Brevet FR2747730A1 — publié le 19971024

Moteur rotatif à fluide, notamment hydraulique. La présente invention concerne un moteur rotatif à fluide, notamment hydraulique, du type comportant une enveloppe délimitant une enceinte. De nombreux moteurs rotatifs hydrauliques ou pneumatiques ont été développés à ce jour. Toutefois, il existe un besoin constant des industriels d'améliorer le rendement de tels moteurs tout en simplifiant leur fabrication. Le but de la présente invention est donc de proposer un moteur rotatif à fluide, simple à fabriquer, susceptible de fonctionner éventuellement selon deux sens de rotation différents, le rotor et le stator étant indifféremment constitués par l'un ou l'autre des éléments constitutifs du moteur. Un autre but de la présente invention est de proposer un moteur ne nécessitant qu'une très faible quantité de fluide pour fonctionner. A cet effet, l'invention a pour objet un moteur rotatif à fluide, notamment hydraulique, du type comportant une enveloppe délimitant une enceinte, caractérisé en ce que l'enceinte est organisée autour d'un arbre intégrant au moins un conduit d'admission de fluide et un conduit d'échappement, cet arbre portant une came dont l'apogée est destinée à venir en contact glissant étanche avec une paroi interne de l'enceinte, cette paroi interne étant formée de secteurs fixes, espacés circonférentiellement, pour délimiter des logements à l'intérieur desquels sont disposés des secteurs mobiles, tels que volets, chaque volet déplaçable angulairement étant maintenu en permanence contre le profil de l'arbre et/ou de la came de manière à former entre volet, arbre et/ou came, à l'intérieur de l'enceinte, une succession de chambres à volume variable, ces chambres faisant notamment office, en fonction des positions angulaires relatives de l'enveloppe et de la came, de chambre d'admission/compression (temps moteur) ou de chambre d'échappement de fluide. Selon une forme de réalisation préférée de l'invention, les secteurs mobiles, tels que volets, sont chacun déplaçables angulairement autour d'un axe disposé sur un cercle sensiblement concentrique à l'arbre. L'invention sera bien comprise à la lecture de la description suivante d'un exemple de réalisation, en référence aux dessins annexés dans lesquels les figures 1 à 5 représentent des vues en coupe transversales d'un moteur conforme à l'invention, dans lesquelles l'enveloppe et la came occupent des positions angulaires relatives différentes la figure 6 représente une vue en coupe transversale d'un moteur conforme à l'invention à deux sens de rotation. Le moteur rotatif, objet de l'invention, est un moteur nécessitant pour son fonctionnement la présence d'un fluide. Ce fluide peut être un liquide, on parlera alors de moteur rotatif hydraulique ou un gaz, en particulier de l'air, on parlera alors en particulier de moteur rotatif pneumatique. Il sera décrit ci-après plus particulièrement une application relative à un moteur rotatif hydraulique. Toutefois, une construction analogue pourrait être décrite dans le cas d'un moteur rotatif pneumatique. Le moteur rotatif, objet de l'invention, comprend une enveloppe 1 délimitant une enceinte 2. Cette enveloppe 1 est généralement constituée en métal et formée d'au moins deux éléments qui, en position assemblée, délimitent une enceinte 2 étanche. L'une des parties de l'enveloppe 1 est généralement constituée par un bloc de préférence cylindrique dont l'une des faces ouverte est fermée au moyen d'un couvercle équipé de joint pour assurer l'étanchéité de l'ensemble. Cette enveloppe l ménage sur sa face du dessus et/ou du dessous au moins une ouverture généralement centralement pour permettre l'insertion au moins partielle à l'intérieur de l'enveloppe d'un arbre 3. Cet arbre 3 peut également traverser l'enveloppe 1. La liaison arbre 3/enveloppe 1 est réalisée étanche pour empêcher toute sortie de fluide par les ouvertures ménagées dans l'enveloppe 1 et nécessaires à l'insertion de l'arbre 3 dans ladite enveloppe. Ainsi, l'enceinte 2 délimitée par l'enveloppe 1 est organisée autour de l'arbre 3. Cet arbre 3, de préférence de section circulaire, est généralement également