EP0184484B1 - Machine à piston rotatif et couronne accouplée à la manivelle - Google Patents

Machine à piston rotatif et couronne accouplée à la manivelle Download PDF

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EP0184484B1
EP0184484B1 EP85402172A EP85402172A EP0184484B1 EP 0184484 B1 EP0184484 B1 EP 0184484B1 EP 85402172 A EP85402172 A EP 85402172A EP 85402172 A EP85402172 A EP 85402172A EP 0184484 B1 EP0184484 B1 EP 0184484B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
piston
crank
crown wheel
axis
shaft
Prior art date
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Expired
Application number
EP85402172A
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German (de)
English (en)
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EP0184484A1 (fr
Inventor
Jean Claude Janicki
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sanofi SA
Original Assignee
TECNALOR SA
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Filing date
Publication date
Application filed by TECNALOR SA filed Critical TECNALOR SA
Priority to AT85402172T priority Critical patent/ATE41695T1/de
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04C—ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04C29/00—Component parts, details or accessories of pumps or pumping installations, not provided for in groups F04C18/00 - F04C28/00
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04C—ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04C29/00—Component parts, details or accessories of pumps or pumping installations, not provided for in groups F04C18/00 - F04C28/00
    • F04C29/0042—Driving elements, brakes, couplings, transmissions specially adapted for pumps
    • F04C29/005—Means for transmitting movement from the prime mover to driven parts of the pump, e.g. clutches, couplings, transmissions
    • F04C29/0057—Means for transmitting movement from the prime mover to driven parts of the pump, e.g. clutches, couplings, transmissions for eccentric movement

Definitions

  • the present invention relates to rotary piston machines, in particular to rotary piston compressors, comprising a cylindrical chamber, in which are arranged an eccentric or crank part of a shaft coaxial with said chamber, an annular rotary piston being able to roll in contact. of the wall of the chamber and a crown for driving the piston mounted with clearance inside thereof, the timing of the piston on its raceway being ensured by elastic means.
  • French patent 2,280,808 only delaying the detachment of the piston by maintaining the angle formed between the line connecting the center of the chamber to the center of the piston with the line connecting the latter center to the center of the eccentric at an optimal value between 20 ° and 40 °.
  • the rotor is constituted by a cylindrical jacket freely mounted in the chamber around the shaft and kept in contact with the wall of said chamber by means of a rolling device with movable mounting, which consists in a lever wedged on the shaft and carrying at one end a roller and at the other end an arm ending in a roller, a spring being provided to separate the arm from the lever.
  • French patent 2,223,570 which constitutes the state of the art and recommends the mounting of the rotary piston on an eccentric drive ring secured to the eccentric of the shaft, the angle made by the straight line. connecting the axis of the shaft to the axis of the eccentric part with the straight line which connects the latter axis to the central axis of the eccentric crown is between 70 ° and 110 °, so that the piston rolls in applying to the inner wall of the housing and that, once a certain release pressure is reached, the piston moves away from the wall of the housing.
  • Such a compressor does not perform mechanical setting of the piston in operation, but only drives the piston by means of the eccentric ring.
  • the present invention relates to a machine in which one realizes both a good drive of the piston and its setting on the bore of the chamber, while preventing its detachment in the high pressure zone, without this embodiment comprising the mounting mechanical with adjustment of the eccentric or mounting on ball bearings directly on the eccentric, necessarily requiring costly precision in terms of machining and assembly of the machine.
  • the rotary piston machine in particular rotary piston compressor, comprising a cylindrical chamber, in which are arranged an eccentric or crank part of a shaft coaxial with said chamber, an annular rotary piston being able to roll in contact with the wall of the chamber and a coaxial ring for driving the piston in contact with the internal wall of the piston over its entire circumference and mounted inside the latter, so as to be able to slide relative to the piston, the setting of the piston on its raceway being provided by elastic compensation means bearing on the crank or the shaft and on the bore of the crown, the machine further comprising a flap dividing the free space around the piston into two compartments to variable volume is the crown being driven in rotation by means of a journal, the axis of the journal extending in the longitudinal direction of the machine and being located in an eccentric position p ar relative to the crown, characterized in that the pin is mounted in a yoke making the coupling of the crown and the crank.
  • the coupling member is a pin mounted in a yoke.
  • the journal is mounted in a bore of the crank and in a yoke secured to the crown.
  • a clevis secured to the crank and a bore made in the crown.
  • the timing of the piston on its raceway can be ensured by elastic means of compensation with various progressive adjustment.
  • a spring is mounted transversely upstream of the point of contact of the piston and of the wall of the chamber with respect to the direction of rotation, bearing on the crown and on the crank, so that the straight line d he action of the spring passes through the axis of the shaft and is perpendicular to the right connecting the center of the piston and the center of the journal.
  • the spring is housed between a centering stud fixed to the crown and a cylindrical housing with counterbore made in the crank, the bottom of the housing being parallel to the right connecting the centers of the piston and the crank.
  • the elastic wedging means consist of at least one wedge with a conical slope urged by a spring working in compression along a line of action transverse to the axis of the shaft.
  • one of the longitudinal faces of the crank has two concave longitudinal flats inclined relative to the axis of the shaft and forming with the bore of the crown a housing, two wedges being housed at the ends of said housing, each having an inner face with a slope of angle corresponding to that of the inclined flat, a spring being disposed between the shims.
  • the part of the crown on which the wedges bear has a flat, while the outer face of each wedge which bears has a rounded profile.
  • the compressor of a refrigeration machine according to the invention shown in FIGS. 1 and 2 comprises a central body of compressor 2 provided with two external flanges before 11 and rear 12, crossed by a motor shaft 4 of axis 0 1 , Body 2 contains a coaxial cylindrical chamber of the shaft 4, the internal wall 10 of which constitutes the raceway of the piston.
