Brevet FR2814212A1 — publié le 20020322

La présente invention concerne un dispositif de transformation de mouvement, plus particulièrement un dispositif mécanique pour la transformation d'un mouvement rectiligne alternatif ou en mouvement rotatif continu, ou vice versa. Ce dispositif est applicable plus particulièrement, quoique non exclusivement, à la réalisation de moteurs thermiques, pour la conversion du mouvement rectiligne alternatif d'au moins un piston, mobile axialement à l'intérieur d'un cylindre, en un mouvement de rotation continue d'un arbre de sortie, remplaçant un vilebrequin classique. Par le brevet français NO 70. 20269/2.093. 119 au nom du Demandeur, l'on connaît déjà un dispositif pour la transformation d'un mouvement rectiligne alternatif en un mouvement rotatif continu ou inversement. Ce dispositif connu comprend principalement un coulisseau en forme générale de cadre rectangulaire, mobile en translation suivant son grand axe, et comportant sur la face interne de chacun de ses grands côtés une denture formant une crémaillère. Le coulisseau en forme de cadre est engagé autour d'une roue, calée sur un arbre qui traverse ledit coulisseau. La roue présente un secteur denté, au même module que les deux crémaillères et pouvant ainsi engrener avec l'une ou l'autre de ces crémaillères. Ainsi, lorsque le coulisseau décrit un mouvement alternatif suivant son grand axe, le secteur denté de la roue est alternativement en prise avec l'une des crémaillères (pour un sens de déplacement du coulisseau) et avec l'autre crémaillère (pour le sens de déplacement opposé du même coulisseau). De préférence, des moyens sont encore prévus pour lier les déplacements du coulisseau à la rotation de l'arbre, lorsque la denture de la roue n'est plus en prise avec l'une ou l'autre des crémaillères du coulisseau, c'est-à-dire dans les deux positions de fin de course de ce coulisseau. De la sorte, les déplacements rectilignes alternatifs du coulisseau assurent bien une rotation continue, dans un sens invariable, de l'arbre sur lequel est calée la roue avec secteur denté, et la transformation inverse, c'est-à-dire la conversion d'un mouvement rotatif continu de l'arbre en un mouvement rectiligne alternatif du coulisseau, se conçoit aussi aisément. Il est donc possible, en associant à ce coulisseau un piston, ou de préférence deux pistons opposés disposés en alignement l'un par rapport à l'autre, de réaliser un moteur thermique et notamment un moteur à explosion, de conception particulièrement simple et économique, dans lequel le nombre de pièces en mouvement se trouve fortement réduit (en comparaison avec un moteur traditionnel). En particulier, dans un tel moteur thermique, le ou chaque piston peut être lié directement au coulisseau, sans nécessité de bielles articulées, et le vilebrequin d'un moteur traditionnel se trouve lui aussi supprimé, et remplacé par un simple arbre rectiligne de sortie du mouvement. De plus, les bielles articulées se trouvant remplacées par de simples tiges liant chaque piston au coulisseau suivant l'axe de ce piston et du coulisseau, et agissant toujours dans la direction dudit axe, l'usure des pistons se trouve considérablement réduite, et toute ovalisation de l'alésage des cylindres est empêchée. Enfin, dans un tel moteur, la lubrification se trouve simplifiée, l'huile restant au centre et n'ayant plus à être remplacée. Cependant, dans les réalisations décrites par le brevet français précité NO 70.20269/2. 093.119, ou par d'autres documents analogues tels que la demande de brevet français NO 79. 06678/2.451. 518, les deux crémaillères du coulisseau sont rectilignes et parallèles à l'axe de ce coulisseau. Ainsi, la vitesse de translation du coulisseau, dans l'un ou l'autre sens de son mouvement rectiligne alternatif, est toujours proportionnelle (dans un rapport constant) à la vitesse de rotation de l'arbre de sortie. En particulier, le rapport des vitesses de translation du coulisseau, et de rotation de l'arbre, n'est pas modifié vers les positions de fin de course du coulisseau, donc des pistons liés en translation à ce coulisseau. Il en résulte que le moteur fonctionne avec des à-coups, et qu'il n'est pas tenu compte, dans la transformation du mouvement, des phénomènes tels