Moteurs à piston à mouvement orbital
La présente invention concerne de façon générale des moteurs, des machines motrices, des compresseurs ou des pompes à fonctionnement orbital , et particulièrement des dispositifs de ce genre dans lesquels un mouvement purement orbital du piston est produit par
des moyens de transmission associés au cylindre, au piston et à l'arbre.
Le mouvement combiné de rotation et orbital du moteur "Wankel" est à présent bien connu.Au surplus,
on a tenté de nombreuses fois d'améliorer le concept fondamental d'un tel moteur. Beaucoup des tentatives fai- tes visaient le problème principal du moteur Wankel c'est-à-dire l'usure excessive et le défaut d'étanchéité au point de contact entre le rotor ou le piston et la paroi de la chambre de combustion. Il est possible que
la solution idéale à ce problème soit d'empêcher le mouvement de rotation du piston et de ne permettre qu'un mouvement orbital. De nombreux essais ont été faits pour réaliser cela , y compris ceux faits par Trotter en 1805 et Galloway en 1846. Certaines constructions typiques récentes ont été décrites dans les brevets des Etats-Unis d'Amérique No. 3.703.344 accordé à Reitter ; No. 3.787.150 accordé à Sarich;et No. 3.812.828 accordé à Griffith. La plupart des constructions qui limitent le mouvement du piston à un mouvement orbital comportent un piston tourillonné sur un arbre excentré , et un certain nombre
de pales entre le piston et l'enveloppe du cylindre. Ces pales définissent des chambres de combustion distinctes
et ont un mouvement alternatif dans l'enveloppe lorsque le piston-, exécute son mouvement orbital. Dans certaines constructions, les pales elles-mêmes empêchent la rotation du piston; cependant, des forces appréciables de flexion et de cisaillement proviennent des pales, dans ces conceptions, ce qui exige une construction lourde
et ce qui produit un fort frottement. Une autre tentative récente pour réaliser un mouvement purement orbital du piston est décrit dans le brevet des Etats-Unis
1
d'Amérique No. 3.953.159. Cependant, le système de transmission qui y est décrit a l'inconvénient d'utiliser neuf roues de transmission pour s'efforcer de produire le mouvement orbital.Un nombre aussi grand de roues dentées permet beaucoup de jeu et de perte de mouvement, ce qui conduit au fait que le piston éprouve un certain mouvement de rotation au lieu de n'avoir que le mouvement orbital désiré.
Dans une autre version d'un moteur purement orbital, qui a fait l'objet du brevet accordé à Sarich
cité ci-dessus, la tendance du piston à tourner est empêchée par deux ou plusieurs arbres ayant chacun une partie excentrée sur laquelle le piston est monté. Ceci est équivalent mécaniquement à un biellage à parallélogramme entre le piston et le cylindre pour forcer le piston à avoir le mouvement voulu et pour reprendre les pressions des pales ; ceci est à nouveau un agencement compliqué et inefficace.
Suivant la présente invention, on a prévu un moteur, une pompe ou une machine motrice ayant une enveloppe de cylindre, un piston et un arbre autour duquel le piston est monté de façon excentrée dans l'enveloppe du cylindre , une première roue dentée fixe par rapport à l'enveloppe du cylindre , une seconde roue dentée fixe par rapport au piston et une troisième roue dentée coopérant avec les première et seconde roues dentées pour limiter le mouvement du piston à un mouvement orbital et pour transformer ce mouvement orbital en un mouvement de rotation de l'arbre. Cet agencement de transmission est simple, efficace, et conduit à produire le mouvement purement orbital désiré pour le piston.
Suivant un autre aspect de la présente invention, on a prévu un moteur, une machine motrice ou une pompe comportant un piston monté pour tourner autour d'un axe à l'intérieur d'une enveloppe de cylindre , laquelle enveloppe comporte des faces radiales et une multiplicité de chambres de combustion , des moyens d'étanchéité disposés sur au moins l'une des faces radiales du piston pour fermer de façon étanche les chambres de combustion en empêchant les fuites de fluide de travail , ces moyens d'étanchéité comprenant une bague annulaire d'étanchéité constituée d'une bande annulaire , cette bande comprenant une multiplicité d'éléments d'extension espacés
qui définissent entre eux des poches , chacune des poches comportant, disposé à l'intérieur de celle-ci, un élément d'étanchéité périphérique et des moyens à ressort, chacun des moyens à ressort ayant pour effet de solliciter la bande annulaire à venir en contact avec. l'une des faces radialesde l'enveloppe du cylindre pour em- pêcher la fuite de fluide de travail en direction radiale , et chacun des éléments d'étanchéité périphériques empêchant le fluide de travail de s'échapper de sa po-che correspondante et de fuir en direction circonférentielle vers une chambre de combustion voisine.
Pour mieux faire comprendre l'invention, on la décrira à présent en se référant aux dessins joints au présent mémoire, sur lesquels:
- La figure 1 est une vue en coupe transversale d'une forme de réalisation préférée de l'invention;
- la figure 2 est une vue en coupe de l'invention, considérée suivant l'axe principal de l'arbre;
- la figure 3 est une vue de détail de l'arbre;
- la figure 4 est une vue en bout de l'arbre, des roues dentées et du manchon tels qu'ils apparaîtraient lorsqu'on enlève ces organes du moteur, des parties étant coupées pour montrer le détail de la coopération des roues dentées;
- la figure 5 est une vue des moyens de transmission préférés , retirés du moteur pour montrer les détails de l'arrangement des roues dentées, principalement pour comparaison avec la figure 6;
- la figure 6 est une vue d'une variante d'agencement d'engrenages, semblable à la vue de la figure 5;
- la figure 7 est une vue d'un autre agencement d'engrenages encore;
- la figure 8 est une vue en coupe transversale des moyens d'étanchéité pour la combustion ,perfectionnés suivant la présente invention ;
- la figure 9 est une vue en perspective partielle des moyens d'étanchéité selon la présente invention; et
- la figure 10 est une vue détaillée des moyens d'étanchéité à l'égard de la combustion, enlevés du piston.
