Brevet FR2890101A1 — publié le 20070302

Moteur rotatif à transformation de l'énergie d'un fluide de travail sous pression Domaine technique de l'invention L'invention concerne un moteur rotatif à transformation de l'énergie d'un fluide de travail sous pression, comportant une carcasse extérieure et un arbre de sortie monté à rotation. État de la technique Le fluide de travail mis en oeuvre dans ce type de moteur rotatif est un gaz, classiquement de l'air comprimé, ou de l'huile sous pression. Les moteurs pneumatiques et hydrauliques à cylindrée constante les plus répandus sont du type à palettes. Les palettes s'étendent radialement depuis l'arbre de sortie jusqu'à la carcasse extérieure. Le volume entre deux pales décalées angulairement définit une chambre de compression. L'axe de l'arbre de sortie est décalé parallèlement par rapport à celui de la cavité de la carcasse extérieure L'admission du fluide de travail dans une chambre de compression de faible volume provoque donc la rotation de l'arbre de sortie. Les palettes sont aptes à se translater radialement dans l'arbre de sortie pour garantir une étanchéité constante avec la carcasse extérieure. Ce type de moteur connu n'est pas complètement satisfaisant. L'étanchéité d'une chambre de compression étant obtenue par la force centrifuge des palettes, l'étanchéité est aléatoire au démarrage du moteur. Cet effet est renforcé par les conditions d'utilisations variables et susceptibles d'altérer la translation des palettes dans l'arbre de sortie, par exemple la température ambiante ou la qualité du fluide de travail. Dans les meilleurs cas, le couple engendré par le moteur est aléatoire, dépendant de la palette assurant l'étanchéité. Dans les pires cas, le moteur ne démarre pas car toutes les palettes sont bloquées en position rétractée. Par ailleurs, les frottements entre les palettes et la carcasse extérieure, et le mécanisme de translation des palettes par rapport à l'arbre de sortie, engendrent un entretien régulier du moteur rotatif. Pour le cas des moteurs pneumatiques, un filtrage et un graissage du fluide de travail sont nécessaires pour assurer un fonctionnement correct des palettes. Objet de l'invention L'invention a pour but de pallier à ces inconvénients, en proposant un moteur rotatif de conception simple et peu onéreuse, assurant notamment une fiabilité améliorée au démarrage. Selon l'invention, ce but est atteint par le fait que l'extrémité intérieure de l'arbre de sortie se prolonge par au moins une manivelle avec un maneton incliné par rapport à l'arbre de sortie et autour duquel est monté à rotation un flasque comportant une pluralité d'ailettes réparties autour d'un corps central, chaque ailette constituant la partie mobile d'une chambre de compression respective, lesdites chambres de compression étant alimentées en fluide de travail par des moyens d'alimentation synchronisés avec l'arbre de sortie pour permettre une alimentation tournante et successive desdites chambres de compression. Les moyens d'alimentation en fluide de travail, sous pression, sont réglés pour admettre ledit fluide dans une chambre de compression lorsque ladite chambre présente un volume minimal. Le mouvement de l'ailette due à la pression du fluide de travail permet une augmentation du volume de ladite chambre, et force le maneton à décrire un tronçon de cône dont l'angle au sommet est égal au double de l'angle d'inclinaison de l'axe du maneton par rapport à l'axe de l'arbre de sortie. Ce mouvement engendre la rotation de l'arbre de sortie. Les moyens d'alimentation en fluide de travail étant synchronisés avec l'arbre de sortie, la rotation de ce dernier provoque progressivement l'alimentation en fluide de travail de la chambre de compression adjacente dont le volume est alors inférieur. L'ailette de cette chambre de compression devient à son tour motrice. L'alimentation en fluide de travail étant tournante et successive pour les chambres de compression réparties