roues (4) et (5) assument chacune un contact tangentiel sans glissement constant avec la pièce intermédiaire (3), permettant de la maintenir en étau et la guider sans rebroussement. C'est à la pièce intermédiaire (3), de par sa géométrie, qu'incombe le rôle de transformer le mouvement, tout en se prêtant au guidage imposé par les deux roues (4) et (5). Pour assurer ce guidage, la piéce intermédiaire (3) est munie de deux surfices latérales, l'une extérieure (6) pour assurer le contact avec la roue extérieure (4), l'autre intérieure (7) pour assurer k conbct avec la roue intérieure (5) Afin que ces contacts soient constants et déterminent un mouvement cyclique de la pièce intaire (3), chacun des profils des surfaces (6) et (7) doit être une courbe fermée. Afin que ces contacts soient tangents, tous les points des profils doivent possder une tangente. Afin d'aménager le passage de la pièce intermédiaire (3) entre les deux roues (4) et (5), l'épaisseur entre les deux surfaces (6) et (7) de la pièce intermédiaire égale l'espace libre entre les deux roues (4) et (5). Dans la mesure où les axes des roues (4) et (5) sont fixes et coplanaires, les contacts doivent se faire dans le plan de ces axes, ce ce qui implique que, pour chaque profil, les deux courbes représentant les surfices (6) et (7) de la pièce intermédiaire sont parallèles, et la distance minimale entre les circonférences des roues (4) et (5) égale la distance entre les profils des surfaces (6) et (7). Afin d'éviter tout décollement au niveau des lignes de contact, les dimensions ou formes des pièces sont telles que, pour chaque coupe de profil, d'une part le rayon du cercle r--t-t la roue extérieure (4) est inférieur au plus petit des rayons de courbures concaves (centre de courbure extérieur à la courbe) de la courbe représentas la surface extérieure (6) de la pièce intermédiaire, et d'autre part le rayon du cercle représentant la roue intérieure (5) est inférieur au plus petit des rayons de courbures convexes (centre de courbure intérieur à la courbe) de la courbe représentant la surface intérieure (7) de la pièce intermédiaire. Enfin, les surfaces en contact ne sont pas forcément cylindriques, mais peuvent par exemple être coniques pour tenir compte de la répartition des contraintes mécaniques. Une fois le guidage de la pièce intermédiaire (3) réglé, il existe encore de nombreux degrés de liberté quant à la la géométrie de ses deux surfaces (6) et (7). Ceux ci parvent être entièranent mis à petit pour optimiser les courses du piston (1), selon un cycle que ron peut choisir. La position de h liaison pivot entre bide (2) et pièce intermédiaire (3) et celle de raxe de translation du piston (1) offrent aussi des combinaisons diverses. Dans la suite sont présentées diverses réalisations possibles. Une première possibilité est un agencement dans lequel l'axe de translation du piston (1) est orthogonal au plan défini par les axes de rotation des roues (4) et (5). Cet agencer, assOsé à des profils des surfaces (6) et (7) de la pièce intermédiaire contenant des segements de droites, permet d'obtenir des phases de cossa du piston durant lesquelles l'ensemble piston (1), bielle (2), pièce intermédiaire (3) forme un bloc indéformable, donc sans perte inutile sous forme d'énergie cinétique. De plus, la force motrice s'exerce tangentiellement aux roues (4) et (5). Ces deux propriétés optimisent le rendement mécanique du dispositif. Dans un souci de simplicité de réalisation, on peut s'imposer quelques restrictions supplémentaires. D'abord on peut se contenter de surfaces de contacts entre roues (4) et (5) et pièce intermédiaire (3) cylindriques, ce qui implique que les axes de rotation des roues (4) et (S) sont parallèles. Ensuite, les deux profils des surfaces (6) et (7) de la pièce intermédiaire peuvent être exclusivement constitués de segments de droites et d'arcs de cercles. Si ron veut par aeple privilégier les phases de descente du piston (1), et qu'elles correspondent toutes à une même position de la bielle (2), on peut adjoindre les deux conditions suivantes aux précédentes. la courbe représentant de profil la surface extérieure (6) de la pièce intermédiaire possède un cercle inscrit (8) au sens d'un cercle tangent à tous les segments de droites; les ces (10) de ces cercles sont alors (dans le cas de surfaces de contact cylindriques) sur une même droite pour toutes les coupes de profil