La présente invention peut être adaptée à un moteur d'automobile, à un moteur à fluide:,' à un compresseur ou à une pompe. Elle est représentée ici à propos d'un moteur à fluide comportant au moins un cylindre et au moins un piston. De façon générale, le piston est monté de façon excentrée sur un arbre et
il est restreint dans ses mouvements par un moyen de transmission en sorte qu'il exécute un mouvement orbital mais non de rotation à l'intérieur de l'enveloppe
du cylindre lorsque l'arbre tourne. Des pales sont associées à l'enveloppe du cylindre et au piston de façon à définir une multiplicité de chambres de combustion autour du piston et de façon à avoir un mouvement alternatif radial par rapport au cylindre lorsque le piston exécute un mouvement orbital. Tel qu'on l'utilise dans la présente demande de brevet, le terme da "cylindre" se réfère à l'espace dans lequel le
piston exécute son mouvement orbital , mais on comprendra que le"cylindre" ne doit pas avoir nécessairement une forme géométrique de cylindre parfait.
Suivant la présente invention, le mouvement orbital du piston est autorisé et la rotation du piston est empêchée par des moyens à engrenages associés au cylindre , au piston et à l'arbre. Dans la forme de réalisation préférée, l'arbre comporte deux sections excentrées en alignement radial, le premier axe
excentré étant déplacé par rapport à l'axe de l'arbre de la moitié de la distance dont le second
axe excentré est déplacé de l'axe de l'arbre. Une
roue dentée extérieure (pignon) est tourillonnée sur
la première partie excentrée de l'arbre, et le piston est tourillonné sur la seconde section excentrée. Le pignon coopère avec deux roues dentées annulaires identiques dont la première est empêchée de tourner par rapport au cylindre et centrée autour du second axe excentré. La seconde roue dentée annulaire est empêchée de tourner par rapport au piston. Dans cette construction préférée, le pignon coopère toujours avec la première roue dentée annulaire en un point du pignon diamétralement opposé du point de contact du pignon avec la seconde roue dentée annulaire.
En termes mathématiques, la forme de réalisation préférée peut se décrire en disant qu'un tour positif de l'arbre doit être accompagné d'un tour négatif relatif de la seconde roue dentée annulaire,
<EMI ID=1.1>
Les nombres de dents de chaque roue dentée détermineront cette relation suivant l'équation (+) un tour d'arbre = F/P x P/0 = (-) 1 tour de la seconde roue dentée annulaire , par rapport à l'arbre = (+) 1 orbite de la seconde roue dentée annulaire, où F, P et 0 sont les nombres de dents de la première roue dentée annulaire (fixe), ou pignon, et de la seconde roue dentée annulaire (ou orbitale), respectivement.On peut voir que l'agencement de la transmission à engrenages décrite empêchera la seconde roue dentée annulaire , et par conséquent le piston, de tourner , tout en leur permettant d'avoir un mouvement orbital autour de l'axe principal de l'arbre. Le mouvement orbital résultant du piston communiquera
un mouvement de rotation directement à l'arbre principal. Dans des formes de réalisation en variante, d'autres moyens de transmission à engrenages peuvent être utili-sés avec des diamètres différents , des nombres de dents différents, etc., pourvu que l'on obtienne le même résultat final.
La présente invention procure aussi des moyens d'étanchéité améliorés à l'égard de la combustion ,qui empêchent la fuite du fluide de travail entre les faces radiales du piston et les faces radiales de l'enveloppe du cylindre et qui empêchent aussi la fuite de fluide dans une direction circonférentielle entre les chambres de combustion adjacentes.
Dans la forme de réalisation préférée , le piston est muni de cinq pales qui définissent cinq chambres de combustion distinctes , ces pales étant susceptibles
de coulisser radialement dans des fentes réceptrices
de pales de la paroi du cylindre et pouvant coulisser tangentiellement dans les fentes du piston. Dans cette invention, il est particulièrement avantageux que
tous les points ou lignes qui exigent une étanchéité soient compris entre des surfaces qui sont parallèles, et que tout mouvement de coulissement ou de glissement se produise dans des directions perpendiculaires à une surface d'étanchéité.
Dans son concept le plus large, l'invention comprend des moyens de transmission pour limiter le mouvement d'un piston monté de façon excentrée , à un mouvement purement orbital , et transformer ce mouvement orbital en un mouvement de rotation de l'arbre (ou vice-versa).Les moyens de transmission n'exigent qu'un seul arbre , par opposition à ceux connus de l'art antérieur. Bien que l'on décrive ici une forme de réalisation nettement préférée, on considère qu'une multi-plicité d'équivalents mécaniques apparaîtront aux spécialistes.
En se référant aux dessins, on y voit l'invention représentée dans un. moteur hydraulique comportant une enveloppe de cylindre 10 qui comprend une plaque avant 12 , une plaque d'extrémité 14 , un couvercle 16, et un boîtier de valve 18 enfermant le mécanisme de travail suivant la présente invention. L'enveloppe de cylindre 10 est de façon générale de forme cylindrique, avec une cavité centrale qui forme un cylindre unique
20 entre la plaque avant 12 et la plaque d'extrémité 14. L'enveloppe du cylindre 10 est également munie d'un passage d'admission et d'échappement 22 et d'autres particularités classiques qui sont associées typiquement à des moteurs hydrauliques.
Un piston unique 28 à mouvement orbital est logé à l'intérieur du cylindre 20. Le piston 28 est de forme généralement cylindrique , sauf qu'il est muni d'un certain nombre de parties plates 30 ( appelées ici "plats") autour de sa périphérie. Comme montré aux desins, on préfère avoir cinq plats 30 ; cependant, ce nombre peut être modifié avec le nombre des pales,ainsi qu'on le verra plus complètement dans la suite. Comme on l'exposera plus complètement dans la suite, les faces radiales du piston 28 sont également munies de bagues d'étanchéité 32, 33 , sur chaque face radiale, à proximité de la périphérie extérieure du piston et se conformant de préférence à son contour périphérique.
Lorsque les plaques d'avant et d'extrémité 12,14 sont assemblées, les bagues de piston 32,33 coopèrent avec les faces radiales des plaques 12,14,respectivement, pour fermer le cylindre 20 en empêchant les fuites.