autour de l'arbre de sortie, ce dernier est animé d'un mouvement de rotation régulier. La pression exercée par le fluide de travail sur les ailettes et le mouvement de ces dernières étant pratiqués selon la direction axiale de l'arbre de sortie, l'étanchéité des chambres de compression peut être réalisée pour être indépendante de la vitesse de rotation de l'arbre de sortie, au contraire de l'art antérieur. En particulier lors du démarrage du moteur, l'étanchéité de la première chambre de compression motrice est stable dans le temps afin de fiabiliser cette étape, notamment en terme de couple délivré sur l'arbre de sortie. Description sommaire des dessins D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui va suivre de modes particuliers de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs et représentés aux dessins annexés, dans lesquels: - la figure 1 illustre un exemple de moteur rotatif selon l'invention, représenté suivant une coupe longitudinale brisée suivant le plan de coupe discontinu I-l' visible sur la figure 3, la figure 2 représente le moteur rotatif de la figure 1 en coupe partielle 30 suivant le plan de coupe II-II' de la figure 1, - la figure 3 représente le moteur rotatif de la figure 1 en coupe suivant le plan de coupe III-Ill' de la figure 1. Description de modes particuliers de réalisation En référence aux figures 1 à 3, un moteur rotatif 10 selon l'invention comporte une carcasse extérieure 11 en forme de cylindre creux, dont le fond inférieur 12 est en forme de disque ayant un trou central 13 et dont le fond supérieur est constitué par un couvercle amovible 14 maintenu par des vis (non représentées). Un tube 16, allongé et creux, s'étend axialement vers l'intérieur de la carcasse extérieure 11 depuis le centre du couvercle amovible 14. Le tube 16 s'insère dans un premier trou 17 de forme complémentaire pratiqué dans le couvercle amovible 14 pour déboucher vers l'extérieur au travers d'un plot de connexion de sortie 18. Un deuxième trou 19 est pratiqué dans le couvercle 14 pour déboucher vers l'extérieur au travers d'un plot de connexion d'entrée 20. Les plots de connexion 18, 20 sont destinés à être respectivement raccordés à des tuyaux d'alimentation et de refoulement (non représentés) en fluide de travail sous pression, par exemple de l'air comprimé ou de l'huile. La jonction entre le couvercle amovible 14 et le tube 16 est réalisée grâce à une couronne 21 soudée sur la paroi extérieure du tube 16, ladite couronne 21 étant vissée dans le couvercle 14. La carcasse extérieure 11 renferme un bâti 22, de forme cylindrique, soutenu par le tube 16 par soudage sur sa paroi extérieure. Le bâti 22 est donc solidaire de la carcasse extérieure 11 et s'étend axialement dans cette dernière. Le bâti 22 comporte une culasse 23 refermant une cavité 24. Le fond 25 de la cavité 24 comporte un trou central 26 constituant un logement pour un premier roulement à billes 27 dont la bague intérieure est solidaire d'un arbre de sortie 28. Ce dernier s'étend axialement jusqu'à l'extérieur de la carcasse extérieure 11 en passant au travers du trou central 13. Depuis le contour du trou central 13 s'étend vers l'extérieur une collerette annulaire 29 formant un logement pour un deuxième roulement à billes 30 dont la bague intérieure est également solidaire de l'arbre de sortie 28. La paroi latérale de la cavité 24 comporte une première portion 31, de forme cylindrique, depuis le fond 25, se prolongeant par une deuxième portion 32, de forme sphérique. La paroi supérieure 62 de la cavité 24, parallèle au fond 25, et environ la moitié de la deuxième portion 32, sont formées à l'intérieur de la culasse 23. Une enveloppe 33, de forme cylindrique, est interposée de manière gigogne entre le bâti 22 et la carcasse extérieure 11. Le fond inférieur 34 de l'enveloppe 33 comporte un trou central 35 pour le passage de l'arbre de sortie 28. L'enveloppe 33 est solidaire de l'arbre de sortie 28 par soudage du