réalisé en métal. Cet arbre 3, qui est creux, intègre au moins un conduit 5 d'admission de fluide et un conduit 6 d'échappement de fluide. Ces conduits 5 et 6 sont reliés de manière en soi connue à un distributeur généralement disposé à l'extérieur de l'arbre 3. Ces conduits 5 et 6 disposés à l'intérieur de l'arbre 3 débouchent respectivement par l'intermédiaire d'ajutages ou de lumières ménagés sur les parois de l'arbre 3 ou sur les parois d'une came 4 portée par l'arbre 3 dans l'enceinte 2. Dans l'exemple représenté à la figure 1, ces lumières sont ménagées sur les parois de l'arbre 3 en des points diamétralement opposés de l'arbre 3. Cet arbre 3 porte une came 4 qui peut affecter un grand nombre de formes. Deux exemples de réalisation de cette came sont fournis, l'un à la figure 1, l'autre à la figure 6. Cette came 4 est disposée à l'intérieur de l'enceinte 2 délimitée par l'enveloppe 1. Cette came 4 comporte au moins sur sa face de poussée, fonction du sens de rotation de la partie tournante du moteur, des rainures ou ouvertures 17 permettant un libre écoulement du fluide le long de ladite face indépendamment du positionnement des secteurs mobiles tels que volets. L'apogée 16 de cette came 4 est destinée à venir en contact glissant étanche avec une paroi interne de l'enceinte 2. Cette paroi interne de l'enceinte 2 est en fait constituée par une paroi que l'on pourrait encore appeler paroi périphérique interne de l'enveloppe 1. En effet, l'enveloppe 1 est d'une part constituée d'une paroi périphérique externe qui délimite l'enveloppe 1, cette paroi périphérique externe étant doublée d'une paroi périphérique interne qui, par convention, sera appelée paroi interne de l'enceinte 2 ou paroi interne à l'enceinte 2. Cette paroi interne est formée de secteurs fixes 7, espacés circonférentiellement, comme le montre la figure 1, pour délimiter des logements 8 à l'intérieur desquels sont disposés des secteurs mobiles 9. Ces secteurs mobiles 9 sont généralement constitués par des volets. Chaque volet 9 déplaçable angulairement est maintenu en permanence contre le profil de l'arbre 3 et/ou de la came 4 de manière à former entre volet 9, arbre 3 et/ou came 4, à l'intérieur de l'enceinte 2, une succession de chambres à volume variable. Ces chambres font notamment office, en fonction des positions angulaires relatives de l'enveloppe 1 et de la came 4, de chambre d'admission/compression (temps moteur) ou de chambre d'échappement de fluide. Il sera décrit ci-après, lors d'un cycle moteur correspondant à une rotation d'un tour de l'arbre 3 ou de l'enveloppe 1, lesdites fonctions susceptibles d'être remplies par une même chambre. Le déplacement angulaire de chaque secteur mobile, tel que volet 9, peut être obtenu notamment par pivotement de ce volet 9 autour d'un axe 10 disposé sur un cercle sensiblement concentrique à l'arbre 3. Cet axe 10 disposé à l'intérieur de l'enceinte 2 est sensiblement parallèle à l'arbre 3. Dans ce cas, cet arbre 10 est un arbre rapporté formant pivot qui permet le pivotement du volet 9 au voisinage par exemple de l'extrémité libre d'un secteur fixe 7, comme le montre la figure 1. Il pourrait également être imaginé le remplacement de cet axe 10 par un affaiblissement de la liaison entre le volet 9 et le secteur fixe 7 de manière à obtenir, par simple déformation élastique de la liaison de ce volet mobile 9 avec le secteur fixe 7, un déplacement angulaire de ce dernier. Ce volet 9 est en outre maintenu en permanence contre le profil de l'arbre et/ou de la came par des moyens de maintien appropriés qui peuvent être par exemple constitués par des moyens de rappel élastique. Ainsi, les volets 9 peuvent être chargés par ressort pour être rappelés élastiquement en direction de l'arbre 3 et/ou de la came 4 de manière à suivre par appui constant le profil de l'arbre 3 ou de la came 4. Là encore, d'autres formes de réalisation peuvent être envisagées. En particulier, on peut utiliser l'élasticité naturelle de la matière constitutive dudit volet pour le maintenir en permanence contre le profil de l'arbre ou de la came. Dans la version la plus simple d'un tel moteur conforme par exemple à celle