Un arbre primaire, indiqué de façon générale par
34, est tourillonné pour tourner par rapport à l'enveloppe de cylindre 10. L'arbre 34 comprend de préférence une section antérieure 40, une première section excentré
42, une seconde section excentrée 44 et une section postérieure 46, comme on le voit le mieux à la figure 2. Les sections avant et arrière sont centrées autour d'un axe commun (axe primaire) , et la section avant 40 tourillonne par l'intermédiaire d'un palier à rouleaux 24 dans un flasque 36 qui est relié à la plaque avant 12. La section postérieure 46 est tourillonnée par un palier à rouleaux 38 dans la plaque d'extrémité 14.
La section postérieure 46 de l'arbre peut être d'un diamètre supérieur à la section antérieure 40 en sorte de pouvoir supporter une charge ou un couple plus important ; cependant, les axes des sections avant et arrière coïncident entre eux. En outre, lorsque l'arbre 34 est soutenu dans le moteur, les axes des sections avant et arrière de l'arbre 34 coïncident avec l'axe de cylindre de l'enveloppe cylindrique 10 et du cylindre 20. Les deux sections excentrées 42 et 44 de l'arbre 34 sont alignées radialement , et dans la forme de réalisation préférée, le déplacement "a" du premier axe excentré par rapport à l'axe de l'arbre principal, est d'une moitié du déplacement"b" du second axe excentré, par rapport à l'axe
de l'arbre principal, comme représenté à la figure 3. Bien que les dessins montrent un arbre avec deux sections excentrées, un arbre à manivelles multiples est également envisagé comme\tombant dans l'acception du mot "excentré" ou "excentrique" tel qu'utilisé précédemment.
La longueur de chaque portion de l'arbre 34 est déterminée par l'arrangement du piston et des roues dentées, comme suit. Une roue dentée extérieure ou pignon
48 est montée à rotation sur la première section excentrée 42 de l'arbre 34. Une première roue dentée intérieure ou annulaire 50 est centrée autour de l'axe principal et est montée de manière fixe par rapport
à la plaque d'extrémité avant 12. Cette première roue dentée annulaire 50 sera dite "roue dentée annulaire fixe". Une seconde roue dentée annulaire 54, à mouvement orbital, est de préférence identique à la première en diamètre et en nombres de dents , mais la roue dentée annulaire à mouvement orbital 54 est centrée autour du second axe excentré . La roue dentée annulaire orbitale
54 n'est pas montée directement sur la seconde section excentrée 44 de l'arbre 34, mais est fixe par rapport au piston 28. Le piston 28 peut tourner , étant monté sur la seconde section excentrée 44 de l'arbre 34 , par un palier à rouleaux 56. On peut voir, par conséquent, que la roue dentée annulaire à mouvement orbital 54 et le piston 28 sont reliés l'un à l'autre et sont montés de façon à pouvoir tourner comme un ensemble sur la seconde section excentrée 44 de l'arbre 34.
En termes mathématiques, un tour positif de l'arbre 34 doit induire un tour négatif relatif sur la roue dentée annulaire orbitale. Les nombres de dents de chaque roue dentée détermineront cette relation suivant
<EMI ID=2.1>
de la roue dentée orbitale,par rapport à l'arbre = (+) 1 orbite de la roue dentée annulaire , où F, P et 0 sont les nombres de dents dans les roues dentées fixe , de pignon et orbitale,respectivement. On peut voir d'après cette description de la forme de réalisation préférée, que la roue dentée annulaire fixe 50 coopérera avec
le pignon 48 le long d'un axe qui est parallèle aux deux axes excentrés , et que la roue dentée annulaire à mouvement orbital 54 coopérera avec le pignon 48 , en un point du pignon diamétralement opposé au point de contact de la première roue dentée annulaire fixe 50 avec le pignon 48. En outre, l'opposition diamétrale de ces
deux points de coopération sera la même quelle que soit la position du piston et de l'arbre au cours du cycle
du moteur. En effet, les deux roues dentées 50,54 forment une cage dans laquelle le pignon captif 48 peut rouler. Comme la roue dentée annulaire fixe 50 est empêchée de tourner du fait qu'elle est clavetée en 50a à la plaque avant 12, le seul mouvement possible que peut présenter la roue dentée annulaire orbitale 54 est un mouvement orbital , absolument dépourvu de rotation. Comme la roue dentée annulaire à mouvement orbital 54 et le piston 28 sont reliés de façon rigide, le piston 28 ne peut qu'avoir un mouvement orbital et ne peut tourner lorsque l'arbre 34 tourne.
Les moyens à roues dentées décrits ci-dessus sont préférés du fait qu'on croit que ce sont les moyens les plus simples, les plus efficaces et ceux de fabrication la plus facile, des formes de réalisation connues. Néanmoins, d'autres équivalents mécaniques peuvent, comme
on le sait, produire les mêmes résultats. La figure 5 montre schématiquement le rapport et la coopération entre une roue dentée annulaire fixe 50 autour de l'axe "x",
<EMI ID=3.1> et le pignon captif 48 autour de l'axe "y". La figure 6 peut être comparée à la figure 5 et représente une forme de réalisation dans laquelle les roues dentées extérieures 110,112 remplacent les roues dentées annulaires préférées 50,54 , et où une roue dentée annulaire femelle
114 est substituée au pignon préféré 48. Le premier
<EMI ID=4.1>
le second pignon 112 est fixé au piston autour de l'axe "z" et la roue dentée annulaire 114 peut flotter de façon captive autour de l'axe "y". (En variante, on observera que le piston 112 peut flotter de façon captive et que la roue dentée annulaire 114 peut être attachée au piston , mais ceci conduirait à un moindre déplacement du piston pour le même engrènement). Au surplus, il est possible , au lieu d'un pignon unique, large, 48 ou d'une roue dentée annulaire large 114, de prévoir un pignon
à double étage ou une roue dentée à double étage ,
avec des diamètres différents ou des nombres de dents différents pour coopérer avec des roues dentées différentes attachées à l'enveloppe de cylindre 10 et au piston 28. Dans un tel cas, il peut être nécessaire aussi que le déplacement de la première section excentrée 42 soit supérieur ou inférieur à la moitié du déplacement de la seconde section excentrée 44 pour maintenir l'exigence que la rotation de l'arbre 34 doive conduire à un mouvement purement orbital du piston 28.