  • the shaft 4 is made integral with an eccentric or crank 3.
  • a rotary piston 5 of axis 0 2 of diameter smaller than that of the chamber is placed inside of the latter, so as to be able to roll in contact with the wall of the chamber, while a movable drive ring 6 is mounted inside the piston 5, so as to be able to slide relative to the piston according to the sliding surface 7.
  • the crown 6 is provided with a yoke 8, 9 and the end of the crank 3 with a bore 24, so as to be able to couple the crown 6 and the crank 3 by means of a pin pin 0 3 which can freely rotate in bore 24.
  • the virtual piston drive rod 5 is represented by the right connecting the center of the crown and of the piston 0 2 to the center of the journal 0 3 .
  • the body of the compressor 2 contains under the cylinder head 34 provided with cylinder head gasket 37 of the organs usual, such as suction and discharge conduits, the latter provided with two valves 17, HP outlets 41, 42, as well as a separation flap 15 rocking around its axis 16 and provided with sealing segments 54.
  • the shutter 16 separates the interior of the cylinder in the HP chamber 13 and the BP chamber 14, the point of contact of the end of the shutter and of the piston 5 being effected by means of the bearing surface 29 of the shutter cut in bevel, in the central axis of the cylinder at point G.
  • the usual equipment of a compressor comprises a lubricant reservoir 38 with its level control plug 39.
  • the motor shaft 4 rests in bearings 43, 44, it is provided with rotary seals 31 and a bubbling spoon 32 and a balancing weight 33.
  • Centering feet 35 equip the rear and front flanges of the stator.
  • Spider legs 40 serve to lubricate the plain bearing of the movable crown and of the piston.
  • the lateral sealing of the piston 5 is ensured by circular segments 36.
  • the wedging means used to take up the initial mounting clearance and the wear clearance consist, according to FIGS. 2 and 3, of a compensating spring 30 working in compression, whose axis of action 23 (FIG. 11) is perpendicular to the right connecting the center of the crown 0 2 and the center of the pin 0 3 .
  • One of the ends of the spring 30 bears on a centering shoe 52, integral with the crown 6 and the other in a centering counterbore 53 present on the motor shaft 4.
  • the compressor of FIG. 3 represents an alternative embodiment in which the piston 5 is mounted on a needle bearing 22 and the compensation device comprises a pair of wedges with conical slopes 55 urged by a locking spring 57 with an axis 61, the outer surface 60 of the wedge 55 of rounded shape bearing on a contact shoe 59 secured to the crown (see FIG. 14).
  • a line O 1 can be drawn connecting the center 0 1 from the tree to point E. It is with respect to this straight line that we define the wedging angle ⁇ 1 ' between the line 0 1 E and the line 0 1 0 3 connecting the center 0 1 of l tree in the center of the trunnion.
  • the angle ⁇ 1 is therefore the angle by which the axis of the journal 0 3 is offset, relative to the straight line 0 1 E in the direction of rotation of the shaft.
  • this angle must be carefully chosen. Indeed, the angle ⁇ 1 is mathematically linked to the value of the clearance J between the piston and the wall of the chamber. This clearance J is calculated and measured when, the effects produced by elastic compensation means being canceled, the axis of the piston 0 2 is located in alignment with the axes 0 1 and 0 3 of the shaft and the journal, on the line of alignment of these axes. This play can be observed, when the crank is pivoted around the axis 0 3 to bring the center of the piston 0 2 to the right O 1 O 3 .
  • the graph in FIG. 5 represents a curve 48 giving the variation of the clearance J in 10 -1 mm as a function of the angle a, in radians. We see that the variation is almost linear for values of J greater than 1 mm.
  • the values of J and a are mathematically linked and can be calculated for given dimensions of the chamber, the crank arm and other construction parameters.
  • FIG. 4 represents, for a clearance of 2.5 mm corresponding to an angle ⁇ 1 of approximately 36 °, a variation of the reaction force Re expressed in decanewton at the sliding contact point E of the piston on the wall of the chamber as a function of the crank angle w in radians, i.e. the instantaneous angular position of the straight line 0 1 E.
  • This curve shows an equilibrium point 45 for a crank angle value w, to which the force diagram of FIG. 10 corresponds, where the reaction force Re at the contact point E is zero.
  • the curve has a maximum at 46 corresponding to a value of the crank angle w located between 0 ° and w, for which the reaction force Re at the contact point E is maximum.
  • This negative reaction force Re has a minimum at 47, the effect of which must be combated by the use of elastic compensation means, such as springs or a combination of shims and springs (see the force diagram, FIG. 11).
  • FIG. 6 presents a curve 49 of variations in the compression efficiency in percent as a function of the setting angle a, in radians.
  • the ascending part of the curve corresponds to the low values of a, which should theoretically be the choice.
  • the reaction force Re the variations of which as a function of the crank angle w are shown in FIG. 4, can reach prohibitive values incompatible with the tolerable forces that can be imposed on the materials due to their resistance. to break and wear quickly.
  • ⁇ 1 equal to or less than 20 °
  • the reaction on the motor shaft is too strong and as a result of the increase in mechanical forces the efficiency decreases.
  • the smaller a i the greater the forces exerted on the piston and the journal which generate energy losses by transformation into friction heat.
  • FIGS. 7 and 8 show the curves 50 and 51 showing the variations of the forces Re expressed in decanewton as a function of the value of the clearance J in 10 -1 mm, corresponding respectively to the maximum reaction force at the contact point E ( point 46 of the curve according to FIG. 4) and at the maximum negative reaction force (point 47 of the same curve).
  • the positive reaction force Re decreases when the clearance J increases. This force tends to infinity for zero play, which would direct the manufacturer towards the greatest possible play.
