FR2478195A1 - Mecanisme de transmission du mouvement des pistons d'un moteur - Google Patents

Mecanisme de transmission du mouvement des pistons d'un moteur Download PDF

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Abstract

MECANISME DE LIAISON DES PISTONS D'UN MOTEUR THERMIQUE A UN ARBRE ROTATIF DE SORTIE. UN PIGNON CONIQUE PRINCIPAL EST CALE SUR L'ARBRE DE SORTIE A L'INTERIEUR D'UN BOITIER 11. PLUSIEURS PIGNONS CONIQUES DE COMMANDE QUI ENGRENENT AVEC CE PIGNON PRINCIPAL SONT CALES SUR UN ARBRE QUI SORT DU BOITIER ET SUR L'EXTREMITE EXTERIEURE DUQUEL EST CALE UN ARBRE D'ENGRENEMENT 29 QUI ENGRENE AVEC UN AUTRE PIGNON INTERMEDIAIRE IDENTIQUE 28. DEUX BRAS D'EXCENTRIQUES 31 ARTICULES, D'UNE PART, SUR UN PIGNON D'ENGRENEMENT 29 ET, D'AUTRE PART, SUR UN PIGNON INTERMEDIAIRE 28 D'UN GROUPE SONT ARTICULES A L'AUTRE EXTREMITE SUR UN BLOC DE LIAISON 32 FIXE A L'EXTREMITE D'UNE TIGE DE PISTON 33, DE MANIERE QUE LE MOUVEMENT ALTERNATIF DU PISTON 14 PUISSE ETRE TRANSMIS PAR CETTE TIGE, PAR LES BRAS D'EXCENTRIQUES ET PAR LE PIGNON D'ENGRENEMENT AU PIGNON DE COMMANDE ET AU PIGNON PRINCIPAL. APPLICATION EN PARTICULIER A LA TRANSMISSION DU MOUVEMENT ALTERNATIF DES PISTONS D'UN MOTEUR A CYCLE STIRLING.