représentée aux figures 1 à 5, la paroi interne de l'enceinte 2, encore appelée paroi périphérique interne de l'enveloppe 1, est équipée d'une première série d'au moins trois volets mobiles coopérant avec la came 4 portée par l'arbre 3 d'admission et d'échappement de fluide pour délimiter une première succession de chambres. Ces volets, désignés dans la figure 1 par la référence générale 9, sont également dans les figures 1 à 6 représentés respectivement par les références 9A, 9B, 9C, 9D pour les distinguer et faciliter la description du fonctionnement d'un tel moteur. Dans un autre mode de réalisation conforme à la figure 6 qui sera décrit plus tard, ces volets désignés par la référence générale 9 seront représentés respectivement par les références 12A, 12B, 12C, 12D. De même, les axes de référence générale 10, autour desquels se déplacent angulairement les volets 9, sont dans les figures 1 à 6 désignés respectivement lOA, lOB, lOC, lOD en correspondance avec les volets 9A, 9B, 9C, 9D. De manière analogue, chaque secteur fixe 7 est désigné 7A, 7B, 7C, 7D en correspondance avec un volet 9A, 9B, 9C, 9D. Il en est de même des logements 8 délimités par l'espace laissé libre entre deux secteurs fixes 7 qui sont désignés respectivement 8A, 8B, 8C, le logement 8A étant apte à recevoir le volet 9A, le logement 8B, le volet 9B... Ces volets 9A, 9B, 9C peuvent occuper dans lesdites chambres au moins deux positions angulaires extrêmes, l'une voisine de l'axe de l'arbre 3, l'autre éloignée de l'arbre 3 contre la face interne 11 de l'enveloppe 1. Ainsi, dans la figure 2, le volet 9A occupe une position correspondant à la position extrême d'appui contre la face interne 11 de l'enveloppe 1 tandis que le volet 9B occupe une position angulaire extrême voisine de l'axe de l'arbre 3, le volet 9C étant dans une position intermédiaire entre lesdites positions extrêmes. Généralement, la face d'appui des volets sur la face interne 11 de l'enveloppe 1, cette face constituant l'une des parois de délimitation du logement 8, comporte des rainures 14 longitudinales débouchant au voisinage des extrémités libres desdits volets pour favoriser la circulation de fluide entre les chambres du moteur. De même, la face du secteur fixe 7, destinée à recevoir l'extrémité libre dudit volet lorsque le secteur fixe 7 et le secteur mobile 9 sont disposés circonférentiellement à l'arbre 3, comporte des rainures 15 disposées dans le prolongement des rainures 14 dudit volet pour favoriser la circulation du fluide entre les chambres du moteur. Il est à noter que les secteurs fixes 7 constitutifs de la paroi interne de l'enceinte 2 peuvent être formés d'une seule pièce avec la paroi périphérique externe de l'enveloppe 1 par usinage de ladite enveloppe ou peuvent être constitués de pièces rapportées et fixées de manière stationnaire sur la face interne de la paroi périphérique externe de ladite enveloppe 1. Il va être désormais décrit ci-après un exemple d'un cycle moteur lors d'un tour de la partie tournante du moteur de manière à pouvoir visualiser les différents temps de fonctionnement de ce moteur. Dans l'exemple représenté aux figures 1 à 5, il a été représenté un exemple de moteur dans lequel la partie tournante du moteur formant rotor est constituée par l'arbre 3 et la came 4 tandis que l'enveloppe 1 constitue le stator. Bien évidemment, on pourrait envisager un fonctionnement analogue avec un mode de réalisation analogue dans le cas où la partie tournante du moteur formant rotor serait constituée par l'enveloppe 1, l'arbre 3 et la came 4 constituant alors le stator. La figure 1 correspond à un premier temps moteur. Comme cela a déjà été précisé ci-dessus, le positionnement relatif des volets, de l'enveloppe et de la came permet de délimiter à l'intérieur de l'enceinte 2 une succession de chambres. Ainsi, lors de ce premier temps moteur, une première chambre, appelée par convention C1, est placée en mode alimentation du fait que le conduit d'admission en fluide 5 de l'arbre 3 débouche à l'intérieur de ladite chambre C1. Cette chambre C1 est fermée grâce à des volets 9B et 9C déplaçables angulairement respectivement autour d'axes lOB et lOC qui