contour du trou central 35 sur la paroi extérieure dudit arbre 28. Le couvercle 36 de l'enveloppe 33 comporte un trou central 37 dont le contour est pourvu d'une collerette annulaire 38 rigidifiée par des nervures 61, formant un logement pour un roulement à billes 39 dont la bague intérieure est solidaire de la paroi extérieure du tube 16. L'enveloppe 33 est donc montée à rotation par rapport au bâti 22 et à la carcasse extérieure 11, suivant l'axe de révolution de ladite carcasse 11, lequel axe coïncide avec l'axe de rotation Dl de l'arbre de sortie 28 et avec l'axe D2 du tube 16. L'extrémité intérieure 40 de l'arbre de sortie 28 se prolonge à l'intérieur de la cavité 24 par une manivelle 41 ayant, de manière désaxée, un maneton 42 de forme cylindrique et rectiligne. L'axe de révolution D3 du maneton 42 est incliné par rapport à l'axe Dl de l'arbre de sortie 28, comme l'illustre la figure 1. L'angle d'inclinaison est sensiblement égal, dans l'exemple, à 30 degrés. Un flasque 43 est monté à rotation autour du maneton 42. Le flasque 43 comporte un corps central 44 supportant dans sa périphérie une pluralité d'ailettes 45, coplanaires dans l'exemple. Les ailettes 45 sont réparties autour du corps central 44 suivant un décalage angulaire prédéterminé. Dans l'exemple, le flasque 43 comporte six ailettes 45. La partie supérieure du corps central 44 présente une forme sphérique. Le tube 16 se prolonge au travers d'un évidement 46, de forme cylindrique, pratiqué dans la partie supérieure du corps central 44. L'axe de révolution de l'évidement 46 coïncide avec l'axe D3. L'extrémité libre 47 du tube 16 supporte un logement cylindrique 48 pour une première douille à aiguilles 49, assurant le guidage en rotation d'un premier arbre 50 dont les extrémités sont solidaires d'un caisson ouvert 51, de forme parallélépipédique, renfermant le logement cylindrique 48. Le tube 16 passe au travers de l'ouverture supérieure du caisson ouvert 51. Les extrémités du premier arbre 50 sont respectivement solidaires de deux faces parallèles 52, 53 du caisson ouvert 51. L'axe D4 du premier arbre 50 est perpendiculaire à l'axe D3 du maneton 42. Le premier arbre 50 et le caisson ouvert 51 sont logés dans un trou oblong 64 pratiqué dans le corps central 44 depuis le fond de l'évidemment 46, le trou oblong 64 étant allongé suivant la direction de l'axe D4 du premier arbre 50. La forme du trou 64 peut varier suivant les applications. Chaque face 54, 55 du caisson ouvert 51, perpendiculaire aux faces parallèles 52, 53, supporte à l'extérieur une portion d'arbre 56a 56b, colinéaires entre eux. Chaque portion d'arbre 56a, 56b est respectivement montée à rotation dans une deuxième et troisième douille à aiguilles 57, 58. Les douilles à aiguilles 57, 58 sont montées extérieurement dans un alésage 59 pratiqué dans la partie supérieure du corps central 44. L'axe D5 des portions d'arbre 56a, 56b est perpendiculaire aux axes D3 et D4, les trois axes D3, D4 et D5 étant concourants. Le premier arbre 50, les portions d'arbre 56a, 56b et le caisson ouvert 51 constituent un croisillon dont une première branche est montée à pivotement par rapport à l'extrémité libre 47 du tube 16, et l'autre branche dans le corps central 44. Les douilles à aiguilles peuvent être remplacées par des bagues en bronze par exemple, ou par tout autre moyen approprié. Avec ce montage, le corps central 44 du flasque 43 est monté, par rapport au bâti 22, selon une liaison sphérique à doigt interdisant, à chaque instant, la rotation du flasque 43 suivant l'axe D3 du maneton 42. Le centre de cette liaison est défini par le point de concours des axes D4 et D5. Par construction du tube 16, le centre de ladite liaison coïncide avec le point de concours de l'axe D3 du maneton 42 et de l'axe Dl de l'arbre de sortie 28, et correspond aussi au centre de la forme sphérique de la partie supérieure du corps central 44. Des cloisons planes 60, solidaires de la paroi latérale de la cavité 24 