FR2839112A1 - Mecanisme de distribution a levee angle d'ouverture calage et nombre de soupapes variables et moteur a combustion interne disposant de ce mecanisme - Google Patents
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Abstract
Mécanisme de distribution à levée, angle d'ouverture, calage et nombre de soupapes variables et moteur à combustion interne disposant de ce mécanisme.L'invention concerne un mécanisme de distribution comprenant un système intégré dans un levier de commande de soupape de type linguet ou culbuteur qui permet un rattrapage de jeux mais aussi de positionnement du levier par une extension géométrique des points d'appui entre l'entrée et la sortie du mouvement.Ainsi le déplacement de la pièce par un mécanisme complémentaire autorise des variations du calage, de l'angle de came, de levée et, par un système annexe, du nombre de soupapes en action.
Description
fermee (61) a l'extremite superieure de la branche correspondents du
drain.
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L'invention concerne les mecanismes qui permettent la levee mecanique des soupapes d'alimentation et d'evacuation des gaz d'un moteur a combustion interne au travers d'une culasse de
types habituellement en usage.
Wile se classe parmi les systemes a levee, angle d'ouverture, calage, et nombre de soupapes variables. Les problemes poses sont: - d'assurer une parfaite combustion pour reduire la consommation et la pollution, ce qui est parfois en contradiction. Ce probleme depend, pour uniquement ce qui concerne le sujet d'intervention, de la gestion des turbulences internee par le nombre d'ouvertures de passage des gaz, leur orientation, ['importance de la section des passages et de leur position dans la chambre, mais
aussi du moment et de la duree.
- d' assurer un parfait remplissage ceci a tous les regimes et des un leger enforcement de la pedale, si on privilegie l'agrement et la puissance. La gestion de la pression a l'interieur des pipes d' admission et d' echappement par rapport a celle de la chambre est essentiellement liee a ['instant d'ouverture et de fermeture des soupapes le mieux approprie, c'est un des moyens le plus efficace
par lequel la distribution variable peut agir.
- d'assurer des retours de gaz brules << de gaz neutres >> tonjours par ['instant d'ouverture et de fermeture ou encore de permettre la montee de temperature de l'echappement en jouant sur
l'avance a l'ouverture des soupapes d'echappement et sur le calage de l'allumage.
En mode deteriore de nombreuses strategies s'opposent ou se completent. Wiles font appel a la
gestion des memes moyens.
Des choix nouveaux de gestion apparaissent avec les recents systemes << Valvetronic >> ou << Camless >> a levee, angle et calage variables. Des exigences nouvelles se dessinent avec des etudes recenses de moteurs a cylindree variable. Avec une variabilite allant de trots a quatre pour le modele de << PSA >> ou de << MayLlower >> ou encore de trots a dix pour une proposition de l'auteur de cette etude, nous trouvons pour ces nouvelles cinematiques des deplacements des points morts hauts et teas. Ces besoins specifiques n'offrent cependant pas plus d'exigences que celles des moteurs actuels
pour la solution proposee.
En se referent au passe des constructeurs sur ce sojet nous trouvons une etude remarquable presentee
dans un memoire au congres de la FISITA en 72 par Monsieur TOPAZZA ingenieur chez FIAT.
Nous remarquons deja les systemes a cames oscillantes et a levee de soupape variable, mais aussi des calages variables dont certains par le biais d'un linguet mobile autour de l'axe de la came de rotative de poussee. Nous trouvons un brevet de la G. M. avec un axe de basculement mobile sur un culbuteur pour agir sur la hauteur de la levee. Une solution proche se retrouve dans le brevet 81 24559. Dans un brevet plus recent PCT / US 05 83/00744, nous decouvrons un autre moyen de faire varier la hauteur de la levee avec un linguet ayant un profil specifique et manaeuvre par un bras articule au bati pour le deplacer entre la came et une piece en appui sur la soupape. Nous retrouvons
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cette disposition dans le brevet 84 13939 avec un bras de manuvre sur un axe parallele a la came tournante. Des systemes tres differents apparaissent dans les brevets 99 09810 et 11 et WO 90/03497 avec une came d'appui fixe mais reglable sur laquelle s'appoie une piece flottante entre une came
tournante et un culbuteur.