occupent respectivement des positions angulaires extrêmes en appui sur l'arbre 3 ou la came 4. Le volet 9B est en appui étanche sur l'arbre 3. Le volet 9C n'empêche toutefois pas l'exercice d'une poussée sur la came 4 du fait de la présence de rainures ou ouvertures 17 sur la face de poussée de ladite came 4 telle que définie ci-dessus. De ce fait, lorsqu'on alimente, au moyen du fluide d'admission amené sous pression par le conduit d'alimentation 5, la chambre C1, la montée en pression à l'intérieur de ladite chambre C1 tend à exercer une force contre la came 4 amenant celle-ci à tourner dans le sens de rotation représenté par la flèche portée par ladite came 4. Cette came 4 peut aisément être entraînée en rotation du fait que la chambre C3 ménagée derrière la came 4 est à l'échappement puisque le conduit d'échappement de fluide 6 porté par l'arbre 3 débouche dans ladite chambre dans cette position de la came 4. Le volet 9A est quant à lui maintenu en appui étanche sur la face interne 11 de l'enveloppe 1 par l'apogée de la came 4 en appui étanche glissant sur ledit volet 9A. Il est à noter que, dans ce mode de réalisation, généralement, les pressions d'admission du fluide sont de l'ordre de 180 à 400 bars. Ainsi, dans la figure 1, la chambre C1, délimitée à l'intérieur de l'enceinte 2 par les volets 9B, 9C et une portion de l'arbre 3 et de la came 4 est une chambre d'admissioncompression, la chambre C3, délimitée à l'intérieur de l'enceinte 2 par le volet 9B, une portion de la came 4 et de l'arbre 3, le volet 9A étant en position d'appui étanche sur la face interne 11 de l'enveloppe 1, est une chambre d'échappement, tandis que la chambre C2, délimitée à l'intérieur de l'enceinte 2 par le volet 9C et une portion de la came 4 est en pression. La chambre C2 communique avec la chambre C1 par les rainures ou ouvertures 17 ménagées sur la face de poussée de la came 4. Dans un second temps moteur, conforme à celui représenté à la figure 2, on constate que la chambre C1 délimitée par les volets 9B, 9C n'est plus à l'admission comme dans la figure précédente. En effet, la rotation de l'arbre 3 et simultanément de la came 4 sous l'effet d'une poussée exercée par le fluide d'alimentation a permis d'amener le conduit d'admission de fluide 5 en regard de la seconde chambre C2. Le volet 9C est désormais en appui étanche sur l'arbre 3. La chambre C2 est, au contraire, devenue une chambre d'admission compression, puisque le conduit d'alimentation en fluide 5 débouche dans cette dernière. La chambre C3, délimitée par le volet 9B et la came 4 à l'intérieur de l'enceinte 2 est désormais à l'échappement. Il est à noter que la chambre C1, qui occupe désormais une position neutre, demeure sous pression. Cette pression à l'intérieur de la chambre C1 évite au volet 9C de supporter à lui seul la charge d'appui exercée par le fluide contenu à l'intérieur de la chambre C2. La pression qui règne dans la chambre d'admissioncompression C2 permet d'exercer une poussée sur la came 4 obligeant cette dernière à une rotation jusqu'à une position conforme à celle représentée à la figure 3. Dans la position représentée à la figure 3, on constate que la chambre C1 est en train de passer à l'échappement du fait de la rotation de l'arbre 3. La chambre C2 constitue toujours une chambre d'admission-compression. Toutefois, le volet 9A, qui était maintenu par la came 4 en appui étanche contre la face interne 11 de l'enveloppe 1, tend à s'éloigner de cet appui pour revenir en appui contre le profil de la came 4 dont l'apogée 16 a dépassé ce volet 9A au cours de sa rotation. On note que, dans cette position, le volet 9A, qui était en position extrême d'appui contre la face interne 11 de l'enveloppe 1, s'éloigne progressivement de cette face interne lors de la rotation de la came 4. La figure 4 représente un quatrième temps moteur dudit moteur. Dans cette position, la chambre C1 est clairement à l'échappement tandis que la chambre C3 est clairement une chambre d'admission-compression, la chambre C2 est quant à elle en position neutre où elle est maintenue sous pression du fait du positionnement des volets 9C et 9A. La rotation de la came se