  • the piston is in equilibrium for a crank angle w between 0 ° and w 1 ( Figure 4). It is subjected to a torque resulting from the positive force FPc which represents the pressure force prevailing in the HP chamber and passing through the center of the piston 0 2 .
  • the letter a indicates the arm of the lever which makes it possible to calculate the torque acting on the axis O 3 of the journal and which keeps the piston applied on its raceway for a rotation of the crankshaft corresponding to an angle of 0 ° to w 1 in radians.
  • FIG. 10 represents the piston in equilibrium for an angle w equal to w 1, that is to say just before the detachment of the piston.
  • FIG. 11 represents a force diagram for an angle w comprised between w 1 and w 2 , that is to say in the separation zone.
  • the force Re becomes negative and reaches its maximum for an angle w 2 .
  • This force is exerted via the lever arm b and forms a torque tending to detach the piston from its point of contact E with the cylinder.
  • the effect of the negative force Re is compensated for by the action of one or more springs 30 ( Figures 11 and 12), whose torque FR x O 1 O 3 cos a 3 is equal to the torque Re x b.
  • the bearing face 62 of the spring 30 on the crown is parallel to the straight line 25 connecting the centers of the piston 0 2 and of the pin O 3 and its line of action 23 passing through the center 0 1 of the shaft is perpendicular to the right 25.
  • the calculation of the spring force must take into account several factors, such as the working pressure in the HP chamber and the dimensions of the chamber and the piston.
  • the spring 30 is disposed upstream of the contact point E with respect to the direction of the piston bearing (FIG. 2), its axis 67 passes through the axis O 1 of the shaft and is perpendicular to the straight line 25. It is housed between a centering stud 65 fixed to the crown and a cylindrical housing with counterbore 64 formed in the crank and the bottom 66 of which is parallel to the straight line 25 (FIG. 12).
  • the device using one or more springs to keep the piston applied on its raceway and to compensate for the negative force Re represents a first solution for setting the piston.
  • Other compensation and setting means consist in using wedges with conical slopes urged by one or more springs and allow a progressive setting of setting.
  • a concave housing formed by two inclined longitudinal flats 58 to accommodate a pair of wedges 55 with conical slopes 58 of opposite direction.
  • the crank block has two slopes at the location of the housing, the angle of orientation of each corresponding to the slope of the wedge which is housed there.
  • the conical slopes of the housing and of the shims are inclined at an angle a 4 with respect to the axis O 1 of the shaft 4. At the two transverse ends of the housing are housed the shims 55.
  • the faces of the shims opposite the faces with a slope d 'angle a 4 and bearing on a flat 62 or shoe that has the crown 6 at this location are convex and rounded, so that the wedges are supported on their shoes according to a generatrix designated by K.
  • the plane of symmetry 63 longitudinal of shims passes through the center 0 1 .
  • the two wedges 55 are biased in opposite directions by a spring 57 working under compression, the centering axis 61 of which is housed at the two ends in the wedges.
  • the thrust of the wedges 55 exerted against the shoe 62 of the crown is per pendulum to the right connecting the axis of the piston 0 2 and the axis of the pin 0 3 .
  • FIG. 15 and 16 Another embodiment of shims is shown in Figures 15 and 16. Instead of being oriented at an angle a 4 relative to the axis 0 1 of the shaft 4, the slope 71 of the shim 70 is inclined transversely by with respect to the axis 0 1 and in particular of an angle a5 relative to the straight line connecting the center 0 3 of the journal and the center O2 of the piston. To this end, the housing provided for the shim is between the longitudinal flat 71 of the crank 3 and the flat 72 that has the bore of the crown 6.
  • the shim 70 one longitudinal face of which has a slope of angle a5 , is pierced on a lateral face of the two blind housings 73 to accommodate the ends of the two springs 74 working under compression, the opposite ends of which are retained by centering studs 75 placed on a flat part of the crown 6.
  • wedges The action of wedges is exerted along a transverse straight line with respect to the axis of the shaft 4 and has the effect of pushing the crown 6 of the crank in the direction perpendicular to said straight line.

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Description

  • La présente invention se rapporte aux machines à piston rotatif, notamment à des compresseurs à piston rotatif, comportant une chambre cylindrique, dans laquelle sont disposés une partie excentrique ou manivelle d'un arbre coaxial à ladite chambre, un piston rotatif annulaire pouvant rouler au contact de la paroi de la chambre et une couronne d'entrainement du piston montée avec jeu à l'intérieur de celui-ci, le calage du piston sur son chemin de roulement étant assuré par des moyens élastiques.
  • On connait de telles machines et les problèmes que pose leur réalisation et notamment les tolérances d'usinage et le montage des pièces pour assurer l'étanchéité du piston sur son chemin de roulement, lorsqu'aucun système de rattrapage n'a été prévu. On observe notamment le décollement du piston dans la zone où le point de contact roulant entre le piston et l'alésage de la chambre approche du point mort, c'est à dire de l'orifice de refoulement situé en amont du volet séparant le compartiment haute pression du compartiment basse pression. Pour de grandes vitesses de rotation et faibles pressions de travail, les forces centrifuges prenant naissance dans l'ensemble mobile couronne-piston sont suffisantes pour s'opposer à un tel décollement. Ceci n'est plus le cas, lors de faibles vitesses et des hautes pressions et plusieurs solutions ont été imaginées pour y remédier et pour assurer un calage du piston sur l'alésage de la chambre et retarder son soulèvement.
  • Des réalisations, telles que décrites dans les brevets français 2 468 770 et 2 470 267, nécessitent un ajustement mécanique du piston sur le stator très délicat, car il ne peut pas permettre un rattrapage de jeux et exige une très grande précision de montage.