s L ' invention se presente sous la forme d'un systeme mecanique de commande d' au moins une soupape sous ['action d'une came rotative, par exemple, pouvant comprendre une variation de la levee par l'intermediaire d'une came oscillante de type FIAT a course variable ou avec ['aide d'un basculeur, du type du brevet 81 24559 a la Fig. 1, autorisant un deplacement de la position d'un de ses appuis sur une face cintree grace a un mecanisme de commande pouvant comprendre un bras lo articule du type de l'abrege du brevet WO 83/04070 et une piece intermediaire de poussee sur les soupapes. Le mecanisme du systeme propose s'integre remarquablement a un linguet ou a un culbuteur, respectant son dimensionnement et sa fonction habituelle soit celle d'un << levier >> avec trots points d'action, une entree du mouvement 48, une sortie 49 (points geometriques) et 1'appui de rotation 2 de la piece qui permet la transformation du mouvement. Le concept est remarquable par le fait que ce << levier >> grace a son mecanisme integre rattrape les jeux de construction mais aussi de positionnement, ceci grace a sa geometric variable mise en extension par un ressort 24 qui permet d'assurer en permanence l'appui du point d'entree de mouvement, sur une came par exemple, et l'appoi de sortie sur au moins une soupape ou sur un mecanisme intermediaire. Ainsi, avantageusement, le mecanisme inteme peut assurer, sur une poussee d' entree constante, la transformation du mouvement soit une poussee nulle, selon les besoins, suivi tres progressivement d'une poussee fortement croissante jusqu'a la valeur du mouvement d'entree par un blocage inteme du mecanisme qui permet d'entra^mer ['ensemble du << levier >>. De meme, par des amenagements accessoires et facultatifs, la position dormee au << levier >> par rapport a ses appuis grace a un mecanisme 50 sur lequel il s'articule en 2 et a sa commande a trots ou quatre degree de liberte qui constitue un bras robotise, il devient possible d'agir sur plusieurs parametres et d'ouvrir selectivement une ou deux soupapes d' admission par l'intermediaire d'une piece de liaison
specifique 21 montee sur la queue des deux soupapes.
Ainsi, par ses particularites constructives, sur une poussee de valeur constante sur le point d' entree de mouvement 48 par une articulation du bras 1 sur 1'axe 2, on obtient le deplacement d'un gales, angles p et 6, sur le profil 11 de roulement d'une came qui fait basculer la piece 5 autour de l'axe 4 situe a ltextremite du bras 3, lui meme articule sur l'axe 2 du linguet 15. Ainsi le dessin du profil 11 de la came de roulement peut amener le deplacement du gales 8 a une valeur m^. C'est l'arc-boutement. I1 doit se faire de preference tres rapidement au moment ou les valeurs d'entree de mouvement sur le point 48 vent sensiblement egales a celles de sortie, l'equilibre se faisant sinon de
lui meme quand les deux mouvements vent en raison directe.
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Sur ce mecanisme un ressort 24 assure 1'extension de cette sorte de parallelogramme compose plus precisement de deux basculeurs articules l'un sur l'autre avec une poussee d'entree
qui les ecarte progressivement comme le ferait un coin, de plus en plus vivement.
La configuration generale appelle tout naturellement a positionner indifferemment le profil de came 11 sur le bras 1 a la place du gales 8 Fig. 12, 13 et 22. Le gales 9 assemble sur le meme axe 27 sert a l'appoi sur la came tournante 18. Ainsi, pour degager largement les alentours de cette came, il est possible de realiser une butee 45 qui dispense de la rampe a course perdue 10 sur 1'angle en bloquant la piece 5 dans sa course. De meme les biellettes 3 et 1 peuvent disposer d'un axe specifique, proche de l'axe 2 de basculement du <<1evier>>, en s'articulant directement 1'une a
0 l'autre.
Une solution alternative permet d'obtenir un resultat similaire au mecanisme a came par ['articulation du bras 1 sur l'axe 2 avec un montage en boucle des pieces 1 - 3 - 51 et 14 dans un systeme de type quatre barres avec pour axe les points geometriques 2 - 12 - 13 et 4. Le bras 1 est de preference plus long que le bras 3 et tous les deux vent ecartes par un ressort 24. L'ouverture de cette sorte de compas est limitee par les deux biellettes 51 et 14 qui vent de dimension nettement inferieure, la biellette 14 pouvant etre un simple excentrique, avec sur la biellette 51 un
prolongement 5 permettant d' augmenter l' ampleur du basculement de sa liaison.