du bâti 22 s'étendent radialement en direction du corps central 44, en délimitant avec ce dernier un jeu fonctionnel. Chaque cloison plane 60 s'étend entre le fond 25 de la cavité 24 et la culasse 23, et s'insère avec un jeu fonctionnel entre deux ailettes 45 adjacentes. Les ailettes 45 s'étendent jusqu'à la deuxième portion 32 de la paroi latérale de la cavité 24 avec un jeu fonctionnel. Une ailette 45, deux cloisons planes 60 adjacentes, les parois latérale et supérieure 62 de la cavité 24, délimitent une chambre de compression CH dont l'ailette 45 constitue la partie mobile pour l'entraînement en rotation de l'arbre de sortie 28, comme il le sera détaillé plus loin. La paroi supérieure 62 de la cavité 24 est munie d'orifices d'admission 63 en fluide de travail alimentant chacun une chambre de compression CH. D'autre part, une première lumière 65 est agencée dans le couvercle 36 de l'enveloppe 33 pour ouvrir l'orifice d'admission 63 d'au moins une chambre de compression CH, les autres orifices d'admission 63 étant obturés par ledit couvercle 36. En référence à la figure 3, l'angle d'ouverture de la première lumière 65 est environ 90 degrés, de sorte qu'au moins deux chambres de compression CH adjacentes sont alimentées en fluide de travail grâce à la première lumière 65. Par ailleurs, le couvercle 36 de l'enveloppe 33 comporte une seconde lumière 66 pour ouvrir partiellement, à chaque instant, l'orifice d'admission 63 d'une chambre de compression CH adjacente aux chambres ouvertes grâce à la première lumière 65. Comme l'illustre la figure 1, le positionnement angulaire, fixe dans le temps, de la première lumière 65 par rapport à l'arbre de sortie 28 est déterminé pour que ladite lumière 65 ouvre au moins la chambre de compression CH présentant le volume le plus faible, c'est-à-dire celle dont l'ailette 45 est à proximité du point mort haut. En fonctionnement, le fluide de travail est admis 1 o par le plot de connexion d'entrée 20 au travers du deuxième trou 19. L'espace compris entre l'enveloppe 33 et la carcasse extérieure 11 est donc rempli de fluide de travail, sous pression. La première lumière 65 permet l'ouverture vers ledit espace et l'alimentation au travers des orifices d'admission 63, d'une ou plusieurs chambres de compression CH dont, parmi ces dernières, celle dont le volume est le plus faible (chambre de compression CH à gauche de l'axe D2 sur la figure 1). La pression du fluide de travail sur les ailettes 45 des chambres de compression CH alimentées provoque un mouvement desdites ailettes 45 dans le sens permettant une augmentation du volume desdites chambres. Ce mouvement des ailettes 45 sous pression provoque la mise en mouvement générale du flasque 43 par le rotulage autorisé du corps central 44 par rapport au bâti 22. Le mouvement du corps central 44 force le maneton 42 à décrire un cône dont le sommet coïncide avec le centre de la liaison entre le corps central 44 et le bâti 22, et dont l'angle au sommet est égal au double de l'angle d'inclinaison de l'axe D3. Par transmission grâce à la manivelle 41, l'arbre de sortie 28 est entraîné en rotation. La rotation de l'arbre de sortie 28 provoque, par l'intermédiaire de l'enveloppe 33, la rotation conjuguée et synchronisée de la première lumière 65, pour créer une alimentation tournante en fluide de travail. Progressivement, la chambre de compression CH adjacente, et dont le volume est le plus faible, est alimentée. L'ailette 45 de cette dernière devient à son tour motrice. Grâce à cette alimentation successive de l'ensemble des chambres de compression CH, l'arbre de sortie 28 est animé d'un mouvement de rotation régulier. Le couvercle 36 de l'enveloppe 33 constitue, grâce à la première lumière 65, un premier clapet Cl pour chaque chambre de compression CH pour l'admission du fluide de travail. L'état du clapet Cl dépend de la position angulaire de l'enveloppe 33. Sur la figure 1, le clapet Cl de gauche est ouvert et celui de droite