Description

L'invention se rapporte à un mécanisme de liaison d'un piston à un arbre rotatif.
Les moteurs thermiques à pistons se sont répandus très largement au cours du siècle passé, essentiellement en raison de leur fiabilité, de la facilite avec laquelle ils peuvent être commandés et de leur rendement avantageux.
L'intérêt s'est récemment porté sur les moteurs à pistons à combustion externe, par exemple à cycle Stirling et à cycle de Rankine.
Un piston est normalement relié à un mécanisme de transformation de son mouvement alternatif en un mouvement de rotation réguliers Ce mécanisme comprend souvent une tige qui relie le piston à une manivelle de vilebrequin. L'excentricité du montage par rapport à 11 arbre lui permet de transmettre le mouvement de translation à la tige de piston et de transformer la force périodique alternative délivrée par le piston en un mouvement régulier de rotation. D'autres mécanismes comprennent des dispositifs à plateau oscillant ou des dispositifs à plateau basculant.
Suivant une disposition bien connue dans cette technique, l'excentricité de la manivelle d'un vilebrequin et le mouvement d'un plateau oscillant front aussi subir à la tige de piston un déplacement latéral ainsi qu'un mouvement de translation. Ce déplacement latéral est en général absorbé par un axe de pied de bielle qui relie le piston à l'extrémité correspondante de sa tige. Toutefois, ce mécanisme n'élimine pas totalement la poussée latérale qui est due au déplacement latéral de la tige de piston. Cette poussée latérale exercée sur le piston par l'axe de pied de bielle provoque l'usure inégale des segments ou joints analogues et une détérioration du joint d'étanchéité monté entre la tige de piston et l'extrémité du cylindre. La poussée latérale contribue aussi à l'usure des paliers principaux qui supportent le vilebrequin.
Bien que l'usure due à la poussée latérale de la tige de piston ait été minimisée par des améliorations de la conception, de l'équilibrage et de la précision de l'usinage, elle demeure néanmoins un facteur important qui abrège la vie utile du moteur. Donc, cette vie utile est souvent déterminée par la périodicité suivant laquelle il faut réviser le moteur et remplacer les segments de piston, les joints d'étanchéité, les roulements et autres pièces.
L'invention se rapporte à un mécanisme de liaison des pistons d'un moteur thermique à l'arbre rotatif de sortie de ce dernier et de transformation du mouvement alternatif des pistons en mouvement rotatif de l'arbre de sortie sur lequel la puissance du moteur est prélevée. Un facteur essentiel de l'invention est que celle-ci élimine virtuellement la poussée latérale exercée sur la tige de piston et sur le piston lui-même et donc supprime une cause majeure d'usure et prolonge la vie utile du moteur. La disposition de l'invention permet de plus de monter sur la tige de piston un joint d'étanchéité simple à glissement qui permet d'empêcher le passage d'hydrogène ou d'hélium utilisés sous les pistons des moteurs à cycle Stirling.
Le mécanisme de l'invention comprend une enveloppe traversée par un arbre de sortie et sur laquelle ce dernier tourne en étant monté dans des roulements. Un pignon conique principal calé sur l'arbre de sortie à l'intérieur de l'enveloppe engrène avec plusieurs pignons de commande également montés dans cette enveloppe. Chacun des pignons de commande est fixé sur l'extrémité intérieure d'un arbre qui traverse la paroi de cette enveloppe dont il sort et qui est monté sur cette dernière au moyen d'un roulement.
Un pignon droit fixé à l'extrémité extérieure de chacun de ces arbres engrène avec un pignon intermédiaire placé à son voisinage immédiat. Deux bras d'excentriques, dont l'un est monté sur ce pignon droit et l'autre sur le pignon intermédiaire, sont articulés à l'autre extrémité sur un bloc de liaison.
L'extrémité extérieure de la tige de piston, dont l'extrémité intérieure est fixée au piston lui-meme, est aussi fixée sur ce bloc de liaison. Lors des mouvements alternatifs du piston, ses mouvements sont transmis par la tige au bloc de liaison. Celui-ci déplace les bras d'excentriques qui font tourner le pignon droit et le pignon intermédiaire. Cette rotation est transmise par l'arbre correspondant au pignon de commande et donc au pignon principal. Ainsi, l'arbre de sortie du mécanisme subit une rotation continue.
La tige de piston subit un mouvement de translation direct le long de son axe en raison de l'effet identique produit par les bras des éléments excentriques d'articulation. Donc, la tige de piston ne subit aucune poussée latérale et le piston lui-même non plus ; donc, l'usure du piston, de sa tige, des segments ou joints d'étanchéité et celle de l'alésage du cylindre sont considérablement réduites.
L'invention va être décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemple nullement limitatif et sur lesquels :
la figure 1 est une vue en plan d'un mécanisme de transmission selon l'invention qui est représenté en association avec un moteur à pistons
la figure 2 est une vue en bout du mécanisme de transmission ;;
la figure 3 est une coupe axiale d'un détail du mécanisme de transmission de l'invention
la figure 4 est une vue en plan de détail montrant les deux bras d'excentriques qui représentent une particularité essentielle de l'invention, ces bras étant montrés à une position qui correspond au point milieu de la course du piston
la figure 5 est une vue analogue à celle de la figure 4, mais montre les bras d'excentriques à une position correspondant à celle du point mort haut de la course du piston ,
la figure 6 est une vue analogue à celle des figures 4 et 5 et représente les bras dans la position correspondant à la demi-course du piston dans le sens inverse à celui de la figure 4 ; et
la figure 7 illustre schématiquement la position de chacun des pistons à l'intérieur de son cylindre.
Le mécanisme de transmission selon l'invention est destiné essentiellement à un moteur à pistons et plus particulièrement à en relier les pistons à l'arbre rotatif de sortie. Ce mécanisme de transmission convertit le mouvement alternatif des pistons en un mouvement régulier de rotation de l'arbre de sortie et il a l'avantage très important de ne transmettre aucune poussée latérale aux pistons ni aux tiges de piston du moteur. L'invention va -être décrite en regard d'un mode de réalisation très avantageux d'un moteur thermique à quatre cylindres, mais il est bien entendu que l'invention n'est pas limitée par le nombre des cylindres du moteur- ni par le type de moteur thermique dans lequel elle est mise en oeuvre.
Le mécanisme de transmission de l'invention que représentent les figures 1 et 2 comprend une enveloppe 11 à profil sensiblement rectangulaire, qui est fixée à une surface d'une plaque d'assise 12. Plusieurs cylindres 13 sont fixés sur l'autre surface de la plaque d'assise. Un piston 14 qui est commandé par la dilatation des gaz provenant d'une combustion extérieure de carburant est disposé dans chacun des cylindres 13.