  • Selon une autre proposition, brevet français 2 280 808, on retarde seulement le décollement du piston en maintenant l'angle formé entre la droite reliant le centre de la chambre au centre du piston avec la droite reliant ce dernier centre au centre de l'excentrique à une valeur optimale située entre 20° et 40°.
  • Selon une autre réalisation, brevet français 1 256125, le rotor est constitué par une chemise cylindrique montée librement dans la chambre autour de l'arbre et maintenue en contact avec la paroi de ladite chambre grâce à un dispositif de roulement à montage mobile, qui consiste en un levier calé sur l'arbre et portant à une extrémité un galet et à l'autre extrémité un bras se terminant par un galet, un ressort étant prévu pour écarter le bras du levier.
  • Une telle solution, selon laquelle la chemise cylindrique est libre dans le stator, n'est pas exempte d'inconvénients, car la chemise peut répercuter un choc au démarrage dans le volet séparant les compartiments de la chambre. De plus, elle nécessite un calcul très précis des vitesses de rotation admissibles des galets en fonction de la vitesse de rotation maximum du piston, afin de garantir la durée de vie du compresseur. Selon une autre réalisation, brevet français 2 275 664, le piston roule librement sur un roulement à billes à l'extérieur d'un anneau solidaire de l'excentrique de l'arbre. On tente de remédier au problème de décollement en utilisant le principe de levier à genouillère, en plaçant le centre du piston au centre de l'excentrique ou dans la zone entre le centre de l'excentrique et le centre du piston rotatif à proximité du centre de l'excentrique. Une telle solution est délicate à réaliser, car le moindre déséquili- brage de masses en rotation provoque des vibrations et des oscillations nocives pour les palliers du compresseur.
  • Selon une autre réalisation, brevet français 2 223 570, qui constitue l'état de la technique et préconise le montage du piston rotatif sur une couronne excentrique d'entrainement solidaire de l'excentrique de l'arbre, l'angle que fait la droite reliant l'axe de l'arbre à l'axe de la partie excentrique avec la droite qui relie ce dernier axe à l'axe central de la couronne excentrique est compris entre 70° et 110°, de manière telle que le piston roule en s'appliquant sur la paroi intérieure du carter et que, une fois atteinte une certaine pression de décollement, le piston s'écarte de la paroi du carter. Un tel compresseur ne réalise pas de calage mécanique du piston en fonctionnement, mais seulement un entrainement du piston au moyen de la couronne excentrique.
  • La présente invention a pour objet une machine dans laquelle on réalise à la fois un bon entrainement du piston et son calage sur l'alésage de la chambre, tout en empêchant son décollement dans la zone de haute pression, sans que cette réalisation comporte le montage mécanique avec ajustement de l'excentrique ou montage sur roulement à billes directement sur l'excentrique, nécessitant forcément une précision coûteuse au niveau de l'usinage et du montage de la machine.
  • Selon l'invention, la machine à piston rotatif, notamment compresseur à piston rotatif, comportant une chambre cylindrique, dans laquelle sont disposés une partie excentrique ou manivelle d'un arbre coaxial à ladite chambre, un piston rotatif annulaire pouvant rouler au contact de la paroi de la chambre et une couronne coaxiale d'entrainement du piston en contact avec la paroi intérieure du piston sur toute sa circonférence et montée à l'intérieur de celui-ci, de façon à pouvoir glisser par rapport au piston, le calage du piston sur son chemin de roulement étant assuré par des moyens élastiques de compensation prenant appui sur la manivelle ou l'arbre et sur l'alésage de la couronne, la machine comportant en outre un volet divisant l'espace libre autour du piston en deux compartiments à volume variable est la couronne étant entrainée en rotation au moyen d'un tourillon, l'axe du tourillon s'etendant en direction longitudinale de la machine et étant situé dans une position excentrique par rapport à la couronne, caractérisée en ce que la tourillon est monté dans une chape réalisant l'accouplement de la couronne et de la manivelle.
  • On peut imaginer des moyens d'accouplement divers, de préférence l'organe d'accouplement est un tourillon monté dans une chape.
  • Selon un mode de réalisation préféré, le tourillon est monté dans un alésage de la manivelle et dans une chape solidaire de la couronne. On peut aussi conçevoir une solution inverse, une chape solidaire de la manivelle et un alésage ménagé dans la couronne.
  • Le calage du piston sur son chemin de roulement peut être assuré par des moyens élastiques de compensation à ajustage progressif divers.
  • Selon une première variante, un ressort est monté transversalement en amont du point de contact du piston et de la paroi de la chambre par rapport au sens de rotation, prenant appui sur la couronne et sur la manivelle, de façon à ce que la droite d'action du ressort passe par l'axe de l'arbre et soit perpendiculaire à la droite reliant le centre du piston et le centre du tourillon. De préférence, le ressort est logé entre un plot de centrage fixé à la couronne et un logement cylindrique avec lamage ménagé dans la manivelle, le fond du logement étant parallèle à la droite reliant les centres du piston et de la manivelle.
  • En variante, les moyens élastiques de calage sont constitués par au moins une cale à pente conique sollicitée par un ressort travaillant en compression selon une droite d'action transversale par rapport à l'axe de l'arbre. Selon un mode de réalisation préféré, l'une des faces longitudinales de la manivelle présente deux méplats longitudinaux concaves inclinés par rapport à l'axe de l'arbre et formant avec l'alésage de la couronne un logement, deux cales étant logées aux extrémités dudit logement, chacune présentant une face intérieure en pente d'angle correspondant à celui du méplat incliné, un ressort étant disposé entre les cales. La partie de la couronne sur laquelle prennent appui les cales présente un méplat, tandis que la face extérieure de chaque cale prenant appui présente un profil arrondi.