est fermé. La présence de la seconde lumière 66 permet d'imposer le sens de rotation de l'arbre de sortie 28 suivant la direction du décalage angulaire de la seconde lumière 66 par rapport à la première lumière 65. L'effet de la présence de la seconde lumière 66 est notamment essentiel pendant le démarrage du moteur rotatif 10. Dans le mouvement du flasque 43, les chambres de compression CH diamétralement opposées par rapport aux chambres CH ouvertes grâce aux clapets Cl, subissent une diminution de volume à cause du mouvement de leurs ailettes 45. L'échappement du fluide de travail se pratique au travers de l'évidement 46 de la partie supérieure du corps central 44, puis le long du tube 16 jusqu'au plot de connexion de sortie 18. Le tube 16 comporte, à cet effet, une pluralité d'orifices transversaux 67 assurant la communication entre l'évidement 46 et l'intérieur du tube 16. Ce dernier supporte une calotte 68 de forme intérieure sphérique, agencée axialement, de forme intérieure complémentaire de la partie supérieure du corps central 44. La calotte 68 est destinée à fermer partiellement l'évidement 46 en délimitant une fente 69 assurant la communication entre les chambres de communication CH dont le volume diminue et l'évidement 46. La calotte 68 constitue un second clapet C2 pour chaque chambre de compression CH pour l'échappement du fluide de travail, C2 étant ouvert à proximité du point mort bas de l'ailette 45 correspondante. Contrairement à l'art antérieur, le moteur rotatif 10 ne présente aucun frottement interne entre les ailettes 45 et le bâti 22, grâce au type de liaison entre le corps central 44 et le bâti 22. De plus les ailettes 45 sont fixes par rapport au corps central 44. Ces deux aspects limitent l'entretien du moteur rotatif 10 et diminuent les contraintes concernant le fluide de travail. La valeur des jeux fonctionnels entre les ailettes 45 et la paroi latérale de la cavité 24, entre les cloisons planes 60 et les ailettes 45, entre les cloisons planes 60 et le corps central 44, est déterminée pour assurer une étanchéité suffisante des chambres de compressions CH en fonction du fluide de travail 1 o utilisé, gazeux ou liquide. L'étanchéité des chambres de compression CH est indépendante de la vitesse de rotation de l'arbre de sortie 28, contrairement à l'art antérieur. En particulier lors du démarrage du moteur rotatif 10, l'étanchéité de la première chambre de compression CH motrice, dépendant des jeux fonctionnels, est identique à chaque démarrage. Cet aspect a pour conséquence de fiabiliser le moteur 10 pendant la phase de démarrage, notamment pour le couple délivré sur l'arbre de sortie 28. Dans certaines variantes de la manivelle 41, le maneton 42 s'étend de manière inclinée directement depuis l'extrémité intérieure de l'arbre de sortie 28. Pour un renforcement du couple délivré par le moteur rotatif 10, il est clair que l'arbre de sortie 28 peut être entraîné, à son extrémité intérieure, par une pluralité de manivelles 41 comportant chacune un maneton 42 incliné selon l'invention, cette variante ne sortant pas du cadre de l'invention. Enfin, dans d'autres variantes non représentées, la position angulaire du couvercle 36 par rapport au bâti 22 peut être indexée pour permettre un réglage de l'avance et éventuellement du sens de rotation par retournement dudit couvercle 36. Revendications 1. Moteur rotatif (10) à transformation de l'énergie d'un fluide de travail sous pression, comportant une carcasse extérieure (11) et un arbre de sortie (28) monté à rotation, caractérisé en ce que l'extrémité intérieure de l'arbre de sortie (28) se prolonge par au moins une manivelle (41) avec un maneton (42) incliné par rapport à l'arbre de sortie (28) et autour duquel est monté à rotation un flasque (43) comportant une pluralité d'ailettes (45) réparties autour d'un corps central (44), chaque ailette (45) constituant la partie mobile d'une chambre de compression (CH) respective, lesdites chambres de compression (CH) étant alimentées en fluide de travail par des moyens d'alimentation synchronisés avec l'arbre de sortie (28) pour permettre une alimentation tournante et successive desdites chambres de compression (CH). 