Ainsi se retrouve dans cette disposition le << levier >> 15, dans vent ensemble, semblable a la proposition precedente avec une course perdue jusqu ' a une position ou le mouvement d' entree se trouve progressivement transforme, d'abord tres fortement demultiplie, il est de valeur fortement croissante au niveau du gales d'appui 26 jusqu'a depasser ['amplitude du mouvement d'entree ce qui le ramene automatiquement a un point d'equilibre qui ne passe pas necessairement par un point mort
obtenu par l'alignement de trots axes.
Un systeme complementaire agit, sous ['action du < levier >> dans le role d'un linguet ou d'un culbuteur ou encore sous la poussee d'une came, sur une soupape ou simultanement sur les deux. Constitue d'un mecanisme similaire a une sorte de << bridge >>, il permet l'accouplement des queues des soupapes d' admission sur des appuis a plans courbes emmanches a leur extremite pour la qualite des surfaces de contact assurees a la piece de liaison 21. Cette liaison est maintenue par des axes transversaux 31 avec, a une de ses extremites, une butee 23 en dessous de l'axe geometrique 22 de la queue d'une des soupapes 17 qui permet, par exemple, un deplacement du linguet 15 autour d'une came tournante de poussee, afin de deplacer le point d'appoi 49 soit vers la liaison bloquee par la butee, soit vers l'autre soupape qui l'amene, senle, a s'effacer avec la piece de liaison, sous la poussee, comme le plateau d'une balance desequilibree. L'axe 22 sert alors au pivotement. A l' inverse le desequilibre oppose entra^ne les deux soupapes, la piece de liaison ne pouvant pas
tourner.
Le mecanisme support du < levier >> permet de le positionner selon trots axes X, Y et Z avec une rotation sur l'un d'eux grace a un arbre de manouvre, parallele a l'arbre a cames, qui comprend
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un mecanisme 50 avec un corps 34 qui coulisse, sa surface comprenant un rainurage helico-dal et un second rainurage longitudinal 47 qui l'empeche de tourner dans la piece 37 a 1'interieur des trous de guidage 46 par 1'ergot de positionnement 42. Ainsi necessairement, un degagement 43 est amenage dans le corps de l'arbre creux 32 afin de pouvoir visser la piece 35 par son rainurage 44 sur le corps de la piece 34. Cette piece vient alors s'engrener sur l'arbre 33 qui comprend un rainurage helicodal a fort angle d'helice qui permet, par sa senle rotation a l' interieur de l' arbre 32, de faire deplacer en
translation le bras support du linguet 15.
Pour cela, la rotation des arbres motorises A1 et A2 perrnet de donner a ce dernier trots degree de liberte grace a l'engrenage a vis 41 sur le secteur 38 et grace aussi a 1'engrenage entre les lo pigeons 36 et 40. Avantageusement, un quatrieme degree de liberte peut etre obtenu grace a l'arbre de commande A5 et des engrenages constitues par la roue dentee 39 qui en roulant sur le secteur
dense 52 amene 1'arbre 32 en legere translation longitudinale.
La figure 1 represente un linguet 15 avec 1'ensemble des elements qui composent sa
cinematique dont une came a fonction alternative.
La figure 2 represente un linguet 15 avec les elements de la cinematique qui le distingue de
la figure 1.
La figure 3 represente la course obtenue sur une rotation continue d'une came tournante sans
l'intermediaire d'un linguet dans un developpe partiel et dans un repere cartesien O y.
