Brevet FR2908854A1 — publié le 20080523

La présente invention porte sur un moyen de conversion du mouvement alternatif en rotatif et l'inverse, en se substituant au système bielle-manivelle (vilebrequin). Le dispositif est basé sur l'engrenage d'un pignon ovoïde à axe complètement excentré, en rotation dans une cage oblongue animée d'un mouvement rectiligne alternatif. Principe de fonctionnement. Selon la figure la, en rotation dans le sens des aiguilles d'une montre, le pignon s'engrène avec la partie haute de la cage qui se déplace de gauche à droite. Après une rotation de 90 , le pignon arrive au point mort de la cage dont la vitesse devient nulle. Continuant son mouvement, il engrène avec la partie basse de la cage -figure lb- qui va se mouvoir de droite à gauche et ainsi de suite. La novation en la matière consiste à contrôler le mouvement par engrenages en dehors de la partie crémaillère et d'assurer ainsi une course longue. Selon les utilisations, le système pourra être couplé ou non à un démarreur et un volant d'inertie. Descriptif. Voir figure 2. Le mouvement de rotation sera considéré moteurlors de la transformation du couple de rotation en mouvement alternatif. Exemple: moteur électrique animant une pompe ou un compresseur. Il sera dit résistant lors de la transmission du mouvement alternatif en rotatif. Exemple: piston coulissant dans un cylindre. L'arbre de transmission (1) est de type borgne-ou arbre- et ne peut généralement pas traverser le pignon de par son excentration d'axe de rotation. Il est donc assemblé au pignon par un fourreau de liaison (2) qui comporte un alésage et une fixation rigide de type clavetage ou autre. Ce fourreau de liaison, outre le lien de l'arbre au pignon, assure un e fonction d'amorti à proximité des points morts par un effet de came (came d'amorti). Il s'agit de la patie mâle de section circulaire venant en appui lors de sa rotation dans la partie correspondantefixe de forme circulaire ou ellipsoïde déterminée si nécessaire par tracé (cuvette de came) il est relié démontable par vis freinées et éventuellement goupille de centrage au fourreau. Il est possible de monter un fourreau de liaison d'arbre sur l'autre face du pignon pour constituer si nécessaire une ligne d'arbres. 2908854 2 La transmission de mouvement entre le pignon et la cage s'effectue par des engrenages cylindriques à développante de cercle. Ils sont de module aussi grand que possible mais compatible avec la fabrication pour avoir un pignon comportant environ 15 dents actives plus la dent de base. L'angle de pression de 20 est préconisé mais pas 5 obligatoire et si nécessaire on pourra utiliser le déport de dents ou en tronquer. La cage comporte le double de dents du pignon et une dent du pignon ne s'engrène qu'avec 2 dents possibles de la cage, en positions opposées. En mouvement de rotation de type moteur, le système est entrainé en continu à la demande et le mouvement ne nécessite pas de démarreur annexe ni obligatoirement de 10 volant d'inertie et la configuration pignon et cage est de type symétrique. Dans ce cas, le pignon (3) est symétrique selon son axe dessiné verticalement en fig. 3. Nous avons la configuration simple du système sous réserve que le pignon soit de dimension suffisante et de module adapté pour rester engrené aux points morts. A titre d'exemple, un diamètre primitif crémaillère de 100 module 4 et largeur totale du 15 pignon d'environ 80 ne nécessite pas d'assujettissement aux points morts. La géométrie du pignon est faite du raccordement de 3 arcs de cercle. Le plus grand est le rayon primitif correspondant à la partie crémaillère dont le centre est l'axe de rotation du pignon. Il est relié latéralement à 2 arcs de rayon d'environ 40% du précédent: et la figure se ferme par un arc de rayon voisin du rayon primitif englobant ou non le centre 20 de rotation, mais très proche de celui-ci. La définition ci-dessus du pignon va initier une course de la cage d'environ 1,4 fois le diamètre primitif et la course est paramétrable entre 1, 2 et 1,5 fois cette cote, fonction_ iu périmètre du pignon dont les ajustements s'effectuent par la dimension des arcs latéraux et la distance de leur centre à l'axe du pignon. 25 Ce type de paramétrage permet de constituer un pignon asymétrique, par le décalage plus ou moins des centres des cercles latéraux tout en conservant une figure fermée. La cage (4) est constituée d'une figure schématiquement rectangulaire se raccordant par les petits côtés aux mobiles entrainés ou entrainants. L'intérieur est muni des engrenages correspondant au pignon. Ce sont partiellement des crémaillères raccordées latéralement 3 0 à des arcs corrélés au pignon par une géométrie adaptée et une dent de base. Le périmètre de la çage est adapté très précisémént au périmètre du pignon, y compris dans 2908854 3 les configurations asymétriques dont les différences des 1/2 périmètres doivent être de minimum 3% pour être significatives. La section de la cage est tributaire des forces à transmettre, tout comme les dimensions du pignon, et fonction des matériaux et traitements thermiques appliqués. La cage sera 5 guidée latéralement par des glissières à billes pour absorber les contraintes latérales se produisant à proximité des points morts, et éviter de reporter ces contraintes sur les éléments externes de course alternative. Les courbes de vitesse de déplacement de la cage par rapport à la rotation du pignon ont l'avantage d'être très linéaires et ne subissent pas de variation de type sinusoïdal. 