D'autres variations et formes de réalisation de moyens d'engrenages équivalents apparaîtront aux spécialistes. Par exemple, comme montré à la figure 7, l'arbre
34' comprend une section 42' faisant un angle par rapport aux sections40',44'. Une roue dentée annulaire 116 ayant des dents chanfreinées , est fixe par rapport à l'enve-loppe du cylindre et est disposée autour de la section
40'. La roue dentée orbitale 118 est fixe par rapport au piston 28 et est disposée autour de la sec-
<EMI ID=5.1>
des roues dentées chanfreinées pour engrener avec les dents chanfreinées des roues dentées 116,118. Cette forme de réalisation est également commandée par la
<EMI ID=6.1>
le pignon 120 n'exécute pas seulement un mouvement orbital , mais oscille. On doit observer aussi que si F/P1 n'est pas égal à un , le pignon 120 aura non seulement un mouvement orbital et d'oscillation, mais il tournera également.
De préférence, ce moteur est muni de cinq pales
60 définissant cinq chambres de combustion distinctes 62, comme on le voit à la figure 1. Les pales 60 sont reçues à coulissement dans des ouvertures 64 formées en partie dans l'enveloppe du cylindre 10 et en partie dans les plaques 12,14. Chaque ouverture 64 est alignée radialement par rapport à l'axe principal de l'arbre 34 , et
il sera évident que lorsque le piston 28 a un mouvement
<EMI ID=7.1>
seront pour entrer et sortir des ouvertures 64. Le piston
28 est également muni de cinq fentes de piston 66 qui définissent des ponts 68 entre chaque fente de piston 66 et chaque plat 30 à la périphérie du piston 28. Les fentes de piston 66 sont alignées tangentiellement par rapport à l'axe principal de l'arbre 34 et s'étendent complètement à travers le piston. Les pales 60 sont mon-
<EMI ID=8.1>
pales 60 coulissent par rapport aux plats 301- du piston
28 lorsqu'il exécute son mouvement orbital. On peut voir à présent que tout le mouvement de coulissement dans ce moteur aura lieu sur des surfaces planes et que la direction du mouvement sera perpendiculaire à ces surfaces.
Ce moteur à fluide est également muni de parties classiques telles qu'une valve rotative 100 et un arbre
à cannelures de sortie 102. La valve rotative 100 peut être commandée de façon classique, par exemple en étant reliée à un carré d'arbre 34a.
En considérant à présent les figures 8,9 et 10,
on y voit des moyens d'étanchéité à l'égard de la combustion, perfectionnés, suivant l'invention. Comme exposé
<EMI ID=9.1>
situé dans une face radiale du piston 28 qui fait face
à la plaque avant 12 , tandis que l'autre joint contre
la combustion,33, est situé sur l'autre face radiale du piston 28 qui coopère avec la plaque arrière 14. Comme les joints contre la combustion, 32 et 33, sont identiques, on ne décrira en détail qu'un seul joint 32 assurant l'étanchéité à l'égard de la combustion.
Le joint d'étanchéité 32 à l'égard de la combustion a la forme d'une bague annulaire et, comme montré à la figure 8, il est disposé dans une rainure annulaire 28a formée dans la face radiale du piston 28. Un joint 32 à l'égard de la combustion est constitué fondamentalement de trois parties:une bande métallique 70 qui coopère avec la face radiale de la plaque avant 12 de l'enveloppe de cylindre 10; des tampons métalliques 72 disposés dans des poches 70a formées dans la bande 70 et qui sont situées à l'extrémité intérieure de la rainure 28a; et des bandes ressorts 74 disposées entre la bande de métal 70 et les tampons de métal 72 , qui fonctionnent pour solliciter la bande métallique 70 à venir en contact avec la plaque avant 12 de façon à donner un
bon joint empêchant la fuite de fluide de travail entre la face radiale du piston 28 et la face radiale de la plaque avant 12.
Comme on peut le voir plus clairement aux figures 9 et 10, la bague d'étanchéité 32 est discontinue , en sorte de pouvoir être assemblée dans la rainure de piston
28a. Comme la rainure-de piston 28a fait un petit angle par rapport à l'axe de rotation du piston 28, de l'ordre de 25 à 35 degrés, il est nécessaire que la bague d'étanchéité 32 soit discontinue en sorte d'être plus facilement assemblée dans la rainure angulaire 28a. Au surplus, il est avantageux que la rainure 28a soit à un angle
tel qu'il évite la formation d'une rainure annulaire dans la face d'extrémité du piston 28 , ce qui pourrait conduire au glissement des pales sur les joints à l'intérieur de la rainure. Au surplus, en ayant la rainure
28a et la bague d'étanchéité 32 formant un angle, avec l'extrémité ouverte de la rainure adjacente à la face d'extrémité du piston, la bande métallique 70 est au pourtour du piston 28 et empêche les fuites de fluide
<EMI ID=10.1>
avant 12.
La bande métallique 70 peut être formée de tout métal convenable, par exemple de fonte, et elle est munie d'éléments de prolongement ou branches, 76,78,80,
82 et 84 qui sont également espacés autour de la bague d'étanchéité 32. Des poches 70a sont formées entre les éléments de prolongement respectifs, et chaque poche
est propre à recevoir une des bandes ressorts 74 et l'un des tampons de métal 72. Les tampons 72.peuvent être formés de toute matière convenable , par exemple de fonte. Comme il apparaîtra d'après la figure 1, la bague annulaire 32 est disposée à l'intérieur de la face radiale
du piston 28, de façon que les éléments de prolongement
76 à 84 soient alignés avec le centre de chaque face plate 30 du piston 28. De cette manière, chaque paire d'éléments de prolongement est alignée avec les limites de l'une des chambres de combustion 62.