  • Selon une autre disposition, un logement est disposé entre l'alésage de la couronne et la manivelle présentant une pente du côté de la manivelle qui est inclinée transversalement par rapport à la droite reliant le centre du piston et le centre du tourillon, l'action de la cale logée dans ce logement et sollicitée par un ressort s'exerçant selon une droite transversale par rapport à l'arbre. La cale possède dans ce cas une face longitudinale en pente correspondante à la pente de son logement du côté de la manivelle. D'autres particularités de la machine selon l'invention apparaitront à la lumière de la description de différents modes de réalisation présentés à titre d'exemples et illustrés par les dessins dont
    • la figure 1 montre une vue en coupe longitudinale selon B-B de la figure 2 du compresseur,
    • la figure 2 une vue en coupe transversale selon A-A de la figure 1,
    • la figure 3 une vue en coupe transversale d'une variante de réalisation,
    • la figure 4 un graphique montrant la variation de la force de réaction Re au point glissant de contact E en fonction de l'angle de la manivelle w que forme la droite 01E et l'axe central 01 G (J=2,5mmetai=36°)
    • la figure 5 un graphique montrant la variation de l'angle en fonction du jeu J
    • la figure 6 un graphique montrant la variation du rendement de compression en fonction de l'angle de calage
    • la figure 7 un graphique montrant la variation de la force de réaction Re maximale au point de contact glissant E en fonction du jeu J (repère 46 de la courbe figure 4),
    • la figure 8 un graphique montrant la variation de la force de réaction Re minimale en fonction du jeu J (repère 47 de la courbe figure 4),
    • la figure 9 le diagramme de forces pour un angle de manivelle 0<w<w1, lorsque la force de réaction Re est positive,
    • la figure 10 le diagramme de forces pour un angle de manivelle w1, lorsque Re est nul (repère 45 de la figure 4),
    • la figure 11 le diagramme de forces pour un angle de manivelle w2, lorsque Re est négatif et à son minimum (repère 47 de la figure 4), avec positionnement du ressort destiné à compenser Re,
    • la figure 12 une vue en coupe du ressort et de son logement selon C-C de la figure 11,
    • la figure 13 une vue en coupe transversale schématique montrant l'utilisation de cales de compensation à pente transversale d'une autre variante de compresseur,
    • la figure 14 une vue fragmentaire selon D- D de la figure 13 d'un détail de montage de cales
    • la figure 15 une vue en coupe transversale montrant une autre disposition de cale à pente axiale, et
    • la figure 16 une vue fragmentaire en coupe axiale selon E- de la figure 15.
  • Le compresseur d'une machine frigorifique selon l'invention représenté aux figures 1 et 2 comprend un corps central de compresseur 2 muni de deux flasques extérieurs avant 11 et arrière 12, traversés par un arbre moteur 4 d'axe 01, Le corps 2 renferme une chambre cylindrique coaxiale de l'arbre 4, dont la paroi interne 10 constitue le chemin de roulement du piston.
  • A l'intérieur de la chambre cylindrique, l'arbre 4 est rendu solidaire d'un excentrique ou manivelle 3. En outre, un piston rotatif 5 d'axe 02 de diamètre inférieur à celui de la chambre est placé à l'intérieur de celle-ci, de façon à pouvoir rouler au contact de la paroi de la chambre, tandis qu'une couronne mobile d'entrainement 6 est montée à l'intérieur du piston 5, de façon à pouvoir glisser par rapport au piston selon la surface de glissement 7.
  • La couronne 6 est munie d'une chape 8, 9 et l'extrémité de la manivelle 3 d'un alésage 24, de façon à pouvoir accoupler la couronne 6 et la manivelle 3 au moyen d'un tourillon d'axe 03 pouvant librement tourner dans l'alésage 24.
  • La bielette virtuelle d'entrainement du piston 5 est représentée par la droite reliant le centre de la couronne et du piston 02 au centre du tourillon 03.
  • Le corps du compresseur 2 renferme sous la culasse 34 munie de joint de culasse 37 des organes habituels, tels que conduits d'aspiration et de refoulement, ce dernier muni de deux soupapes 17, des sorties HP 41,42, ainsi qu'un volet de séparation 15 basculant autour de son axe 16 et muni de segments d'étanchéité 54. Le volet 16 sépare l'intérieur du cylindre en chambre de HP 13 etcham- bre BP 14, le point de contact de l'extrémité du volet et du piston 5 s'effectuant au moyen de la surface d'appui 29 du volet taillée en biseau, dans l'axe central du cylindre au point G.
  • L'équipement habituel d'un compresseur comprend un réservoir de lubrifiant 38 avec son bouchon de contrôle de niveau 39. L'arbre moteur 4 repose dans des paliers 43, 44, il est muni de joints tournants d'étanchéité 31 et d'une cuillère de barbotage 32 et d'une masselote d'équilibrage 33. Des pieds de centrage 35 équipent les flasques arrière et avant du stator. Des pattes d'araignée 40 servent à lubrifier le palier lisse de la couronne mobile et du piston. L'étanchéité latérale du piston 5 est assurée par des segments circulaires 36.
  • Les moyens de calage servant au rattrapage du jeu initial de montage et du jeu d'usure consistent, selon les figures 2 et 3, en un ressort 30 de compensation travaillant en compression, dont l'axe d'action 23 (figure 11 ) est perpendiculaire à la droite reliant le centre de la couronne 02 et le centre du tourillon 03. Une des extrémités du ressort 30 prend appui sur un sabot 52 de centrage, solidaire de la couronne 6 et l'autre dans un lamage de centrage 53 présent sur l'arbre moteur 4.