La figure 4 represente la course obtenue par le systeme integre au linguet sur une poussee constante representee en abscisse dans un repere Y. La figure 5 represente, a l'interieur des deux reperes O y et co Y done avec ['addition des deux abscisses avec toujours des vecteurs de deux origines, ['evolution de la courbe de la course de sortie du mouvernent en positionnant Y1 a la hauteur de Y2 en ordonnee. Ainsi les coordonnees des points dans les reperes c' Y se retrouvent dans une grille deformee avec un vecteur W Y a ['image de la courbe sur laquelle il s'ajoute, ici C B (Y) O B. La modification d'une courbe de levee de soupape par la cinematique interne du linguet (ou du culbuteur) equipe du systeme est due au fait qu'il constitue une sorte de rampe de raccord entre ['element menant et ltelement mene. Par la soustraction de la valeur de l'ordonnee Y1 Y2, elle se trouve remodelee par la courbe A B du repere Y. La position du vecteur mo a hauteur de y2 a permis de reduire la courbe d' evolution de ['entree de came d'une hauteur egale a c en supprimant la courbe e a. A cette reduction de la course d'entree stajoute la hauteur d qui correspond a la valeur de
B C (par soustraction de l'ordonnee Y).
Le deplacement de Y1 sur yl, dans une autre confguration, permet de modifier la loi de levee de la came tournante en ajoutant celle propre au mecanisme represente dans la figure 4. La 3s forte acceleration du linguet, avec sa faible inertie sur une course perdue, est acceptable entre e et a et m8me souhaitable du fait que la superposition d'une deuxieme loi sur cette entree de came permet
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- 5 de reduire ['acceleration entre e et a et de rendre cette fois acceptable son utilisation pour une levee
de soupape.
Les figures 6 et 7 representent un linguet a geometric variable a rattrapage de jeux automatique par ['extension des deux points geometriques de liaison et le point 2 de rotation sur le s bati. Un large appui 6 enl6 peut etre prevu pour la soupape ou des pieces mobiles intennediaires 19 sur un axe 20 par exemple. Ainsi, le linguet assure tonjours un contact permanent entre la came
rotative 18 et la soupape 17 a manccuvrer quelque soit la position de son axe sur une aire definie 29.
La figure 8 represente une sorte de bridge entre deux soupapes d' admission par une piece articulee autour de l'axe 22 avec une butee 23 autorisant sa rotation vers une seule des deux
1 0 soupapes.
La figure 9 represente un diagramme polaire d'ouverture de soupapes d'admission avec les variations de levee, de calage et d'angle pour un moteur a cylindree variable presentant la particularite de faire varier la position de son point mort haut et teas (P.M.H. et P.M..B.) entre la petite et la grande cylindree. Nous pouvons observer quelques positions d'ouverture et de fenmeture rendues possibles par le systeme propose avec, en abrege, des avances ou des retards a 1'ouverture
ou a la fermeture de ['admission.
Les figures 10 et 11 representent pour un meme deplacement de 1'axe 2 de rotation du linguet une variation du calage << Y >> ou une variation de la levee selon la position relative de la
came tournante.
Les figures 12, 13 et 14 representent en perspective deux linguets et un basculeur avec des proposition de construction et de cinematique. Nous pouvons observer la position des ressorts en
appui sur une goupille 27, la forme speciale de 1'appui 6 en 26, et le gales g sur 1'axe 7.
La figure 15 represente une culasse 28 en coupe dans une configuration integrant des culbuteursVa geometric variable. Nous pouvons voir les aires de deplacement des axes necessaires a
la variation du calage sur 35 de vilebrequin et a la variation de la hauteur de la levee de 0 a 10 mm.
Le deplacement 30 sufft a cette derriere manaeuvre. A droite chaque soupape est representee avec un culbuteur individual. Une piece53 montee sur les queues des soupapes perrnet de supprimer les disparites entre les cylindres dues a ['assemblage et a la fabrication. A gauche est represente, de face, le << bridge >> d' assemblage des deux soupapes qui permet d'utiliser un senl culbuteur en translation
sur son axe de commande pour lever une ou deux soupapes.
Les figures 16 et 17 representent une culasse en coupe et ses soupapes en plan avec un des deux linguets a geometric variable dans son contexte et les cornmandes qui les manccuvrent. Deux arbres 32 et 36 vent porteur respectivement d'un linguet pour 1'admission et d'un linguet pour l'echappement par chambre de combustion. Chaque linguet commande deux soupapes dans une
3s disposition utilisee chez AUDI ou OPEL par la superposition des conduits des gaz.