10 Un ralentissement se produit naturellement en fin de course mais à une vitesse qu'il faut contrôler en exerçant un amortissement dans une zone d'environ 12 de rotation du pignon de part et d'autre du point mort ( ou du changement de sens). - La figure 5 présente la course d'un point quelconque de la cage par rapport à la rotation du pignon avec en abscisse les angles de rotation et en ordonnée les hauteurs de 15 déplacement. La droite (1) est de hauteur JI . Dp / 4. (Dp = 100) La courbe (2) est la course dite normale dans ce mécanisme. La courbe (3 ) est la course amortie par ajout des cames correspondantes. - La figure 6 est le tracé exact de la course du pied de bielle (course de 100) et 1' on lit une approche sinusoïdale plus amortie avec un mouvement plus doux mais 20 présentant l'inconvénient de ne pouvoir transmettre tout le couple de par le mécanisme d'embiellage. (voir BOSCH û Mémento de Technologie Automobile page 451) et on constate que les 2 portions de courbe ne sont pas égales. Solidaires et positionnées à chaque extrémité de la cage, les cuvettes d'amorti(5) reçoivent la came (2) permettant de répartir les contraintes locales et réduisant la course 25 de l'ordre de 3%. Elles peuvent servir aussi de pièces d'assemblage aux 2 moitiées de cage, selon procédé d'usinage des engrenages (2 '/2 pièces ouvertes). La hauteur de la dent de base du pignon est adaptée à l'amortissement en limitant la course. Système asymétrique. Afin d'éviter tout risque de blocage aux points morts dans le fonctionnement en couple 30 résistant, la solution consiste à gommer ces points morts par la réalisation de dispositif asymétrique tant dans le pignon que la cage correspondante. Dans ce cas, la 2908854 4 force exercée selon l'axe longitudinal de la cage provoque la rotation du pignon et redémarre la course. Un déport angulaire de 3 est suffisant si les frottements sont faibles. Cette configuration est assurée: par le pignon dont la distance des centres des arcs 5 latéraux à son axe est différente de chaque côté et génère des '/2 périmètres correspondants reportés sur les côtés des cages, et aussi par une pente de la base à l'extrémité des cages assurant un basculement du pignon ainsi qu'un léger déport des centres de la came d'amorti et de la cuvette. Dans cette configuration, un pignon suffisamment large assurera son maintien à l'arrêt 10 au point mort sans décrochage de la cage. Ce pignon asymétrique dit large génère une course d'environ 1,36 fois le diamètre primitif -en course dite normale-soit 1.32 en course amortie. - voir page 2 - lignes 14 et 15 . Voir figure 4. La vérification d'un maintien suffisant s'effectue par superposition du dessin du pignon sur celui de la cage. Nécessité de dents de hauteur standard et de grand module. 15 Aux environs d'une course de 1,30 et plus faible, le pignon pourrait décrocher à l'arrêt à proximité des points morts, tant en situation symétrique ou non. Pour éviter cet inconvénient, il est aisé de rajouter une sécurité composée de systèmes connus. Compte tenu de l'excentration du pignon, un équilibrage par fixation d'une masselotte 20 (6) sur la came d'amorti est nécessaire. Ce dispositif peut permettre des courses dites longues par la création de cages constituées de la manière suivante: à chaque extrémité, une demi-cage est reliée latéralement et d'un seul côté à une crémaillère de longueur appropriée à la course prévue, et cette crémaillère est fixée à l'autre bout à une autre '/2 cage, disons en haut 25 du dispositif selon figure 10. Le système se referme par une crémaillère identique disposée en bas et du côté opposé. Le pignon n'engrènera que dans ses '/2 cages mais sera couplé de chaque côté à un pignon circulaire normal qui s'engrènera sur un flanc dans la crémaillère haute et l'autre flanc avec la crémaillère basse. Les longueurs de courses possibles seront égales à la longueur générée par le pignon excentré, additionné 30 de la course des pignons circulaires pour le nombre de tours complets choisis, ce qui laisse des possibilités de très large choix. 2908854 5 Domaines d'utilisations et avantages du mécanisme pignon-cage. Par nature, le domaine d'application se situe dans le coulissement des pistons dans leurs cylindres et donc les moteurs thermiques, pompes, compresseurs , etc... en remplaçant les dispositifs de bielle-manivelle et donc les vilebrequins. Le coulissement 5 rectiligne des pistons permet d'éviter l'ovalisation, diminuer les dimensions des jupes de guidage, supprimer les bielles qui sont des pièces encombrantes (2 à 3 fois la course), ainsi que les vilebrequins posant des problèmes d'équilibrage. Ceci permet selon les configurations, des gains de dimensions et donc de poids et aussi de rendement ( voir page 3 ligne 21) 10 Configurations. Si le système permet le raccordement à un seul cylindre, il nécssite dans tous les cas un équilibrage. La figure 7 représente un dispositif bielle-manivelle couplé à un piston de diamètre et hauteur 35 et donc de bielle de 70. 