  • Le compresseur de la figure 3 représente une variante de réalisation dans laquelle le piston 5 est monté sur un roulement à aiguilles 22 et le dispositif de compensation comprend une paire de cales à pentes coniques 55 sollicitées par un ressort de blocage 57 d'axe 61, la surface extérieure 60 de la cale 55 de forme arrondie prenant appui sur un sabot de contact 59 solidaire de la couronne (voirfigure 14).
  • Lorsque le calage du piston 5 sur la paroi 10 de la chambre est assuré au point de contact E par des moyens élastiques de compensation, tels que cales et ressorts (voir figure 9), on peut tracer une droite O1 reliant le centre 01 de l'arbre au point E. C'est par rapport à cette droite que l'on définit l'angle de calage α1' compris entre la droite 01 E et la droite 0103 reliant le centre 01 de l'arbre au centre du tourillon. L'angle α1 est donc l'angle dont est décalé, par rapport à la droite 01 E dans le sens de la rotation de l'arbre, l'axe du tourillon 03.
  • La valeur de cet angle doit être judicieusement choisie. En effet, l'angle α1 est lié mathématiquement à la valeur du jeu J entre le piston et la paroi de la chambre. Ce jeu J est calculé et mesuré lorsque, les effets produits par des moyens élastiques de compensation étant annulés, l'axe du piston 02 se situe dans l'alignement des axes 01 et 03 de l'arbre et du tourillon, sur la droite d'alignement de ces axes. Ce jeu peut être observé, lorsqu'on fait pivoter la manivelle autour de l'axe 03 pour amener le centre du piston 02 sur la droite O1O3.
  • Le graphique de la figure 5 représente une courbe 48 donnant la variation du jeu J en 10-1 mm en fonction de l'angle a, en radians. On voit, que la variation est presque linéaire pour des valeurs de J supérieures à 1 mm. Les valeurs de J et de a, sont liées mathématiquement et peuvent être calculées pour des dimensions données de la chambre, du bras de manivelle et autres paramètres de la construction.
  • La figure 4 représente, pour un jeu de 2,5 mm correspondant à un angle α1 d'environ 36°, une variation de la force de réaction Re exprimée en décanewton au point de contact glissant E du piston sur la paroi de la chambre en fonction de l'angle de manivelle w en radians, c'est à dire la position angulaire instantannée de la droite 01 E.
  • Cette courbe montre un point d'équilibre 45 pour une valeur d'angle de manivelle w, auquel correspond le diagramme de forces de la figure 10, où la force de réaction Re au point de contact E est nulle. La courbe présente un maximum en 46 correspondant à une valeur de l'angle de manivelle w situé entre 0° et w, pour lequel la force de réaction Re au point de contact E est maximale.
  • En dépassant l'angle w1, la direction d'application de la force Re s'inverse et le piston a tendance au décollement du chemin de roulement. Cette force de réaction Re négative présente en 47 un minimum dont l'effet doit être combattu par l'utilisation des moyens élastiques de compensation, tels que ressorts ou combinaison de cales et de ressorts (voir le diagramme de forces, figure 11).
  • La figure 6 présente une courbe 49 de variations du rendement de compression en pourcents en fonction de l'angle de calage a, en radians. Il en résulte, que la partie ascendante de la courbe correspond aux faibles valeurs de a, sur lesquelles devrait théoriquement se porter le choix. Toutefois, la force de réaction Re, dont les variations en fonction de l'angle de manivelle w sont représentées à la figure 4, peut atteindre des valeurs prohibitives incompatibles avec les efforts tolérables que l'on peut imposer aux matériaux en raison de leur résistance à la rupture et à l'usure rapide. Pour des valeurs de α1, égales ou inférieures à 20°, la réaction sur l'arbre moteur est trop forte et à la suite de l'augmentation des efforts mécaniques le rendement diminue. Plus ai, est petit, plus importantes sont les forces s'exerçant sur le piston et le tourillon et qui engendrent des pertes d'énergie par transformation en chaleur de friction.
  • On a représenté aux figures 7 et 8 les courbes 50 et 51 montrant les variations des forces Re exprimées en décanewton en fonction de la valeur du jeu J en 10-1 mm, correspondant respectivement à la force de réaction maximale au point de contact E (point 46 de la courbe selon la figure 4) et à la force de réaction négative maximale (point 47 de la même courbe). On voit, que la force de réaction Re positive diminue, quand le jeu J augmente. Cette force tend vers l'infini pour un jeu nul, ce qui orienterait le constructeur vers un jeu le plus grand possible. La force Re pour un angle w2 (figure 4) devenant de plus en plus négative selon la figure 8, on aurait tendance à choisir, au contraire, une valeur de J la plus faible possible.
  • On s'aperçoit que l'écart entre Re positif et Re négatif diminue avec le jeu et atteint un palier pour un jeu d'environ 10 mm. Le choix de J détermine la valeur de l'angle α1, puisque l'angle α1 varie presque linéairement en fonction du jeu J pour des valeurs de J supérieures à 1 mm (voir figure 5).
  • En pratique, pour déterminer le jeu J ou l'angle α1, on choisit sur la figure 5 une plage des angles α1 correspondant au rendement souhaité. Pour des raisons de résistance des matériaux mentionnées précédemment, on choisira α1 supérieur à 20°, ou mieux, supérieur à 30°. Pour connaitre les forces réactives positives et négatives auxquelles seront soumis les matériaux, on tracera des diagrammes des efforts, selon la figure 4 pour chacune des valeurs choisies de l'angle α1. On tiendra compte, d'une part, de la valeur maximum de la force réactive Re positive à laquelle pourront être exposés les matériaux et, d'autre part, de la valeur maximum de la force Re négative, car plus elle est importante, plus importants devront être les moyens élastiques de compensation à utiliser avec un seuil limite qui représente les possibilités extrêmes de compensation par emploi de ressorts en raison de leur résistance mécanique. Ainsi, on choisira la courbe où la valeur Re positive et la valeur Re négative sont acceptables pour des raisons mentionnées.