2. Moteur rotatif (10) selon la revendication 1, caractérisé en ce que la carcasse extérieure (11) renferme un bâti (22) et une enveloppe (33) interposée entre ledit bâti (22) et ladite carcasse extérieure (11), ladite enveloppe (33) étant solidaire de l'arbre de sortie (28) et ledit bâti (22) étant solidaire de ladite carcasse (11) et comportant une cavité (24) destinée à recevoir le flasque (43) pour constituer les chambres de compression (CH). 3. Moteur rotatif (10) selon la revendication 2, caractérisé en ce que le bâti (22) est soutenu par un tube (16) s'étendant coaxialement avec l'arbre de sortie (28) depuis la carcasse extérieure (11), et au travers duquel se pratique l'échappement du fluide de travail compris dans les chambres de compression (CH). 4. Moteur rotatif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le corps central (44) du flasque (43) est monté, par rapport au bâti (22), selon une liaison sphérique à doigt interdisant la rotation du flasque (43) suivant l'axe (D3) du maneton (42), le centre de ladite liaison coïncidant avec le point de concours de l'axe (D3) dudit maneton (42) et de l'axe (Dl) de l'arbre de sortie (28). 5. Moteur rotatif (10) selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'extrémité libre (47) du tube (16) soutenant le bâti (22) est montée à pivotement autour d'une première branche d'un croisillon, dont l'autre branche est montée à pivotement dans le corps central (44) du flasque (43) , les deux branches du croisillon s'étendant dans un plan perpendiculaire à l'axe (D3) du maneton (42). 6. Moteur rotatif (10) selon l'une des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que chaque chambre de compression (CH) est délimitée par une ailette (45) du flasque (43), par les parois latérale et supérieure (62) de la cavité (24) du bâti (22), et par des cloisons planes (60) solidaires du bâti (22) et s'étendant depuis ladite paroi latérale en direction du corps central (44) du flasque (43). 7. Moteur rotatif (10) selon l'une des revendications 3 à 6, caractérisé en ce que le bâti (22) comporte une culasse (23) munie d'orifices d'admission (63) en fluide de travail alimentant chacun une chambre de compression (CH) et étant obturé par un premier clapet (Cl) dont l'état dépend de la position angulaire de l'enveloppe (33). 8. Moteur rotatif (10) selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'enveloppe (33) comporte un couvercle (36) obturant les orifices d'admission (63) de la culasse (23) du bâti (22), une première lumière (65) étant agencée dans ledit couvercle (36) pour ouvrir l'orifice d'admission (63) d'au moins une chambre de compression (CH) vers l'espace compris entre l'enveloppe (33) 30 et la carcasse extérieure (11). 9. Moteur rotatif (10) selon la revendication 8, caractérisé en ce que le couvercle (36) de l'enveloppe (33) comporte une seconde lumière (66) pour ouvrir partiellement l'orifice d'admission (63) d'une chambre de compression (CH) adjacente aux chambres de compression (CH) ouvertes grâce à la première lumière (65). 10. Moteur rotatif (10) selon l'une quelconque des revendications 3 à 9, caractérisé en ce que la partie supérieure du corps central (44) présente une forme sphérique avec un évidement (46) pour le passage du tube (16) 1 o soutenant le bâti (22), et en ce que ledit tube (16) supporte une calotte (68) constituant un second clapet (C2) pour chaque chambre de compression (CH) pour l'échappement du fluide de travail, ledit second clapet (C2) étant ouvert à proximité du point mort bas de l'ailette (45) correspondante. 11. Moteur rotatif (10) selon l'une des revendications 6 à 10, caractérisé en ce que la paroi latérale de la cavité (24) du bâti (22) comporte une portion (32) de forme sphérique.