que l'explosion et la compression, propres à un moteur thermique. En conséquence, le fonctionnement du moteur n'est pas optimisé, de sorte qu'un tel moteur manque encore de puissance et de souplesse, ce qui explique que, jusqu'à présent, ce type de moteur n'ait guère trouvé d'applications pratiques, malgré ses avantages indéniables. La présente invention vise à éviter les inconvénients précédemment exposés, en fournissant un dispositif perfectionné de transformation de mouvement, du genre ici concerné, permettant une adaptation du rapport entre la vitesse de translation du coulisseau et la vitesse de rotation de l'arbre, et permettant ainsi, dans le cadre de son application préférentielle à la réalisation d'un moteur thermique, une optimisation du moteur. A cet effet, l'invention a essentiellement pour objet un dispositif pour la transformation d'un mouvement rectiligne alternatif en un mouvement rotatif continu, du genre précédemment indiqué, dans lequel les deux dentures ou crémaillères du coulisseau possèdent une incurvation, et/ou une inclinaison par rapport au grand axe du coulisseau, de sorte que la distance de chaque denture à cet axe varie sur la longueur de cette denture, tandis que, de façon correspondante, la denture en forme de secteur de la roue possède, sur sa longueur, une distance radiale variable par rapport à l'axe géométrique de l'arbre, de manière à obtenir une variation du rapport entre la vitesse de translation du coulisseau et la vitesse de rotation de l'arbre, sur tout ou partie de la course du coulisseau. Selon un exemple de réalisation de l'invention, les deux dentures du coulisseau possèdent une allure incurvée, notamment avec une portion centrale plus éloignée du grand axe du coulisseau que les régions d'extrémité. Selon un autre exemple de réalisation de l'invention, les deux dentures du coulisseau forment des crémaillères rectilignes ou sensiblement rectilignes, parallèles entre elles mais inclinées par rapport au grand axe du coulisseau. Quant à la roue avec secteur dentée, celle-ci peut être une roue excentrée par rapport à l'arbre qui la porte, l'excentration de cette roue permettant à sa denture d'avoir, sur sa longueur, une distance radiale variable par rapport à l'axe géométrique de l'arbre. Ainsi, en quelque sorte, le dispositif selon l'invention permet de faire varier, en s'adaptant aux besoins de chaque cas particulier d'application, le"bras de levier", donc aussi le couple, selon lequel le coulisseau met en rotation l'arbre qui porte le secteur denté. Un tel dispositif de transformation de mouvement est applicable à la réalisation d'un moteur thermique, notamment un moteur à explosion, comprenant au moins un piston coulissant dans un cylindre solidaire d'un carter dans lequel est logé le dispositif, le piston étant lié, dans son mouvement de coulissement alternatif, au coulisseau du dispositif, pour entraîner en rotation continue un arbre de sortie. Préférentiellement, dans cette application, deux cylindres opposés coaxiaux, disposés de part et d'autre d'un carter central, renferment respectivement deux pistons liés aux extrémités opposées du coulisseau. Dans le cadre de cette application à un moteur thermique, le dispositif objet de l'invention permet d'adapter de façon très sensible, au cours du cycle de fonctionnement du moteur, le"bras de levier" (donc aussi l'effort) selon lequel le coulisseau met en rotation l'arbre de sortie, par l'intermédiaire du secteur denté. Les moments peuvent ainsi être changés, dans le déroulement du cycle du moteur, pour optimiser son rendement intrinsèque, ce que ne permet aucun moteur traditionnel à bielles et vilebrequin. La détermination des dentures peut être telle que ce"bras de levier"soit augmenté au moment de l'explosion dans un cylindre, afin d'en récupérer au mieux toute la puissance, et que le mouvement du coulisseau soit ralenti en fin de course, afin de diminuer les à-coups tout en augmentant la puissance lors de la compression dans le cylindre opposé. On peut aussi envisager l'inverse, c'est-à-dire prévoir un"bras de levier"plus petit en début de cycle, et plus long en fin de cycle (ou fin de course du coulisseau). On peut encore envisager des"bras de levier"pratiquement identiques en début et fin de cycle