La figure 18 represente en coupe 1'ensemble des commandes motorisees qui agissent par le biais des deux arbres de commande comprenant chacun un arbre coaxial. Leur disposition reprend la
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configuration generale de la coupe precedente. Une disposition en eventail des moteurs M1, M2, M3
et M4 est proposee avec leur arbre A 1, A2, A3 et A4 qui font tourner les engrenages.
La figure 19 represente en plan la disposition des commandes des figures 16 et 18.
La figure 20 represente le mecanisme de commande complexe qui peut assurer au linguet quatre degree de liberte, ce qui permet d'extraire deux parametres par rotation des arbres coaxiaux et
un troisieme par leur translation axiale,ceci par chacune des commandes.
La figure 21 est une vue eclatee d'une partie du mecanisme de commande.
La figure 22 est une representation d'un linguet semblable a celui de la figure 12 sans la rampe 10 a course perdue grace a une butee de blocage 45 qui permet 1'alignement du gales sur la came I l.L'arbre de commande 32, avec un simple excentrique, oppose sa solution simple a celle complexe precedemment proposee. Avec ce choix la variation des trots parametres principaux
devient concomitante.
Par leur grande flexibilite d'utilisation ce linguet et ce culbuteur peuvent prendre place sur les moteurs actuels et sur les moteurs du ffitur a rapport volumetrique fortement variable qui laisse peu d'espace a 1'ouverture des soupapes. II peuvent avantageusement se dispenser de poussoirs hydrauliques intermediaire ou de systeme mecanique d'ajustage des jeux tout en reduisant considerablement ltencombrement utile par rapport aux premiers systemes a variations multiples
deja proposes.
De meme, il est evident que leur utilisation n'est pas exclusivement liee au mecanisme de commande et aux accessoires qui vent proposes sachant cependant que des mecanismes de ce genre
deviennent necessaires a leur usage.
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Claims (4)
1) Systeme mecanique de commande d'au moins une soupape sous ['action d'une came rotative, par exemple, pouvant comprendre une variation de la levee par l'intermediaire d'une came oscillante a course variable ou avec ['aide d'un basculeur autorisant un deplacement de la position d'un de ses appuis sur une face cintree grace a un mecanisme de commande pouvant comprendre un bras articule et une piece intermediaire de poussee sur les soupapes, caracterise par le fait que le mecanisme du systeme propose s'integre remarquablement a un linguet ou a un culbuteur, respectant son dimensionnement et sa fonction habituelle so* celle d'un << levier >> avec trots points d' action, 0 une entree du mouvement 48, une sortie 49 et 1'appui de rotation 2 de la piece qui permet la transformation du mouvement, le concept est remarquable par le fait que ce << levier >> grace a son mecanisme integre rattrape les jeux de construction mais aussi de positionnement, ceci grace a sa geometric variable mise en extension par un ressort 24 qui permet d'assurer en permanence 1'appui du point d'entree de mouvement, sur une came par exemple, et l'appui de sortie sur au moins une soupape ou sur un mecanisme intermediaire, ainsi avantageusement, le mecanisme interne peut assurer, sur une poussee d' entree constante, la transformation du mouvement soit une poussee nulle, selon les besoins, suivi tres progressivement d'une poussee fortement croissante jusqu'a la valeur du mouvement d'entree par un blocage interne du mecanisme qui permet d'entra,^ner ['ensemble du << levier>>, de meme, par des amenagements accessoires et facultatifs, la position donnee au << levier >> par rapport a ses appuis grace a un mecanisme 50 sur lequel il s'articule en 2 et a sa commande a trots ou quatre degree de liberte qui constitue un bras robotise, il devient possible d'agir sur plusieurs parametres et d'ouvrir selectivement une ou deux soupapes d'admission par
l'intermediaire d'une piece de liaison specifique 21 montee sur la queue des deux soupapes.