et cette droite constitue raxe de la lis on pivot entre la bielle (2) et la pièce intermédiaire (3). Ce cas de figure est illustré par les figures 2, 3 et 4.En conséquence, le profil intérieur (7) de la pièce intermédiaire possède lui aussi un cercle inscrit (9), concentrique à celui du profil extérieur (6). Pour satisfaire la condition sur les rayons de cowbures ci ci-dessus), tous les centres (11) des arcs de cercles des profils (6) et (7) de la pièce intermédiaire sont à rinteur du profil intérieur (7). Les éléments des profils (6) et (7) peuvent ainsi être regroupés en couples de segments de même longueur et en couples d'arcs de cercle concentriques et et de même ouverture angulaire.Chaque couple de segments correspond à une course descendante du piston (1). Chaque couple d'arcs de cercle détermine une course monte dont la longueur dépent de la distance du centre de ces arcs au centre (10) des cercles inscrits et de l'ouverture angulaire de ces arcs. A ce stade, la seule condition quant aux ris des roues (4) et (5) est que le rayon de la roue intérieure (5) soit inférieur au plus petit des rayons des arcs de cercles du profil intérieur (7) de la pièce intermédiaire. Une réalisation très simplifiée consiste, comme l'illustre la figure 5, en ce que les segments de droites contenus dans le profil de la surface extérieure (6) de la pièce intermédiaire définissent un polygone régulier lorsqu'ils sont prolongés jusqu'à intersection. Le profil de la surface intérieure (7) vérifie alors la même propriété avec un polygone régulier de même centre. Les centres de ces polygones sont alors (dans le cas de surfaces de contact cylindriques) sur une même droite pour toutes les coupes de profil. Cette droite constitue raxe de la liaison pivot entre la bielle (2) et la pièce intermédiaire (3).Dans ce cas, on profite bien entendu, des avantages à l'optimisation du rendement mécanique du dispositif, mais toutes les courses du piston (1) sont de même longueur. Par ailleurs, une interruption de la course du piston (1) est obtenue dès lors que le profil de la surface extérieure (6) de la pièce intermédiaire contient du moins un arc de cercle dont de centre passe par rase de la liaison pivot entre la bielle (2) et la pièce intermédiaire (3) (cette condition est alors aussi remplie par le profil intérieur (7)). Quelle que soit la réalisation, afin d'assurer un entraînement sans glissement, surface extérieure (6) de la pièce intermédiaire et roue extérieure (4) peuvent être nirnies de dents s'engrenant selon des tracés primitifs définis par les profils des deux pièces concernées. De même pour la surface intérieure (7) de la pièce intermédiaire et la roue intérieure (5). Enfin, rien n'e-ie de réaliser un système doté de plusieurs pistons. Chaque piston donne lieu à un sous-système piston (1), bielle (2), pièce intermédiaire (3), roue extérieure (4), roue intérieure (5), conforme à la présente invention Les roues extérieurs peuvent être regroupies sur un même arbre, tout comme les roues intérieures. On peut aussi envisager qu'une même roue soit utilisée pour plusieurs pistons. Outre roptimisation du rendement mécanique et la possibilité d'agir sur les caractéristiques des courses de piston (1), la preste invention possède quelques autres avantages. Un premier avantage réide dans la possibilité d'agir directement sur le couple moteur. IYabord en usant du fait que les cycles de piston (1) (cycle thermodynamique), pièce intermédiaire (3) et roues (4) et (5) sont indépendants. Par exemple, pour un moteur quatre temps et pour pièce intermédiaire (3) dont le cycle correspond à un cycle moteur, il suffit de prendre une roue extérieure (4) de clrconfirence double à cene du profil extérieur (6) de la pièce imetmédiaire pour avoir deux riions par tour de roue extérieure (4). Ensuite, les rayons des roues (4) et (5) ont une conséquence directe sur le couple moteur. Un second avantage concrne les mouvements des différentes pièces. En effet, les pièces sont toutes guidées de matière à éviter tout rebroussement préjudiciable à la tenue des matériaux. Enfin, les roues (4) et (5) engendrent des arbres équilibrés naturellement, à la différence des vilebrquins. Le dispositif selon l'invention est particulièrement destiné aux moteurs à explosion, ou tout autre dispositif à piton(s). REVENDICATIONS 1) Dispositif pour transformer un mouvement rectiligne alternatif en un mouvement de rotation, ou vice versa, caractérisé en ce qu'un piston (1) (agent du mouvement rectiligne alternatif) est raccordé à une bielle (2) par une liaison pivot elle-même raccordée par une liaison pivot à une pièce int (3) maintenue en étau entre deux roues (4) et (5) en rotation (l'une, rautreou les deux agnt(s) du mouvement de rotation) respectivement par deux lignes de contact le long desquelles s'effectuent des entraînements tangentiels sans glissement. 