ou de course, et augmenter le"bras de levier"dans la portion médiane de la course du coulisseau. Ces diverses variantes, et d'autres encore, peuvent être déterminées par le calcul, dans un processus de conception assistée par ordinateur, afin d'adapter chaque moteur selon son usage spécifique, et surtout selon les caractéristiques de la détente ou de la combustion ou de la propagation de l'explosion, plus ou moins brutale. On notera qu'un telle adaptation se fait de façon simple et économique, par le simple calcul des dentures et leur usinage correspondant, sans pièces additionnelles ni système particulier de régulation. L'action des dentures coopérantes du dispositif est complétée, dans les positions de fin de course du coulisseau, par l'action des moyens liant alors les déplacements de ce coulisseau à la rotation de l'arbre. Avantageusement, ces moyens se composent d'au moins un flasque de forme circulaire calé sur le même arbre que la roue dentée, et comportant au moins une rainure profilée située en regard d'une face du coulisseau, la ou chaque rainure étant prévue pour coopérer avec au moins un téton ou ergot que comporte le coulisseau à chacune de ses extrémités, le profil de la ou chaque rainure étant tel qu'il assure une continuité de la rotation de la roue dentée lorsque le coulisseau parvient en fin de course. On prévoira de préférence, dans le ou chaque flasque, deux rainures profilées qui coopèrent respectivement avec deux tétons ou ergots du coulisseau, ces deux tétons ou ergots étant décalés l'un par rapport à l'autre, dans leurs positions et leurs instants d'enclenchement dans les rainures correspondantes. Ainsi, les jeux éventuels sont compensés, et les à-coups sont supprimés, aux positions de fin de course du coulisseau, donc aussi des pistons. Dans l'ensemble, on obtient ainsi un moteur de structure et de fonctionnement optimisés, présentant un gain de puissance et de souplesse. De toute façon, l'invention sera mieux comprise à l'aide de la description qui suit, en référence au dessin schématique annexé représentant, à titre d'exemples, quelques formes d'exécution de ce dispositif de transformation de mouvement, dans le cas de son application à un moteur thermique : Figure 1 est une vue en coupe longitudinale d'un moteur thermique à deux cylindres, comportant application du dispositif de transformation de mouvement selon la présente invention ; Figure 2 représente, à échelle agrandie, le dispositif de transformation de mouvement du moteur de la figure 1 ; Figure 3 est une vue de détail, similaire à figure 2, montrant une variante de ce dispositif de transformation de mouvement. La figure 1 montre le dispositif selon l'invention, désigné dans son ensemble par le repère 2, appliqué à la réalisation d'un moteur thermique possédant deux cylindres opposés coaxiaux 3 (dont l'un n'est représenté que partiellement), disposés de part et d'autre d'un carter central 4, et solidaires de ce carter 4. Le dispositif 2 de transformation de mouvement est logé dans le carter 4 ; il assure la conversion du mouvement rectiligne alternatif de deux pistons 5, logés respectivement dans les deux cylindres 3, en un mouvement rotatif continu d'un arbre de sortie 6, lequel traverse le carter 4. S'agissant d'un moteur à explosion, chaque cylindre 3 comporte, à l'opposé du carter 4, une bougie d'allumage 7 située dans une chambre de combustion 8, délimitée par le cylindre 3 et le piston 5. Chaque cylindre 3 comporte encore des lumières d'admission et d'échappement, ici non détaillées. Le dispositif 2 comprend principalement un coulisseau 9 en forme de cadre rectangulaire, monté à l'intérieur du carter 4 et mobile en translation, suivant la direction de son grand axe 10, en étant guidé par des glissières rectilignes 11, fixées à l'intérieur du carter 4 de part et d'autre de ce coulisseau 9. On notera que le grand axe 10 du coulisseau 9 coïncide avec les axes des cylindres 3 et des pistons 5. Dans le cas de la présente application, le coulisseau 9 est attelé par ses extrémités, dans le prolongement de son grand axe 10, à deux tiges ou bielles opposées 12, situées en alignement l'une avec l'autre. Chaque tige ou bielle 12 coulisse dans un palier 13, situé à l'extrémité correspondante du carter 4, et elle