2) Systeme selon la revendication 1, caracterise par ses particularites constructives qui 2s permettent avec sur une poussee de valeur constante sur le point d'entree de mouvement 48 par une articulation du bras 1 sur l'axe 2, d'obtenir le deplacement d'un gales, angles et p, sur le profl 11 de roulement d'une came qui fait basculer la piece 5 autour de l'axe 4 situe a l'extremite du bras 3, lui meme articule sur l'axe 2 du linguet 15, ainsi le dessin du profil l l de la came de roulement peut amener le deplacement du gales 8 a une valeur oo, c'est l'arc-boutement, il doit se faire de preference tres rapidement au moment ou les valeurs d'entree de mouvement sur le point 48 vent sensiblement egales a celles de sortie, l'equilibre se faisant sinon de lui meme quand les deux mouvements vent en raison directe, sur ce mecanisme, un ressort 24 assure ['extension de cette sorte de parallelograrnme compose plus precisement de deux basculeurs articules l'un sur l'autre avec une
poussee d' entree qui les ecarte progressivement comme le ferait un coin, de plus en plus vivement.
3s
3) Systeme selon la revendication 1 caracterise par un mecanisme interne au << levier >> qui transforme une poussee de valeur constante sur le point d'entree 48 du mouvement par ['articulation du bras l sur l'axe 2 avec un montage en boucle des pieces 1 - 3 - 51 et 14 dans un systeme de type
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quatre barres avec pour axe les points geometriques 2 - 12 - 13 et 4, le bras I est de preference plus long que le bras 3 et tous les deux vent ecartes par un ressort 24,1'ouverture de cette sorte de compas est limitee par les deux biellettes 51 et 14 qui vent de dimension nettement inferieure, la biellette 14 pouvant etre un simple excentrique, avec sur la biellette 51 un prolongement 5 permettant d'augmenter 1'ampleur du basculement de sa liaison, ainsi se retrouve dans cette disposition le << levier >> 1S, dans vent ensemble, semblable a la proposition precedente avec une course perdue jusqu ' a une position ou le mouvement d ' entree se trouve progressivement transforme, d' abord tres fortement demultiplie, il est de valeur fortement croissante au niveau du gales d'appui 26 jusqu'a depasser ['amplitude du mouvement d'entree ce qui le ramene automatiquement a un point
l O d'equilibre qui ne passe pas necessairement par un point mort obtenu par l'alignement de trots axes.
4) Systeme selon la revendication 1 caracterise par un mecanisme similaire a une sorte de << bridge >>, il permet l'accouplement des queues des soupapes d'admission sur des appuis a plans courbes emmanches a leur extremite pour la qualite des surfaces de contact assurees a la piece de liaison 21, cette liaison est maintenue par des axes transversaux 31 avec, a une de ses extremites, une butee 23 en dessous de 1'axe geometrique 22 de la queue d'une des soupapes 17 qui permet, par exemple, un deplacement du linguet 15 autour d'une came tournante de poussee, ahm de deplacer le point d'appui 49 soit vers la liaison bloquee par la butee, soit vers 1'autre soupape qui 1'amene, scale, a s'effacer avec la piece de liaison, sous la poussee, comme le plateau d'une balance desequilibree, I'axe 22 sert alors au pivotement, a ['inverse le desequilibre oppose entraine les deux
soupapes, la piece de liaison ne pouvant pas tourner.
) Systeme selon la revendication 1, caracterise par le mecanisme support du << levier >> qui permet de le positionner selon trots axes X, Y et Z avec une rotation sur l'un d'eux grace a un arbre de manccovre, parallele a l'arbre a cames, qui comprend un mecanisme 50 avec un corps 34 qui coulisse, sa surface comprenant un rainurage helicodal et un second rainurage longitudinal 47 qui l'empeche de tourner dans la piece 37 a l'interieur des trous de gudage 46 par ['ergot de positionnement 42, ainsi necessairement, un degagement 43 est amenage dans le corps de l'arbre creux 32 afin de pouvoir visser la piece 35 par son rainurage 44 sur le corps de la piece 34, cette piece vient alors s'engrener sur l'arbre 33 qui comprend un rainurage helicodal a fort angle d'helice qui permet, par sa seule rotation a l'interieur de l'arbre 32, de faire deplacer en translation le bras support du linguet 15, pour cela, la rotation des arbres motorises A1 et A2 permet de donner a ce dernier trots degree de liberte grace a l'engrenage a vis 41 sur le secteur 38 et grace aussi a l'engrenage entre les pigeons 36 et 40. Avantageusement, un quatrieme degree de liberte peut etre obtenu grace a l'arbre de commande A5 et des engrenages constitues par la roue dentee 39 qui en
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