Les joints à l'égard de la combustion, 32,33 de
la présente invention fonctionnent seulement pour empêcher la fuite de fluide entre les faces radiales du piston 28 et les faces radiales respectives des plaques d'extrémité 12,14 , mais ces joints d'étanchéité perfectionnés fonctionnent aussi pour empêcher la fuite de fluide entre les chambres de combustion respectives
62, d'une manière que l'on va exposer.Plus particulièrement, entre chaque face plate 30 du piston 28, il y a cinq trous pour le fluide 90 , formés dans la face d'extrémité du piston 28. Par suite, lorsque le piston 28 exécute son mouvement orbital, le fluide de travail pénètre par les trous à fluide 90 , comme montré plus clairement à la figure 8, le fluide de travail entrant dans la région comprise entre la bande métallique 70 et le tampon de métal 72, autour de la bande à ressort 74.
<EMI ID=11.1>
bande à ressort 74 fonctionnent pour solliciter la bande métallique 70 vers l'extérieur et pour venir en coopération avec la plaque d'extrémité 12 pour donner un bon joint entre la face radiale du piston 28 et la face radiale de la plaque 12 et pour empêcher la fuite de fluide entre ces organes. Cependant, lorsque le fluide de travail est dispersé autour de la bande ressort 74 dans chaque poche 70a , il est empêché de quitter la poche 70a par le tampon métallique 72 et par les éléments de prolongement respectifs 76 à 84.
C'est-à-dire que le tampon métallique 72 ferme chaque poche 70a en coopérant avec les éléments de prolongement respectifs et fonctionne pour empêcher le fluide de passer au-dessus et autour des éléments de prolongement et le long de la rainure de piston 28a.Par conséquent, le fluide de travail, qui est sous pression, est empêché de se déplacer en direction circonférentielle d'une chambre de combustion à une chambre voisine , par la bague de joint perfectionnée selon la présente invention.
Considérant ce qui précède, on comprendra que
les bagues d'étanchéité ou bagues de joint perfectionnées
32,33 suivant la présente invention évitent les inconvénients des bagues d'étanchéité de l'art antérieur , qui n'empêchaient pas le fluide de travail sous pression de
<EMI ID=12.1>
d'étanchéité et de passer d'une chambre de combustion
à une autre, voisine. Comme exposé précédemment, ceci
est évité de façon simple et efficace par les bagues d'étanchéité selon l'invention.
Il sera visible qu'avec une légère modification,
on peut prévoir plus d'un piston dans un moteur à fluide et que chaque piston peut avoir ses engrenages orbitaux propres, séparés, ou au moins certaines parties du système orbital peuvent être partagées par plus d'un piston.D'autres variantes des formes de réalisation de l'invention apparaîtront aux spécialistes et on comprendra que la description donnée n'a qu'un but d'illustration et ne doit pas limiter la portée de l'invention.
REVENDICATIONS
1.- Machine motrice, pompe ou moteur, comprenant une enveloppe cylindrique, un piston et un arbre autour duquel le piston est monté de façon excentrée à l'intérieur de l'enveloppe du cylindre , caractérisée en ce qu'elle comprend une première roue dentée (50, 110 ou
<EMI ID=13.1>
(10), une seconde roue dentée (54, 112 ou 118) fixe par rapport au piston (28), et une troisième roue dentée
(48,114 ou 120) coopérant avec les première et seconde roues dentées (50 et 54, 110 et 112, ou 116 et 118)
pour limiter le mouvement du piston (28) à un mouvement orbital, et pour transformer ce mouvement orbital
du piston (28) en un mouvement de rotation de l'arbre
(34ou 34').
Orbital motion piston motors
The present invention relates generally to motors, prime movers, compressors or pumps with orbital operation, and particularly devices of this kind in which a purely orbital movement of the piston is produced by
transmission means associated with the cylinder, the piston and the shaft.
The combined rotational and orbital motion of the "Wankel" engine is now well known.
many attempts have been made to improve the basic concept of such an engine. Many of the attempts were made to address the main problem of the Wankel engine ie excessive wear and leakage at the point of contact between the rotor or piston and the combustion chamber wall. It's possible that
the ideal solution to this problem is to prevent rotational movement of the piston and to allow only orbital movement. Numerous attempts have been made to accomplish this, including those made by Trotter in 1805 and Galloway in 1846. Some recent typical constructions have been described in US Patents 3,703,344 issued to Reitter; No. 3,787,150 granted to Sarich; and No. 3,812,828 granted to Griffith. Most constructions that limit piston motion to orbital motion feature a piston journaled on an eccentric shaft, and a number
blades between the piston and the cylinder shell. These blades define separate combustion chambers
and have a reciprocating motion in the casing when the piston-, performs its orbital motion. In some constructions, the blades themselves prevent rotation of the piston; however, appreciable bending and shear forces arise from the blades, in these designs, requiring heavy construction.
and what produces a strong friction. Another recent attempt to achieve purely orbital movement of the piston is described in the United States patent.
1
of America No. 3,953,159. However, the transmission system described there has the disadvantage of using nine transmission wheels in an effort to produce the orbital motion; such a large number of cogwheels allows a lot of backlash and loss of motion, which means leads to the fact that the piston experiences a certain rotational movement instead of having only the desired orbital movement.
In another version of a purely orbital motor, which was the subject of the patent granted to Sarich
cited above, the tendency of the piston to rotate is prevented by two or more shafts each having an eccentric portion on which the piston is mounted. This is mechanically equivalent to a parallelogram connecting rod between the piston and the cylinder to force the piston to have the desired movement and to take up the pressure of the blades; again this is a complicated and inefficient arrangement.
According to the present invention, there is provided an engine, a pump or a prime mover having a cylinder casing, a piston and a shaft around which the piston is mounted eccentrically in the cylinder casing, a first toothed wheel fixed by relative to the cylinder shell, a second toothed wheel fixed with respect to the piston and a third toothed wheel cooperating with the first and second toothed wheels to limit the movement of the piston to an orbital movement and to transform this orbital movement into a movement of shaft rotation. This transmission arrangement is simple, efficient, and results in producing the desired purely orbital movement for the piston.