se prolonge à l'intérieur de l'un des cylindres 3, où elle est elle-même attelée au piston 5 correspondant. Le coulisseau 9 comporte, sur la face interne de chacun de ses deux grands côtés, une denture 14 formant une crémaillère, la conformation particulière des dentures 14 étant décrite plus loin. L'arbre de sortie 6, qui traverse l'ouverture centrale du coulisseau 9, porte une roue 15 calée sur cet arbre 6, et se situant à l'intérieur de ladite ouverture. La roue 15 comporte à sa périphérie une denture 16, analogue à la denture d'un pignon mais ne s'étendant que sur un secteur de cette roue 15 ; le reste de la périphérie de la roue 15 est dépourvu de denture, et peut se présenter comme une surface lisse. La denture 16 de la roue 15 possède un module égal à celui des deux dentures 14 du coulisseau 9, de manière à permettre un engrènement avec l'une ou l'autre de ces deux dentures 14, les dentures 14 et 16 possédant le même nombre de dents. Selon l'invention, et comme le montre plus en détail la figure 2, les deux dentures 14 du coulisseau 9 ne forment pas des crémaillères rectilignes, mais possèdent une allure générale incurvée, avec une portion centrale plus éloignée du grand axe 10 du coulisseau 9. En relation directe avec ce qui précède, la roue 15 est excentrée par rapport à l'arbre 6 qui la porte, de telle sorte que, si l'on considère la distance radiale d'un point de denture 16 à l'axe géométrique 17 de l'arbre 6, cette distance est variable, passant par exemple d'un minimum (à une extrémité de la denture 16) à un maximum (situé en un point intermédiaire, ou vers l'autre extrémité, de cette denture 16). Il en résulte qu'au cours du fonctionnement du moteur, les deux dentures 14 du coulisseau 9 peuvent venir alternativement en prise avec la denture 16 de la roue 15, le fonctionnement s'établissant comme suit : Les deux pistons 5 étant alternativement repoussés par les explosions issues des bougies 7, ils impriment au coulisseau 9, par l'intermédiaire des tiges ou bielles 12, un mouvement rectiligne alternatif suivant le grand axe 10 de ce coulisseau 9. De la sorte, la denture 16 en forme de secteur de la roue 15 étant successivement en prise avec l'une et l'autre des deux dentures 14 du coulisseau 9, la roue 15 et l'arbre 6 sont entraînés en rotation de façon continue. Au cours d'un mouvement d'aller ou de retour du coulisseau 9, la denture 16 de la roue 15 roule sur l'une des dentures 14 du coulisseau 9, le point de contact de ces dentures étant variable et possédant aussi une distance radiale variable par rapport à l'axe géométrique 17 de l'arbre 6. Il en résulte une variation du rapport entre la vitesse instantanée de translation du coulisseau 9, d'une part, et la vitesse instantanée de rotation de l'arbre 6, d'autre part. Comme on le comprend aisément, le choix de la forme des dentures 14, et de l'excentration de la roue 15, permet d'adapter ce rapport de vitesses, sur toute la course du coulisseau 9 donc des pistons 5, et notamment vers les positions de fin de course de ces pistons 5. De plus, pour assurer un fonctionnement approprié à chaque fin de course du coulisseau 9, la roue 15 est bordée, de part et d'autre, par deux flasques circulaires 18, entre lesquels se trouve aussi compris le coulisseau 9. Les flasques 18 comportent chacun deux rainures profilées 19 et 20, parallèles l'une à l'autre, les deux rainures 19,20 de l'un des flasques 18 étant situées en correspondance avec les deux rainures de l'autre flasque. Le coulisseau 9 présente, de part et d'autre'de chacune de ses extrémités, deux tétons ou ergots 21 et 22, prévus pour s'engager respectivement dans les deux rainures profilées 19 et 20 du coulisseau 9, à chaque fin de course de ce coulisseau 9, c'est-à-dire chaque fois que la denture 16 de la roue 15 n'engrène avec aucune des deux dentures 14 du coulisseau 9. Par ces dispositions, les déplacements du coulisseau 9 demeurent, à tout instant, liés à la rotation de la roue 15, ce qui signifie aussi que les déplacements des pistons 5, vers leurs positions de fin de course, restent bien liés à la rotation de l'arbre de sortie 6, notamment dans la position montrée aux figures 1 et 2. De préférence, dans le but d'assurer un fonctionnement encore plus souple du dispositif 