poursuit ainsi jusqu'à une position où on revient à la position (figure 5) immédiatement antérieure à celle représentée à la figure 1 dans laquelle la chambre C1 est de nouveau une chambre d'admission-compression, la chambre C3 est à l'échappement et la chambre C2 est sous pression. On constate ainsi à travers le descriptif des différents temps moteurs représentés aux figures 1 à 5 que la rotation de l'arbre 3 permet aux chambres C1, C2, C3 de faire office soit de chambres d'admission-compression ou de chambres d'échappement ou de chambres qui occupent une position neutre et qui sont en général sous pression. On peut également, dans un autre mode de réalisation de l'invention conforme à celui représenté à la figure 6, réaliser un moteur à deux sens de rotation. Dans ce cas, la paroi interne de l'enceinte 2 comporte une première série d'au moins trois volets et une seconde série d'au moins trois volets. Dans l'exemple représenté à la figure 6, la paroi interne de l'enceinte est équipée d'une première série de volets constituée de quatre volets 9A, 9B, 9C, 9D et d'une seconde série de volets constituée de quatre volets 12A, 12B, 12C, 12D. Chaque volet 12A, 12B, 12C, 12D de la seconde série est intercalé entre deux volets de la première série. Ainsi, par exemple, le volet 12A de la seconde série est intercalé entre les volets 9A et 9D de la première série. De la même manière, le volet 12D de la seconde série est intercalé entre les volets 9C et 9D de la première série, etc. Chaque volet de la seconde série est angulairement déplaçable autour d'un axe disposé sur un cercle sensiblement concentrique à l'arbre 3 mais en direction opposée à la direction de déplacement angulaire de la première série de volets de manière à obtenir, par inversion du sens de circulation des fluides dans l'arbre, l'inversion du sens de rotation de la partie tournante du moteur. Ainsi, le volet 12A est déplaçable angulairement autour de l'axe 13A, le volet 12B autour de l'axe 13B, le volet 12C autour de l'axe 13C, le volet 12D autour de l'axe 13D. Ces volets, éventuellement chargés par ressort, sont maintenus en appui constant contre le profil de l'arbre 3 ou de la came 4. Le fonctionnement du moteur est analogue pour chaque série de volets à celui décrit aux figures 1 à 5. Bien évidemment, on aurait pu obtenir le même résultat avec deux séries de trois volets chacune. On note également que, dans cet exemple de réalisation, la came 4 présente une forme différente de celle représentée aux figures 1 à 5. En effet, une telle forme permet de réduire la quantité de fluide nécessaire au bon fonctionnement du moteur en réduisant le volume des chambres délimitées par la came 4 et/ou l'arbre 3 et les volets à l'intérieur de l'enceinte 2. Cette came affecte dans ce cas une forme sensiblement cylindrique dont le rayon peut être sensiblement identique à celui de l'enceinte 2. Dans ce type de réalisation où le moteur est pourvu de deux séries de volets pour permettre l'inversion du sens de rotation du moteur, il est très important que les faces de la came 4 qui vont, selon le sens de rotation de la partie tournante du moteur, servir de face de poussée, soient parfaitement identiques indépendamment du sens de rotation du moteur pour ne pas créer de déséquilibre au sein du moteur. La ou les faces de poussée de la came peuvent affecter une forme quelconque et être montées amovibles sur le reste de la came. Enfin, un tel moteur diffère du moteur représenté aux figures 1 à 5 par le nombre de secteurs fixes qui sont représentés par les références 7A à 7H. Les performances d'un tel moteur se sont révélées particulièrement intéressantes. Ainsi, dans le cas d'un moteur conforme à la figure 1, pour un rayon interne R1 de l'enceinte 2 égal à 60 mm et un diamètre D1 de l'arbre égal à 35 mm, le rendement mécanique obtenu varie dans la plage [0,87-0,92] pour une variation de la pression d'alimentation du fluide comprise dans la plage [0-200 bars] et une variation de la vitesse de rotation du moteur comprise dans la plage [0-250 tr/mn]. Le rendement mécanique optimal est obtenu pour une vitesse égale à 210 tr/mn et une pression de 190 bars. Pour des plages de