  • Aux figures 9, 10 et 11 sont représentés les diagrammes de forces pour différents angles de manivelle w s'exerçant dans un compresseur, où l'angle de calage α1 est de 32°64' et le jeu de 5 mm.
  • Ces diagrammes correspondent, respectivement, en ce qui concerne la figure 9, à un angle de manivelle w quelconque situé entre 0° et w, (figure 4), c'est à dire où la force Re est positive, en ce qui concerne la figure 10, à un angle d'équilibre w, (point 45, figure 4) juste avant le décollement du piston de son chemin de roulement et, en ce qui concerne la figure 11, à un angle situé entre w1 et w2 (point 47, figure 4) dans la zone de décollement où la force Re négative est maximum.
  • Selon ces figures,
    • Rc représente le cercle décrit par le rayon du cylindre Rc ayant pour centre O1,
    • Rp le cercle décrit par le rayon du piston Rp ayant pour centre O2,
    • Rf le cercle décrit par le centre du tourillon 03,
    • Rcp le cercle décrit par le centre du piston O2, et
    • R la portion du cercle décrit par le centre du piston O2 pivotant autour du centre du tourillon 03.
  • Dans le cas de la figure 9, le piston est en équilibre pour un angle de manivelle w compris entre 0° et w1 (figure 4). Il est soumis à un couple résultant de la force FPc positive qui représente la force de pression régnant dans la chambre HP et passant par le centre du piston 02. La lettre a désigne le bras du levier qui permet de calculer le couple agissant sur l'axe O3 du tourillon et qui maintient le piston appliqué sur son chemin de roulement pour une rotation du vilebrequin correspondant à un angle de 0° à w1 en radians.
  • La figure 10 représente le piston en équilibre pour un angle w égal à w1 c'est à dire juste avant le décollement du piston.
  • La figure 11 représente un diagramme de forces pour un angle w compris entre w1 et w2, c'est à dire dans la zone de décollement. Après avoir franchi l'angle w1, la force Re devient négative et atteint son maximum pour un angle w2. Cette force s'exerce par lintermédiaire du bras de levier b et forme un couple tendant à décoller le piston de son point de contact E avec le cylindre. Pour éviter le décollement du piston, l'effet de la force négative Re est compensé par laction d'un ou de plusieurs ressorts 30 (figures 11 et 12), dont le couple FR x O1O3cos a3 est égal au couple Re x b.
  • La face d'appui 62 du ressort 30 sur la couronne est parallèle à la droite 25 reliant les centres du piston 02 et du tourillon O3 et sa droite d'action 23 passant par le centre 01 de l'arbre est perpendiculaire à la droite 25.
  • Le calcul de la force du ressort doit tenir compte de plusieurs facteurs, tels que la pression de travail dans la chambre HP et des dimensions de la chambre et du piston.
  • Le ressort 30 est disposé en amont du point de contact E par rapport au sens du roulement du piston (figure 2), son axe 67 passe par l'axe O1 de l'arbre et est perpendiculaire à la droite 25. Il est logé entre un plot de centrage 65 fixé à la couronne et un logement cylindrique avec lamage 64 ménagé dans la manivelle et dont le fond 66 est parallèle à la droite 25 (figure 12).
  • Le dispositif utilisant un ou plusieurs ressorts pour maintenir le piston appliqué sur son chemin de roulement et compenser la force Re négative représente une première solution de calage du piston. D'autres moyens de compensation et de calage consistent à utiliser des cales à pentes coniques sollicitées par un ou plusieurs ressorts et permettent un ajustage progressif de calage.
  • Selon la forme de réalisation représentée aux figures 13 et 14, entre la manivelle 3 et la couronne 6 est ménagé un logement concave formé par deux méplats longitudinaux inclinés 58 pour loger une paire de cales 55 à pentes coniques 58 de sens opposé. A cette fin, le bloc de la manivelle présente à l'endroit du logement deux pentes, l'angle d'orientation de chacune correspondant à la pente de la cale qui s'y trouve logée. Les pentes coniques du logement et des cales sont inclinées à angle a4 par rapport à l'axe O1 de l'arbre 4. Aux deux extrémités transversales du logement sont logées les cales 55. Les faces de cales opposées aux faces à pente d'angle a4 et prenant appui sur un méplat 62 ou sabot que présente la couronne 6 à cet endroit sont convexes et arrondies, de façon à ce que les cales prennent appui sur leurs sabots selon une génératrice désignée par K. Le plan de symétrie 63 longitudinal de cales passe par le centre 01. Les deux cales 55 sont sollicitées en sens inverse par un ressort 57 travaillant à la compression dont l'axe de centrage 61 est logé aux deux extrémités dans les cales. La poussée des cales 55 exercée contre le sabot 62 de la couronne est perpendiculaire à la droite reliant l'axe du piston 02 et l'axe du tourillon 03.
  • Une autre forme de réalisation de cales est représentée aux figures 15 et 16. Au lieu d'être orientée à angle a4 par rapport à l'axe 01 de l'arbre 4, la pente 71 de la cale 70 est inclinée transversalement par rapport à l'axe 01 et notamment d'un angle a5 par rapport à la droite reliant le centre 03 du tourillon et le centre O2 du piston. A cette fin, le logement ménagé pour la cale est compris entre le méplat longitudinal 71 de la manivelle 3 et le méplat 72 que présente l'alésage de la couronne 6. La cale 70, dont une face longitudinale est en pente d'angle a5, est percée sur une face latérale des deux logements borgnes 73 pour loger les extrémités des deux ressorts 74 travaillant à la compression, dont les extrémités opposées sont retenues par des plots de centrage 75 placés sur un méplat de la couronne 6.