According to another aspect of the present invention, there is provided an engine, a prime mover or a pump comprising a piston mounted to rotate about an axis within a cylinder casing, which casing has radial faces and a multiplicity of combustion chambers, sealing means arranged on at least one of the radial faces of the piston for sealingly closing the combustion chambers while preventing leakage of working fluid, these sealing means comprising a ring annular seal consisting of an annular band, said band comprising a multiplicity of spaced extension members
which define pockets between them, each of the pockets comprising, arranged inside the latter, a peripheral sealing element and spring means, each of the spring means having the effect of urging the annular strip to come in contact with. one of the radial faces of the cylinder casing to prevent the leakage of working fluid in the radial direction, and each of the peripheral sealing elements preventing the working fluid from escaping from its corresponding pocket and from leak in a circumferential direction to an adjacent combustion chamber.
In order to better understand the invention, it will now be described with reference to the drawings attached to this specification, in which:
- Figure 1 is a cross-sectional view of a preferred embodiment of the invention;
- Figure 2 is a sectional view of the invention, considered along the main axis of the shaft;
- Figure 3 is a detail view of the shaft;
- Figure 4 is an end view of the shaft, the toothed wheels and the sleeve as they would appear when these parts are removed from the engine, parts being cut away to show the detail of the cooperation of the toothed wheels;
FIG. 5 is a view of the preferred transmission means, removed from the engine to show the details of the arrangement of the gears, mainly for comparison with FIG. 6;
- Figure 6 is a view of an alternative gear arrangement, similar to the view of Figure 5;
FIG. 7 is a view of yet another arrangement of gears;
FIG. 8 is a view in cross section of the sealing means for combustion, improved according to the present invention;
- Figure 9 is a partial perspective view of the sealing means according to the present invention; and
- Figure 10 is a detailed view of the sealing means with respect to the combustion, removed from the piston.
The present invention can be adapted to an automobile engine, to a fluid engine :, to a compressor or to a pump. It is represented here with regard to a fluid engine comprising at least one cylinder and at least one piston. In general, the piston is mounted eccentrically on a shaft and
it is restricted in its movements by a transmission means so that it performs an orbital movement but not a rotational movement inside the envelope
of the cylinder as the shaft rotates. Blades are associated with the casing of the cylinder and the piston so as to define a multiplicity of combustion chambers around the piston and so as to have a radial reciprocating movement with respect to the cylinder when the piston performs an orbital movement. As used in the present patent application, the term da "cylinder" refers to the space in which the
piston performs its orbital motion, but it will be understood that the "cylinder" does not necessarily have to have the geometric shape of a perfect cylinder.
In accordance with the present invention, orbital movement of the piston is permitted and rotation of the piston is prevented by gear means associated with the cylinder, piston and shaft. In the preferred embodiment, the shaft has two eccentric sections in radial alignment, the first axis
eccentric being displaced from the axis of the shaft by half the distance of which the second
eccentric axis is displaced from the axis of the shaft. A
outer toothed wheel (pinion) is journaled on
the first eccentric part of the shaft, and the piston is journaled on the second eccentric section. The pinion cooperates with two identical annular toothed wheels, the first of which is prevented from rotating with respect to the cylinder and centered around the second eccentric axis. The second annular toothed wheel is prevented from rotating relative to the piston. In this preferred construction, the pinion always cooperates with the first annular toothed wheel at a point of the pinion diametrically opposed to the point of contact of the pinion with the second annular toothed wheel.
In mathematical terms, the preferred embodiment can be described by saying that a positive revolution of the shaft must be accompanied by a relative negative revolution of the second annular gear,
<EMI ID = 1.1>
The number of teeth of each toothed wheel will determine this relationship according to the equation (+) one shaft revolution = F / P x P / 0 = (-) 1 revolution of the second annular toothed wheel, relative to the shaft = (+) 1 orbit of the second ring gear, where F, P and 0 are the number of teeth of the first ring gear (fixed), or pinion, and of the second ring gear (or orbital), respectively It can be seen that the arrangement of the gear transmission described will prevent the second annular gear, and hence the piston, from rotating, while allowing them to have orbital motion around the main axis of the shaft. . The resulting orbital motion of the piston will communicate
a rotational movement directly to the main shaft. In alternative embodiments, other gear transmission means can be used with different diameters, different numbers of teeth, etc., provided that the same end result is obtained.
The present invention also provides improved sealing means against combustion which prevents leakage of working fluid between the radial faces of the piston and the radial faces of the cylinder shell and which also prevents leakage of working fluid. fluid in a circumferential direction between adjacent combustion chambers.
In the preferred embodiment, the piston is provided with five blades which define five distinct combustion chambers, these blades being capable of
to slide radially in receiving slots
blades of the cylinder wall and able to slide tangentially in the slots of the piston. In this invention, it is particularly advantageous that
all points or lines which require sealing are between surfaces which are parallel, and any sliding or sliding movement occurs in directions perpendicular to a sealing surface.
In its broadest concept, the invention comprises transmission means for limiting the movement of an eccentrically mounted piston to a purely orbital movement, and transforming this orbital movement into a rotational movement of the shaft (or vice versa). The transmission means require only one shaft, as opposed to those known from the prior art. Although a clearly preferred embodiment is described here, it is believed that a multiplicity of mechanical equivalents will be apparent to those skilled in the art.
Referring to the drawings, the invention is shown in a. hydraulic motor comprising a cylinder casing 10 which comprises a front plate 12, an end plate 14, a cover 16, and a valve housing 18 enclosing the working mechanism according to the present invention. The cylinder shell 10 is generally cylindrical in shape, with a central cavity which forms a single cylinder.
20 between the front plate 12 and the end plate 14. The cylinder shell 10 is also provided with an intake and exhaust passage 22 and other conventional features which are typically associated with hydraulic motors.
A single orbital piston 28 is housed within cylinder 20. Piston 28 is generally cylindrical in shape except that it is provided with a number of flat portions 30 (referred to herein as "flats") around it. its periphery. As shown in the drawings, we prefer to have five dishes 30; however, this number can be modified with the number of the blades, as will be seen more fully in the following. As will be explained more fully below, the radial faces of the piston 28 are also provided with sealing rings 32, 33, on each radial face, near the outer periphery of the piston and preferably conforming to its contour. peripheral.