vitesse de rotation du moteur et de pression d'alimentation en fluide identiques à celles indiquées ci-dessus, le rendement volumétrique est compris dans la plage [0,940,98]. REVENDICATIONS 1. Moteur rotatif à fluide, notamment hydraulique, du type comportant une enveloppe (1) délimitant une enceinte (2), caractérisé en ce que l'enceinte (2) est organisée autour d'un arbre (3) intégrant au moins un conduit (5) d'admission de fluide et un conduit (6) d'échappement, cet arbre (3) portant une came (4) dont l'apogée (16) est destinée à venir en contact glissant étanche avec une paroi interne de l'enceinte (2), cette paroi interne étant formée de secteurs fixes (7), espacés circonférentiellement, pour délimiter des logements (8) à l'intérieur desquels sont disposés des secteurs mobiles (9), tels que volets, chaque volet (9) déplaçable angulairement étant maintenu en permanence contre le profil de l'arbre (3) et/ou de la came (4) de manière à former entre volet (9), arbre (3) et/ou came (4), à l'intérieur de l'enceinte (2), une succession de chambres à volume variable, ces chambres faisant notamment office, en fonction des positions angulaires relatives de l'enveloppe (1) et de la came (4), de chambre d'admission/compression (temps moteur) ou de chambre d'échappement de fluide. 2. Moteur rotatif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les secteurs mobiles (9), tels que volets, sont chacun déplaçables angulairement autour d'un axe (10) disposé sur un cercle sensiblement concentrique à l'arbre (3). 3. Moteur rotatif selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la paroi interne de l'enceinte (2) est équipée d'une première série d'au moins trois volets mobiles (9A, 9B, 9C) coopérant avec la came (4) portée par l'arbre (3) d'admission et d'échappement de fluide pour délimiter une première succession de chambres, lesdits volets (9A, 9B, 9C) pouvant occuper dans lesdites chambres au moins deux positions angulaires extrêmes, l'une voisine de l'axe de l'arbre (3), l'autre éloignée de l'arbre contre la face interne (11) de l'enveloppe (1). 4. Moteur rotatif selon la revendication 3, caractérisé en ce que la paroi interne de l'enceinte (2) comporte une seconde série d'au moins trois volets (12A, 12B, 12C), chaque volet de la seconde série étant intercalés entre deux volets de la première série, chaque volet (12A, 12B, 12C) de la seconde série étant angulairement déplaçable autour d'un axe (13A, 13B, 13C) disposé sur un cercle sensiblement concentrique à l'arbre (3) mais en direction opposée à la direction de déplacement angulaire de la première série de volets de manière à obtenir, par inversion du sens de circulation des fluides dans l'arbre, l'inversion du sens de rotation de la partie tournante du moteur. 5. Moteur rotatif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la partie tournante du moteur formant rotor est constituée par l'arbre (3) et la came (4), l'enveloppe (1) constituant le stator. 6. Moteur rotatif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la partie tournante du moteur formant rotor est constituée par l'enveloppe (1), l'arbre (3) et la came (4) constituant le stator. 7. Moteur rotatif selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la face d'appui des volets sur la face interne (11) de ltenveloppe (1) comporte des rainures (14) longitudinales débouchant au voisinage des extrémités libres desdits volets pour favoriser la circulation de fluides entre les chambres du moteur. 8. Moteur rotatif selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la face du secteur fixe (7), destinée à recevoir l'extrémité libre dudit volet lorsque le secteur fixe (7) et le secteur mobile (9) sont disposés circonférentiellement à l'arbre (3), comporte des rainures (15) disposées dans le prolongement des rainures (14) dudit volet pour favoriser la circulation du fluide entre les chambres du moteur. 9. Moteur rotatif selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la came (4) comporte au moins sur sa face dite de poussée des rainures ou ouvertures (17) permettant un libre écoulement du fluide le long de ladite face indépendamment du positionnement des secteurs mobiles.