2, les deux tétons 21,22 prévus sur le coulisseau 9, à chaque extrémité, sont décalés l'un par rapport à l'autre, dans leurs positions donc aussi dans leurs instants d'enclenchement dans les rainures correspondantes 19,20, de façon à mieux absorber les jeux éventuels et les à-coups à chaque passage d'une denture 14 à l'autre, et à supprimer ainsi les résonances parasites. La figure 3, sur laquelle les éléments correspondant à ceux décrits précédemment sont désignés, par les mêmes repères, montre une variante du dispositif 2 de transformation de mouvement objet de l'invention. Dans cette variante, le coulisseau 9, toujours en forme de cadre sensiblement rectangulaire, comporte sur la face-interne de ses deux grands côtés, respectivement deux dentures 14 formant une crémaillère. Les deux dentures 14 forment ici des crémaillères rectilignes, qui sont parallèles entre elles, mais dont les directions forment un certain angle aigu par rapport à la direction du grand axe 10 du coulisseau 9. En correspondance avec cette conformation des deux dentures 14, la roue 15 comporte un secteur denté 16 qui, grâce à l'excentration de cette roue 15 par rapport à l'axe géométrique 17 de l'arbre 6, possède une distance radiale croissante (mesurée à partir de l'axe 17), d'une extrémité à l'autre de ce secteur denté 16. Ainsi, en cours de fonctionnement, chaque denture rectiligne 14 du coulisseau 9 vient successivement en prise avec le secteur denté 16 de la roue 15, et le point de contact des dentures possède une distance variable, par exemple croissante ou décroissante, avec l'axe 17 de l'arbre 6, de sorte que la rotation de cet arbre 6 se trouve progressivement ralentie ou accélérée, entre une fin de course et l'autre. Par ailleurs, d'une manière ici non décrite en détail, l'ensemble du dispositif 2 de transformation de mouvement, enfermé dans le carter 4, fonctionne dans un bain d'huile. Comme il va de soi, et comme il ressort de ce qui précède, l'invention ne se limite pas aux seules formes d'exécution de ce dispositif de transformation de mouvement qui ont été décrites ci-dessus, à titre d'exemples ; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes de réalisation et d'application respectant le même principe. C'est ainsi, notamment, que l'on, ne s'éloignerait pas du cadre de l'invention : - en modifiant des détails constructifs, tels que la forme extérieure du coulisseau 9 ; en adaptant la forme des deux dentures 14 du coulisseau 9, selon la loi de transformation de mouvement désirée ; - en modifiant le nombre des rainures 19,20 et des ergots 21, 22 correspondants ; en recourant à tous équivalents des organes mécaniques décrits, notamment en remplaçant les dentures 14 et 16 par un système de rampes (au lieu des dentures 14 du coulisseau 9) et de cames (en remplacement du secteur denté 16) ; - dans le cadre de l'application du dispositif à un moteur thermique, en juxtaposant deux ou plusieurs dispositifs 2 analogues, qui se trouveront alors liés par un arbre de sortie 6 commun, de manière à réaliser un moteur à plus de deux cylindres 3, auquel cas les positions des secteurs dentés 16 des roues 15 des différents dispositifs unitaires sont avantageusement décalées, pour assurer la régularité de l'entraînement en rotation continue de l'arbre 6 ; - en destinant le même dispositif 2, dont le fonctionnement est"réversible", à la transformation inverse d'un mouvement rotatif continu en un mouvement rectiligne alternatif, par exemple pour la constitution d'un compresseur à pistons ; - plus généralement, en destinant ce dispositif à tous appareils, machines et équipements nécessitant une conversion de mouvement rectiligne alternatif en mouvement rotatif continu, ou vice versa. REVENDICATIONS 1-Dispositif pour la transformation d'un mouvement rectiligne alternatif en un mouvement rotatif continu, ou vice versa, comprenant principalement un coulisseau (9) en forme générale de cadre rectangulaire, mobile en translation suivant son grand axe (10), et comportant sur la face interne de chacun de ses grands côtés une denture (14) formant une crémaillère, le coulisseau (9) étant engagé autour d'une roue (15), calée sur un arbre (6) qui traverse ledit coulisseau (9), la roue (15) présentant un secteur denté (16), au même