When the front and end plates 12,14 are assembled, the piston rings 32,33 cooperate with the radial faces of the plates 12,14, respectively, to close the cylinder 20 by preventing leakage.
A primary shaft, generally indicated by
34, is journaled to rotate relative to the cylinder casing 10. The shaft 34 preferably comprises an anterior section 40, a first eccentric section.
42, a second eccentric section 44 and a posterior section 46, as best seen in Figure 2. The front and rear sections are centered around a common axis (primary axis), and the front section 40 is journaled by the 'via a roller bearing 24 in a flange 36 which is connected to the front plate 12. The posterior section 46 is journaled by a roller bearing 38 in the end plate 14.
The posterior section 46 of the shaft may be of a greater diameter than the anterior section 40 so as to be able to withstand a greater load or torque; however, the axes of the front and rear sections coincide with each other. Further, when the shaft 34 is supported in the motor, the axes of the front and rear sections of the shaft 34 coincide with the cylinder axis of the cylindrical shell 10 and the cylinder 20. The two eccentric sections 42 and 44 of the shaft 34 are radially aligned, and in the preferred embodiment the displacement "a" of the first axis eccentric with respect to the axis of the main shaft, is one half of the displacement "b" of the. second axis eccentric, with respect to the axis
of the main shaft, as shown in Fig. 3. Although the drawings show a shaft with two eccentric sections, a multi-crank shaft is also contemplated as falling within the meaning of the word "eccentric" or "eccentric" as. than previously used.
The length of each portion of shaft 34 is determined by the arrangement of the piston and the gears, as follows. An outer toothed wheel or pinion
48 is rotatably mounted on the first eccentric section 42 of the shaft 34. A first inner or annular toothed wheel 50 is centered about the main axis and is fixedly mounted relative to it.
to the front end plate 12. This first annular toothed wheel 50 will be called the “fixed annular toothed wheel”. A second annular toothed wheel 54, with orbital movement, is preferably identical to the first in diameter and number of teeth, but the annular toothed wheel with orbital movement 54 is centered around the second eccentric axis. The orbital ring gear
54 is not mounted directly on the second eccentric section 44 of the shaft 34, but is fixed relative to the piston 28. The piston 28 can rotate, being mounted on the second eccentric section 44 of the shaft 34, by a roller bearing 56. It can be seen, therefore, that the orbital annular gear 54 and the piston 28 are connected to each other and are mounted so as to be rotatable as a unit on the second eccentric section. 44 of tree 34.
In mathematical terms, a positive turn of shaft 34 should induce a relative negative turn on the orbital ring gear. The number of teeth of each toothed wheel will determine this relation according to
<EMI ID = 2.1>
of the orbital gear, relative to the shaft = (+) 1 orbit of the annular gear, where F, P and 0 are the numbers of teeth in the fixed, pinion and orbital gear, respectively. It can be seen from this description of the preferred embodiment that the fixed annular gear 50 will cooperate with
the pinion 48 along an axis which is parallel to the two eccentric axes, and that the annular gear with orbital motion 54 will cooperate with the pinion 48, at a point of the pinion diametrically opposed to the point of contact of the first annular gear fixed 50 with the pinion 48. In addition, the diametrical opposition of these
two points of cooperation will be the same regardless of the position of the piston and the shaft during the cycle
of the motor. In fact, the two toothed wheels 50, 54 form a cage in which the captive pinion 48 can roll. Since the fixed ring gear 50 is prevented from rotating by being keyed 50a to the faceplate 12, the only possible movement that the orbital ring gear 54 can exhibit is orbital movement, absolutely free of rotation. Since the orbital-moving annular gear 54 and piston 28 are rigidly connected, piston 28 can only have orbital motion and cannot rotate as shaft 34 rotates.
The toothed wheel means described above are preferred because they are believed to be the simplest, most efficient, and easily manufactured means of the known embodiments. However, other mechanical equivalents can, like
we know, produce the same results. Figure 5 shows schematically the relationship and cooperation between a fixed annular toothed wheel 50 around the axis "x",
<EMI ID = 3.1> and the captive pinion 48 around the "y" axis. Figure 6 can be compared to Figure 5 and shows an embodiment in which the outer gears 110,112 replace the preferred ring gears 50,54, and where a female ring gear
114 is substituted for the preferred pinion 48. The first
<EMI ID = 4.1>
the second pinion 112 is attached to the piston about the "z" axis, and the annular gear 114 is able to float captively about the "y" axis. (Alternatively, it will be observed that the piston 112 can float captively and the ring gear 114 can be attached to the piston, but this would result in less displacement of the piston for the same engagement). In addition, it is possible, instead of a single large pinion 48 or a wide annular toothed wheel 114, to provide a pinion
double-stage or a double-stage toothed wheel,
with different diameters or different numbers of teeth to cooperate with different gears attached to cylinder casing 10 and piston 28. In such a case, it may also be necessary that the displacement of the first eccentric section 42 be greater than or less than half the displacement of the second eccentric section 44 to maintain the requirement that the rotation of the shaft 34 must lead to a purely orbital movement of the piston 28.
Other variations and embodiments of equivalent gear means will be apparent to those skilled in the art. For example, as shown in figure 7, the tree
34 'includes a section 42' at an angle to sections 40 ', 44'. An annular toothed wheel 116 having chamfered teeth is fixed relative to the casing of the cylinder and is disposed around the section.
40 '. The orbital toothed wheel 118 is fixed relative to the piston 28 and is disposed around the sec-
<EMI ID = 5.1>
chamfered toothed wheels to mesh with the chamfered teeth of the toothed wheels 116,118. This embodiment is also controlled by the
<EMI ID = 6.1>
pinion 120 not only performs orbital motion, but oscillates. It should also be observed that if F / P1 is not equal to one, the pinion 120 will not only have orbital and oscillating motion, but it will also rotate.