L'enveloppe 11 renferme une cavité 16 telle que représentée sur la figure 3. Un arbre rotatif de sortie 17 disposé à l'intérieur de Cette cavité et sortant de l'extré- mité supérieure de l'enveloppe Il est supporté par au moins deux roulements 18 et 19 qui lui permettent de tourner librement. Un pignon principal 21 de type conique, tel que représenté sur la figure 3, est calé sur l'arbre 17 à l'intérieur de la cavité 16.
Un arbre 24 pénétrant dans l'enveloppe rectangulaire 11 par chaque côté 22 est supporté par un roulement à aiguilles monté sur chacun de ces côtés 22 de l'enveloppe. Un pignon conique 26, fixé à l'extrémité intérieure de chaque arbre 24, engrène avec le pignon principal 21. Les pignons 21 et 26 ont tous le même nombre pair de dents et donc tous les pignons 26 et les arbres 24 tournent en synchronisme avec le pignon 21 et l'arbre de sortie 17. En variante de réalisation, les pignons 21 et 26 peuvent être des pignons droits, des vis sans fin ou des pignons hélicoïdaux pouvant avoir tout rapport de surmultiplication ou de démultiplication.
Un bras de support 23 est disposé extérieurement dans le prolongement de chacun des côtés 22. Un pignon intermédiaire 28 est fixé à l'extrémité extérieure d'un arbre 27 supporté par le bras 23 sur lequel il est rotatif. Un pignon 29, calé à l'extrémité extérieure de chaque arbre 24, est monté de manière à engrener avec le pignon 28. Le diamètre et le nombre des dents des pignons 28 et 29 sont identiques.
Un bras d'excentrique 31 est relié à chaque pignon d'engrènement 29 et à chaque pignon intermédiaire 28 les bras 31 ont tous une longueur identique. Chacun des bras 31 est relié à son pignon intermédiaire ou son pignon d'engrènement au moyen d'un bout d'arbre fixé sur le pignon correspondant, et un roulement à aiguilles permet au bras d'excentrique de tourner librement autour de ce bout d'arbre.
Un bloc de liaison 32 est destiné à chaque groupe à pignon d'engrènement et à pignon intermédiaire, les bras 31 d'excentriques de ces deux pignons etant articulés sur ce bloc. Le bloc de liaison 32 supporte aussi deux bouts d'arbre et des roulements à aiguilles permettent aux arbres d'excentriques 31 de tourner librement sur le bloc de liaison.
Une tige de piston 33 fixée à chaque bloc de liaison 32 relie ce dernier à un piston 14 disposé dans le cylindre 13 qui est à l'alignement axial de ce bloc. La plaque 12 comporte un trou 15 convenablement aligné sur chaque tige 33 de manière que celle-ci puisse la traverser librement au cours de ses mouvements de translation. Chaque trou 15 loge une garniture d'étanchéité 25 à manchon ou à presse-étoupe, par exemple de matière plastique imprégnée de lubrifiant.
Les différences de pression s'exerçant sur les faces opposées du piston 14 en provoquent le déplacement alternatif dans le cylindre 13, de manière bien connue dans cette technique. Le piston transmet son mouvement alternatif à la tige 33 qui subit une translation le long de son axe. Le bloc de liaison 32 est ainsi amené à effectuer le mouvement alternatif qui lui est imposé par la tige de piston 33.
Chaque paire de bras d'excentriques 31 est montée sur le pignon d'engrènement et le pignon intermédiaire correspondants exactement en opposition. Donc, les arbres qui relient les bras d'excentriques aux pignons correspondants délimitent une ligne qui est toujours parallèle à la ligne passant par les axes de rotation du pignon d'engrènement et du pignon intermédiaire. Par ailleurs, chaque tige de piston 33 est disposée le long d'un axe qui se trouve toujours au milieu entre les axes de rotation du pignon d'engrènement et du pignon intermédiaire correspondants. Cette symétrie a pour effet que les bras d'excentriques 31 maintiennent toujours le bloc de liaison 32 sur l'axe qui se trouve au milieu entre les deux pignons correspondants 29 et 28.Ainsi, lorsque le pignon de liaison 32 et la tige de piston 33 exécutent leurs mouvements alternatifs en commandant les deux pignons 29 et 28 par l'intermédiaire des bras d'excentriques 31, ils sont toujours empêchés par les bras d'excentriques disposés exactement en opposition de subir un déplacement latéral ou un déplacement qui n'est pas axial.
Lorsque le piston 14 se déplace du point mort supérieur vers le point mort inférieur en passant par les positions intermédiaires telles que représentées sur la figure 7, les pignons 29 et 28 sont commandés par les bras d'excentriques 31 qui leur imposent des mouvements de rotation suivant des angles identiques, comme le montrent les figures 4, 5 et 6. Dans tous les cas, cependant, le bloc de liaison 32 et la tige de piston 33 sont maintenus par les bras d'excentriques 31 sur le même axe, de sorte que les tiges de piston et les blocs de liaison subissent exclusivement des translations axiales. Donc, aucune poussée latérale n'est exercée sur le bloc de liaison ou sur la tige de piston, ni sur le joint 25 de cette tige et donc la tige de piston 33 n'impose aucune poussée latérale au piston 14 luimême.
Le sens de rotation de l'arbre de sortie 17 peut être inversé par renversement de la phase angulaire de l'un ou l'autre des groupes de deux pignons 26 places en regard.
Donc, le mécanisme de l'invention non seulement convertit le mouvement alternatif des pistons 14 en un mouvement de rotation de l'arbre de sortie 17, mais il évite de plus toutes les poussées latérales qui pourraient être exercées sur les pistons et les joints des tiges de piston par ces tiges elles-mêmes. Ainsi, une cause majeure d'usure des pistons, de l'alésage des cylindres et des joints intermédiaires est éliminée. L'efficacité du moteur en est accrue, car la compression produite à l'intérieur d'un cylindre demeure pendant toute la vie utile de fonctionnement du moteur. La vie utile de ce moteur lui-mEme en est considérablement augmentée, car l'élimination de la poussée latérale exercée sur les pistons en diminue considérablement l'usure.
Il convient de remarquer, par ailleurs, que chaque groupe do pignons 28 et 29 est équilibré dynamiquement et donc ne provoque aucune vibration, même lorsque le mécanisme de commande fonctionne à grande vitesse. Les deux bras d'excentriques de chaque groupe sont aussi équilibrés dynamiquement et toutes les phases d'usinage du moteur de l'invention doivent être exécutées avec axes des tolérances étroites.
Un avantage important résultant de la présente invention est que la réduction notable de la poussée latérale exercée sur les pistons et leur tige abaisse aussi l'importance de la lubrification nécessaire au moteur. Donc, les pignons et joints d'étanchéité peuvent être lubrifiés en permanence par des enduits ou imprégnations convenables et les exemples classiques de lubrIfication par pompes à huile, par éclaboussures ou par projections peuvent être éliminés.
Ce facteur est très important pour les moteurs à cycle
Stirling dans lesquels les échangeurs de chaleur sont fréquemment colmatés et contaminés par l'huile de lubrification qui fuit par les joints d'étanchéité.
Il est bien entendu que le moteur à pistons ne fait pas partie de l'invention. Par ailleurs, le mécanisme de commande de l'invention peut être utilisé dans tout moteur à pistons à mouvements alternatifs, par exemple les moteurs à combustion externe, les moteurs à vapeur et autres.