module que les deux crémaillères (14) et pouvant engrener avec l'une ou l'autre de ces crémaillères (14), de sorte que, lorsque le coulisseau (9) décrit un mouvement alternatif suivant son grand axe (10), le secteur denté (16) de la roue (15) est alternativement en prise avec l'une des crémaillères (14), pour un sens de déplacement du coulisseau (9), et avec l'autre crémaillère (14), pour le sens de déplacement opposé du même coulisseau (9), des moyens (18 à 22) étant de préférence prévus pour lier les déplacements du coulisseau (9) à la-rotation de l'arbre (6), lorsque la denture (16) de la roue (15) n'est plus en prise avec l'une ou l'autre des crémaillères (14) du coulisseau (9), c'est-à-dire dans les deux positions de fin de course de ce coulisseau (9), caractérisé en ce que les deux dentures ou crémaillères (14) du coulisseau (9) possèdent une incurvation, et/ou une inclinaison par rapport au grand axe (10) du coulisseau (9), de sorte que la distance de chaque denture (14) à cet axe (10) varie sur la longueur de cette denture (14), tandis que, de façon correspondante, la denture (16) en forme de secteur de la roue (15) possède, sur sa longueur, une distance radiale variable par rapport à l'axe géométrique (17) de l'arbre (6), de manière à obtenir une variation du rapport entre la vitesse de translation du coulisseau (9) et la vitesse de rotation de l'arbre (6), sur tout ou partie de la course du coulisseau (9). 2-Dispositif de transformation de mouvement selon la revendication 1, caractérisé en ce que les deux dentures (14) du coulisseau (9) possèdent une allure incurvée, notamment avec une portion centrale plus éloignée du grand axe (10) du coulisseau (9) que les régions d'extrémité. 3-Dispositif de transformation de mouvement selon la revendication 1, caractérisé en ce que les deux dentures (14) du coulisseau (9) forment des crémaillères rectilignes ou sensiblement rectilignes, parallèles entre elles mais inclinées par rapport au grand axe (10) du coulisseau (9). 4-Dispositif de transformation de mouvement selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la roue (15) avec secteur denté (16) est une roue (15) excentrée par rapport à l'arbre (6) qui la porte. 5-Dispositif de transformation de mouvement selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les moyens, prévus pour lier les déplacements du coulisseau (9) à la rotation de l'arbre (6), dans les positions de fin de course du coulisseau (9), se composent d'au moins un flasque (18) de forme circulaire calé sur le même arbre (6) que la roue à secteur denté (15,16), et comportant au moins une rainure profilée (19,20) située en regard d'une face du coulisseau (9), la ou chaque rainure (19,20) étant prévue pour coopérer avec au moins un téton ou ergot (21,22) que comporte le coulisseau (9) à chacune de ses extrémités, le profil de la ou chaque rainure (19,20) étant tel qu'il assure une continuité de la rotation de la roue dentée (15,16) lorsque le coulisseau (9) parvient en fin de course. 6-Dispositif de transformation de mouvement selon la revendication 5, caractérisé en ce que sont prévues, dans le ou chaque flasque (18), deux rainures profilées (19,20) qui coopèrent respectivement avec deux tétons ou ergots (21,22) du coulisseau (9), ces deux tétons ou ergots (21,22) étant décalés l'un par rapport à l'autre, dans leurs positions et leurs instants d'enclenchement dans les rainures (19,20) correspondantes. 7-Dispositif de transformation de mouvement selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il est appliqué à la réalisation d'un moteur thermique, notamment un moteur à explosion, comprenant au moins un piston (5) coulissant dans un cylindre (3) solidaire d'un carter (4) dans lequel est logé le dispositf (2) de transformation de mouvement, le piston (5) étant lié, dans son mouvement de coulissement alternatif, au coulisseau (9) du dispositif (2), pour entraîner en rotation continue un arbre de sortie (6). 8-Application d'un dispositif de transformation de mouvement à un moteur thermique selon la revendication 7, caractérisée en ce que deux cylindres opposés coaxiaux (3), disposées de part et d'autre d'un carter central (4), renferment respectivement deux pistons (5) liés aux extrémités opposées du coulisseau (9).