2) Dispositif selon la revendication 1 cactérisé en ce que la pièce intermédiaire (3) présente une surfine extérieure latérale (6) consumms en contact avec la surface latérale de la roue extérieure (4) et dont tout profil est une courbe fermée pour laquelle chaque point possède une tangente, et une surface intérieure (7) constamment en contact avec la surface latérale de h roue intérieure (5) et dont tout profil est une courbe fermée pour laquene chaque point pose une tangente. 3) Dispositif selon la revendication 2 caractérisé en ce que les axes de rotation des roues (4) et (5) sont fixes par rapport à l'axe de translation du piston (1), et, pour un même profil, les deux courbes représentant les surfaces (6) et (7) de la pièce intermédiaire sont parallea, les formes, dimensions et agencement des pièces étant tels que la distance minimale entre les circonférences des deux roues (4) et (5) égale la distance entre les deux surfaces (6) et (7) de la pièce intermédiaire, de sorte que l'espace entre les roues (4) et (5) constitue le lieu de passage obligé de la pièce intermédiaire (3), tout décollement des contacts étant évité parce que, d'une part le rayon du cercle le représentant la roue extérieure (4) est inférieur au plus petit des vs de courbures concaves (centre de courbure extérieur à la courbe) de la courbe représentant la surface extérieure (6) de la pièce intermédiaire, et d'autre part le rayon du cercle représentant h roue intériure (5) est inférieur au plus petit des rayons de courbures conves (centre de courbure intérieur à la courbe) de la courbe représentant la surface intérieure (7) de la pièce intermédiaire. 4) Dispositif selon la revendication 2 ou la revendication 3 caractérisé en ce que les axes de rotation des roues (4) et (5) sont coplanaires et orehogonaux à Taxie detranslation du piston (1). 5) Dispositif selon la revendication 2 ou la revendication 3 caractérisé en ce que les axes de rotation des roues (4) et (5) sont parallèles et les surfaces de contact entre pièce intermédiaire (3) et roues (4) et (5) sont cylindriques. 6) Dispositif selon l'une au moins des revendications 2, 3, 4 ou 5 caractérisé en ce que, pour chaque coupe de profil, les courbes représentant les surfaces extérieure (6) et intérieure (7) de la pièce intermédiaire contiennent des segments de droites et des arcs de cercles. 7) Dispositif selon rune au moins des revendications 2, 3, 4, 5 ou 6 caractérisé en ce que, pour chaque coupe de profil, les courbes --n-t les surfaces extérieure (6) et intérieure (7) de la pièce intermédiaire contiennent chacune au moins un arc de cercle dont le centre passe par l'axe de la liaison pivot entre la bielle (2) et la pièce intermédiaire (3). 8) Diwodfif selon rune au moins des revendications 2, 3, 4, 5, 6 ou 7 caractérise en ce que, pour chaque coupe de profil, les courbes représentant les surfaces extérieure (6) et intérieure (7) de la pièce intermédiaire possèdent chacune un cercle inscrit (8) ou (9) au - sens cercle tangent à tous les segments de droites de la courbe représentant la surface (6) ou (7), les centres (10) de ces cercles obtenus pour toutes les coupes de profil étant suer une même droite qui constitue rac de la liaison pivot entre la bielle (2) et la pièce intermédiaire (3). 9) Dispositif selon rune au moins des revendications 2, 3, 4, 5, 6 ou 7 caractérisé en ce que, par pour coupe de profil, chacune des courbes représentant les surfaces (6) et (7) de la pièce intermédiaire contient des segments de droites qui définissent un polygone régulier lorsqu'ils sont poe jusqu'à intersection, les centres de ces polygones obtenus pour toutes les coupes de profil étant sur une même droite qui constitue raxe de la liaison pivot entre la bide (2) et la pièce intermédiaire (3). 10) DispoStif sdon rune au moins des revendications précédentes caractérisé en ce que les surfaces de contact entre pièce intermédiaire (3) et roues (4) et (5) sont munies de dents s'engrenant.