  • L'action de cales s'exerce selon une droite transversale par rapport à l'axe de l'arbre 4 et a pour effet de repousser la couronne 6 de la manivelle en direction perpendiculaire à ladite droite.
  • L'application présentée de la machine selon l'invention dans le domaine de compresseurs n'exclut nullement d'autres applications selon le principe exposé, telles que dans les domaines de moteurs à explosion, de pompes à vide, de récupérateurs d'énergie ou de freins pneumatiques ou hydrauliques.

Claims (11)

1. Machine à piston rotatif, notamment compresseur à piston rotatif, comprenant une chambre cylindrique (13, 14), dans laquelle sont disposés une partie excentrique ou manivelle (3) d'un arbre (4) d'axe 01 coaxial à ladite chambre, un piston annulaire rotatif (5) pouvant rouler au contact de la paroi (10) de la chambre et une couronne d'entrainement (6) du piston (5) en contact avec la paroi intérieure du piston sur toute sa circonférence et montée à l'intérieur de celui-ci, de façon à pouvoir glisser par rapport au piston, le calage du piston sur son chemin de roulement étant assuré par des moyens élastiques de compensation (30, 55 et 57, 70 et 74) prenant appui sur la manivelle ou sur l'arbre et sur l'alésage de la couronne (6), la machine comportant en outre un volet (15) divisant l'espace libre autour du piston en deux compartiments (13, 14) à volume variable, la couronne (6) étant entrainée en rotation au moyen d'un tourillon (1), l'axe 03 du tourillon s'étendant en direction longitudinale de la machine et étant situé dans une position excentrique par rapport à la couronne, caractérisée en ce que le tourillon est monté dans une chape (8, 9) réalisant l'accouplement de la couronne (6) et de la manivelle (3).
2. Machine selon la revendication 1, caractérisée en ce que le tourillon (1 ) est monté dans un alésage (24) d'axe 03 de la manivelle (3) et dans une chape (8, 9) solidaire de la couronne (6).
3. Machine selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que, l'angle Œ, étant l'angle de décalage de l'axe 03 du tourillon par rapport au point de contact E lors du calage du piston sur la paroi (10) de la chambre, dont la valeur est liée mathématiquement à la valeur du jeu J apparaissant entre le piston et la paroi lorsqu'en absence des effets produits par les moyens élastiques de compensation, l'axe du piston O2 se situe dans l'alignement des axes 01 de l'arbre et 03 du tourillon, pour une pression de travail, une vitesse de rotation et des longueurs des rayons du piston et de la chambre donnés, on choisit un angle Œ1 supérieur à 20°, auquel correspond un jeu J d'environ 1 mm, pour éviter de soumettre les matériaux aux efforts mécaniques trop importants.
4. Machine selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que les moyens élastiques de calage sont constitués par au moins un ressort (30) monté transversalement en amont du point de contact E par rapport au sens de rotation du piston, prenant appui, d'une part, sur la manivelle (3) et, d'autre part, sur la couronne (6), de façon à ce que la droite d'action du ressort passe par l'axe 01 de l'arbre et soit perpendiculaire à la droite (25) reliant le centre 02 du piston et le centre 03 du tourillon.
5. Machine selon la revendication 4, caractérisée en ce que la face d'appui (62) du ressort sur la couronne est parallèle à la droite (25) reliant le centre 02 du piston et le centre 03 du tourillon.
6. Machine selon la revendication 4, caractérisée en ce que le ressort (30) est logé entre un plot de centrage (65) fixé à la couronne et un logement cylindrique avec lamage (64) ménagé dans la manivelle, dont le fond (66) est parallèle à la droite (25) reliant O2 et 03.
7. Machine selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que les moyens élastiques de calage sont constitués par au moins une cale à pente conique sollicitée par un ressort travaillant à la compression selon une droite d'action transversale par rapport à l'axe 01 de l'arbre (4), la cale étant logée dans un logement entre la manivelle et la couronne, dont une paroi présente une pente conique.
8. Machine selon la revendication 7, caractérisée en ce que l'une des faces longitudinales de la manivelle présente deux méplats longitudinaux (58) concaves inclinés à angle a4 par rapport à l'axe 01 de l'arbre et formant avec l'alésage de la couronne (6) un logement, deux cales (55) étant logées aux deux extrémités transversales dudit logement, chacune présentant une face intérieure en pente d'angle a4 correspondant à celui du méplat incliné (58), un ressort (57) travaillant en compression étant disposé entre les cales (55).
9. Machine selon la revendication 7 ou 8, caractérisée en ce que la partie de la couronne sur laquelle prennent appui les cales présente un méplat (62) constituant sabot, tandis que la face extérieure de chaque cale prenant appui sur ledit sabot présente un arrondi.
10. Machine selon la revendication 7, caractérisée en ce que entre l'alésage de la couronne et la manivelle est disposé un logement pour une cale (70) à face longitudinale en pente, la pente (71 ) du logement du côté de la manivelle étant inclinée transversalement d'un angle a5 par rapport à la droite reliant le centre O2 du piston et le centre 03 du tourillon, l'action de la cale (70) sollicitée par au moins un ressort (74) s'exerçant selon une droite transversale par rapport à l'arbre (4).
11. Machine selon la revendication 10, caractérisée en ce qu'une face latérale de la cale (70) est percée d'au moins un logement borgne (73) dans lequel est logée une extrémité du ressort (74), l'autre extrémité du ressort prenant appui sur un plot de centrage (75) solidaire d'un méplat (72) de la couronne (6).
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