15 La figure 8 est un système pignon-cage de course 35 à 2 pistons opposés de hauteur 25. Un de ses intérèts est de pouvoir s'inscrire pour 2 pistons dans le volume de la figure 7 et, de pouvoir s'équilibrer en couplant sur un même arbre un deuxième mécanisme décalé de 180 , soit 4 cylindres. La figure 9 est relative à un dispositif sans culasse, nécessitant 2 lignes d'arbres mais 2 0 avec un rendement thermodynamique élevé et particulièrement avec le mécanisme de cette étude. REVENDICATIONS . 1- Mécanisme totalement réversible permettant la conversion du mouvement alternatif en rotatif, comportant (figure 2) un arbre non traversant (1) solidaire d'un fourreau de liaison (2) monté sur le pignon denté (3) en rotation dans une cage (4) animée d'un mouvement rectiligne alternatif, l'ensemble complété par un amortissement des courses aux points morts par l'extrémité circulaire du fourreau (2) servant de partie mâle à une came dont les parties femelles (5) sont solidaires à chaque extrémité latérale de la cage et le pignon équilibré en rotation par une masselotte (6). 2- Mécanisme, selon revendication 1, nécessitant un fourreau de liaison (2) caractérisé par une liaison rigide de type clavetage ou autre à l'arbre et par vis freinées et goupille de centrage au pignon (3) et comportant à l'autre extrémité une finition demi-circulaire servant de came mâle d'amorti. 3- Mécanisme selon revendications 1 et 2, caractérisé par un pignon ovoïde (3) comportant un axe de rotation très excentré et muni de dents d'engrenages de type normalisé, pouvant être tronquées ou utilisant un déport si nécessaire, et de grand module compatible avec un fonctionnement correct, comprenant environ 15 dents, plus une grande dent dite dent de base servant en partie à l'amorti de la course et au fonctionnement de type asymétrique si recherché. 4- Mécanisme, selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par l'engrenage du pignon avec la denture interne de la cage oblongue (4) composée de 2 côtés à crémaillères parallèles se raccordant à chaque extrèmité à 1 ou 2 arcs de cercle dont la géométrie se calcule pour s'accorder parfaitement à chaque périmètre du pignon et se teminant latéralement par une dent d'amorti en relation avec celle du pignon. 5- Mécanisme, selon l'une quelconque des revendications précédentes, comportant à chaque extrémité de la cage la cuvette d'amorti (5) pouvant servir de pièce de raccordement aux 2 demi cages si réalisées sous cette forme, caractérisée par l'usinage de forme circulaire ou ellipsoïde recevant la came mâle. 6- Mécanisme, selon l'une des revendications précédentes et en particulier la revendication 2, nécessitant un équilibrage des parties en rotation dont le pignon excentré, 30 caractérisé par l'ajout d'une masselotte (6) à la came d'amorti (2). 2908854 7 7- Mécanisme, selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par un mouvement alternatif quasi-linéaire ( donc moins bridé que le mouvement sinusoïdal) sauf dans environ 12 de part et d'autre des points morts où un ralentissement naturel se produit, 5 mais nécessitant un contrôle de la vitesse avant de passer à zéro aux points morts, ce qui se réalise à travers le contact de la grande dent de base du pignon sur la dent correspondante de la cage, complété par la came mâle (2) dans la cuvette d'amorti (5) permettant de réduire la course de 2 à 3%. 8- Mécanisme, selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par 10 une proportion de course par rapport au diamètre primitif, amenant une impossibilité du pignon à se désolidariser de sa cage lors des arrêts de rotation et au point mort lorsque ce rapport est de 1,36 et au dessus pour la course dite normale, soit de 1,32 dans la course amortie et nécessitant pour des rapports inférieurs l'adjonction de dispositifs d'arrêt connus. 9- Mécanisme, selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par 15 une configuration de type asymétrique en différenciant la longueur des '/2 périmètres primitifs du pignon, à savoir le côté droit supérieur au gauche, de l'ordre de 3%, pour une rotation dans le sens des aiguilles d'une montre, cet écart suffisant à éviter un éventuel blocage aux points morts où le couple est nul et assurant la continuité de rotation en modifiant en conséquence la géométrie du système par l'inclinaison des dents de base du 20 pignon et de la cage et en déportant les axes de la came et de la cuvette d'amorti en rapport. 10 û Mécanisme , selon l'une quelconque des revendications précédentes, et en particulier selon les revendications 3 et 4, caractérisé par un système modifié, utilisant le pignon excentré auquel on ajoute axé sur l'arbre un pignon denté circulaire de même module sur chaque face, un de ces pignons s'engrenant avec une crémaillère de longueur 25 appropriée reliant le haut des 2 parties de cage sur la face avant, le relais du mouvement assuré à une extrémité par le pignon-cage pour que le retour s'effectue par le pignon circulaire sur la crémaillère du bas reliée aux faces opposées de la cage.(figure10)