Claims (7)

REVENDICATIONS
1. Mécanisme de transmission destiné à relier les pistons à mouvements alternatifs d'un moteur à un arbre rotatif, caractérisé en ce qu'il comprend un pignon principal (21) calé sur ledit arbre rotatif (17), au moins un pignon de commande (26) engrenant avec ledit pignon principal (21), une tige (33) étant disposée dans le prolongement de chacun desdits pistons (14), ledit mécanisme comprenant plusieurs groupes de deux bras d'excentriques (31) dont chacun est relié à une extrémité à l'une desdites tiges de piston (33), ainsi que plusieurs pignons d'engrènement (29) dont chacun est relié à l'un desdits pignons de commande (26) avec lequel il est solidarisé en rotation, plusieurs pignons intermédiaires (28), dont chacun engrène avec l'un desdits pignons d'engrènement (29), formant avec ceux-ci plusieurs groupes deux à deux, et l'autre extrémité de chacun desdits groupes de deux bras d'excentriques (31) étant reliée, d'une part, à un pignon intermédiaire (28) et, d'autre part, à un pignon d'engrènement (29) de l'un desdits groupes.
2. Mécanisme de transmission selon la revendication 1, caractérisé en ce que tous lesdits bras d'excentriques (31) ont une longueur identique et sont articulés sur un pignon intermédiaire et un pignon d'engrènement (28, 29) de l'un desdits groupes suivant une disposition en opposition symétrique.
3. Mécanisme de transmission selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits pignons d'engrènement (29) et lesdits pignons intermédiaires (28) ont tous le-même diamètre et le même nombre de dents.
4. Mécanisme de transmission selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un bloc de liaison (32) est relié à une extrémité desdits bras d'excentriques (31) d'un groupe et à la première extrémité mentionnée de chacune desdites tiges de piston (33).
5. Mécanisme de transmission selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit pignon principal (21) et lesdits pignons de commande (26) sont des pignons coniques et un arbre de commande (24) est fixé à chacun desdits pignons de commande (26).
6. Mécanisme de transmission selon la revendication 5, caractérisé en ce que chacun desdits pignons d'engrènement (29) est calé sur l'un desdits arbres de commande (24).
7. Mécanisme de transmission selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits pignons de commande (26) sont disposés deux à deux en opposition et la phase angulaire d'un groupe quelconque de deux de ces pignons de commande (26) peut être sélectivement inversée afin de renverser le sens de rotation dudit arbre rotatif (17).
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