Preferably, this motor is provided with five blades
60 defining five separate combustion chambers 62, as seen in Figure 1. The blades 60 are slidably received in openings 64 formed partly in the casing of cylinder 10 and partly in plates 12,14. Each opening 64 is aligned radially with respect to the main axis of shaft 34, and
it will be obvious that when the piston 28 has a movement
<EMI ID = 7.1>
will be to enter and exit openings 64. The piston
28 is also provided with five piston slots 66 which define bridges 68 between each piston slot 66 and each flat 30 at the periphery of the piston 28. The piston slots 66 are aligned tangentially with respect to the main axis of the piston. shaft 34 and extend completely through the piston. The blades 60 are my-
<EMI ID = 8.1>
blades 60 slide in relation to the flat 301- of the piston
28 when performing its orbital motion. It can now be seen that all the sliding movement in this motor will take place on flat surfaces and the direction of movement will be perpendicular to these surfaces.
This fluid motor is also provided with conventional parts such as a rotary valve 100 and a shaft.
with outlet splines 102. The rotary valve 100 can be controlled in a conventional manner, for example by being connected to a square shaft 34a.
Considering now Figures 8,9 and 10,
it shows sealing means with respect to combustion, improved, according to the invention. As exposed
<EMI ID = 9.1>
located in a radial face of the piston 28 which faces
to the front plate 12, while the other gasket against
combustion, 33, is located on the other radial face of piston 28 which cooperates with rear plate 14. As the seals against combustion, 32 and 33, are identical, only one seal 32 will be described in detail ensuring sealing with regard to combustion.
The combustion seal 32 is in the form of an annular ring and, as shown in Figure 8, is disposed in an annular groove 28a formed in the radial face of the piston 28. A seal 32 with respect to combustion basically consists of three parts: a metal strip 70 which cooperates with the radial face of the front plate 12 of the cylinder casing 10; metal pads 72 disposed in pockets 70a formed in the strip 70 and which are located at the inner end of the groove 28a; and spring bands 74 disposed between the metal band 70 and the metal pads 72, which function to urge the metal band 70 to come into contact with the front plate 12 so as to give a
good seal preventing leakage of working fluid between the radial face of piston 28 and the radial face of front plate 12.
As can be seen more clearly in Figures 9 and 10, the sealing ring 32 is discontinuous, so that it can be assembled in the piston groove.
28a. As the piston groove 28a makes a small angle with respect to the axis of rotation of the piston 28, of the order of 25 to 35 degrees, it is necessary that the sealing ring 32 be discontinuous so as to be more easily assembled in the angular groove 28a. In addition, it is advantageous that the groove 28a is at an angle
such that it avoids the formation of an annular groove in the end face of the piston 28, which could lead to the slipping of the blades on the seals inside the groove. Moreover, by having the groove
28a and seal ring 32 forming an angle, with the open end of the groove adjacent to the end face of the piston, the metal strip 70 is around the perimeter of the piston 28 and prevents fluid leakage
<EMI ID = 10.1>
before 12.
The metal strip 70 can be formed of any suitable metal, for example of cast iron, and it is provided with extension elements or branches, 76,78,80,
82 and 84 which are equally spaced around the seal ring 32. Pockets 70a are formed between the respective extension members, and each pocket.
is suitable for receiving one of the spring bands 74 and one of the metal buffers 72. The buffers 72. can be formed of any suitable material, for example cast iron. As will appear from Figure 1, the annular ring 32 is disposed inside the radial face
piston 28, so that the extension elements
76-84 are aligned with the center of each flat face 30 of piston 28. In this manner, each pair of extension members is aligned with the boundaries of one of the combustion chambers 62.
Seals with respect to combustion, 32.33 of
The present invention only function to prevent the leakage of fluid between the radial faces of the piston 28 and the respective radial faces of the end plates 12,14, but these improved seals also function to prevent the leakage of fluid between the chambers respective combustion
62, in a manner which will be explained. More particularly, between each flat face 30 of the piston 28, there are five fluid holes 90, formed in the end face of the piston 28. As a result, when the piston 28 performs its orbital movement, the working fluid enters through the fluid holes 90, as shown more clearly in Figure 8, the working fluid entering the region between the metal strip 70 and the metal plug 72, around the spring band 74.
<EMI ID = 11.1>
spring band 74 function to bias the metal band 70 outwardly and to come into cooperation with the end plate 12 to provide a good seal between the radial face of the piston 28 and the radial face of the plate 12 and to prevent fluid leakage between these organs. However, when the working fluid is dispersed around the spring band 74 in each pocket 70a, it is prevented from leaving the pocket 70a by the metal pad 72 and by the respective extension members 76 to 84.
That is, the metal pad 72 closes each pocket 70a by cooperating with the respective extension members and functions to prevent fluid from passing over and around the extension members and along the piston groove 28a. Therefore, the working fluid, which is under pressure, is prevented from moving circumferentially from a combustion chamber to a neighboring chamber, by the improved seal ring according to the present invention.
Considering the above, it will be understood that
advanced sealing rings or seal rings
32,33 according to the present invention avoid the drawbacks of the sealing rings of the prior art, which did not prevent the working fluid under pressure from
<EMI ID = 12.1>
sealing and moving from a combustion chamber
to another, neighbor. As stated previously, this
is avoided simply and effectively by the sealing rings according to the invention.
It will be visible that with a slight modification,
more than one piston can be provided in a fluid motor and each piston can have its own, separate orbital gears, or at least parts of the orbital system can be shared by more than one piston. of the invention will be apparent to those skilled in the art and it will be understood that the description given is intended for illustration only and should not limit the scope of the invention.
CLAIMS
1.- Driving machine, pump or motor, comprising a cylindrical casing, a piston and a shaft around which the piston is mounted eccentrically inside the casing of the cylinder, characterized in that it comprises a first wheel toothed (50, 110 or
<EMI ID = 13.1>
(10), a second toothed wheel (54, 112 or 118) fixed relative to the piston (28), and a third toothed wheel
(48,114 or 120) cooperating with the first and second toothed wheels (50 and 54, 110 and 112, or 116 and 118)
for limiting the movement of the piston (28) to orbital motion, and for transforming this orbital motion
of the piston (28) in a rotational movement of the shaft
(34 or 34 ').