FR3133223A1 - Bielle active et améliorations des performances de la transformation du mouvement alternatif en mouvement rotatif ou inversement - Google Patents

Abstract

Figure à publier avec l’abrégé: figure 1Emploi d’un système vilebrequin-bielle doté d’un mécanisme simple mais nouveau, qui améliore les transferts de puissance, pilote le système à cette fin en fonction de la trajectoire de la force extérieure (rectiligne alternative ou elliptique).Ce principe mécanique est adaptable à la plupart des systèmes mécaniques habituels (moteur thermique, pompe, manivelle cadre etc…) de transformation du mouvement alternatif en mouvement circulaire et inversement.Un système de cinq ou six engrenages ou deux et quatre roues dentées récupère le mouvement et la force de la bielle, les renvoie vers le vilebrequin à l’aide d’un appui extérieur et inversement.Bielle et vilebrequin sont synchronisés tels que :Le système guide le déplacement de la tête de bielle sur la trajectoire de la force extérieure. La puissance fournie au système est totalement transmise par celui-ci. Le système devient le guide de la trajectoire de nouvelles machines : hydrolienne, éolienne etc…

Description

Bielle active et améliorations des performances de la transformation du mouvement alternatif en mouvement rotatif ou inversement

Adapter un système vilebrequin-bielle à un mécanisme simple mais nouveau qui améliore les transferts de puissance. Pour que toute la puissance fournie à/restituée par la bielle, soit récupérée ; elle et le vilebrequin sont couplés par ce mécanisme qui, en outre, pilote la trajectoire du système (la tête de bielle) au point d’application et dans la direction de la force à récupérer ou à transmettre. La bielle « folle » comme les pertes de puissance en tête de bielle sont éliminées : le système s’autoguide et s’adapte à de nouveaux usages.

Ce principe mécanique est adaptable à l’ensemble des systèmes totalement mécaniques existants de transformation mouvement alternatif en mouvement circulaire et inversement: moteur thermique, pompe, manivelle cadre etc…
Ses qualités lui permettront de s’imposer dans des domaines plus complexes où le système bielle-vilebrequin au regard de ses qualités passables (rendement et surtout trajectoire) est encore absent : vélo ou à inventer : hydro/éolienne par exemple.

Etat de la technique antérieur

Les recherches les plus avancées concernent le pédalier de vélo de compétition .1 avec un système bielle-vilebrequin à la place de la manivelle et deux roues dentées( dont une est fixe) pour transformer la trajectoire en ellipse; elles sont peu concluantes, entrainant une forte perte de puissance (force sur la bielle) due à l’utilisation de la roue fixe.
Le système bielle-vilebrequin des moteurs thermiques avec une bielle folle qui ne transmet directement aucune énergie, a très peu évolué (excentricité du vilebrequin) et d’autres systèmes thermiques très innovants ne s’imposent pas.

Solution technique

Une brève explication du principe mécanique pour mieux s’y retrouver : . .
En partant du système déjà évoqué pour le vélo .1 un engrenage fixé au vélo sur l’axe de l’arbre du vilebrequin est couplé à un engrenage fixe avec la bielle sur l’axe de l’articulation vilebrequin/bielle si, en vue externe, les deux tournent du même angle en sens opposé et que la bielle et le vilebrequin sont de même longueur, la tête de bielle et, donc, la pédale décrivent une ligne droite passant par l’axe de l’arbre. Pour cela, si le vilebrequin avance d’un pas, la bielle doit dans l’autre sens reculer d’un pas de compensation et d’un deuxième pour se mettre au niveau. Inconvénients, la force de la bielle et son énergie ne peuvent être récupérer par un objet fixe et la bielle tourne librement autour de l’engrenage fixe(mauvaise trajectoire).si la trajectoire de la tête de bielle n’est pas guidée dans son mouvement rectiligne alternatif.
Solution simple A .2: .
L’engrenage fixé au vélo doit être, au contraire, fixé avec le vilebrequin! Ce n’est plus un rapport de un à deux qu’il faut entre les engrenages mais un rapport de un à trois ! Bielle et vilebrequin sont couplés directement, le mécanisme de synchronisation doit prendre en compte l’ensemble des mouvements, donc deux pour la bielle (satellite) plus un pour le vilebrequin (planète) donc trois : en fait les engrenages roulent ‘l’un sur l’autre pendant les mouvements en sens contraires et « absorbent » ce que tourne la planète
Nous récupérons la force exercée sur la bielle directement par l’engrenage lié au vilebrequin si la tête de bielle est solidement guidée sur sa trajectoire linéaire. La bielle est toujours libre en rotation autour de l’engrenage du vilebrequin donc sortie de trajectoire ou tension et perte de force sur le guide de tête de bielle comme usure du guide, piston etc... De plus lorsque bielle et vilebrequin sont alignés si la force de résistance est active et importante (exemple : voiture en montée) le mouvement du vilebrequin peut s’inverser et donc blocage/calage du système…

Solution complète B .3: .
Cette solution permet d’éliminer la sortie de trajectoire, le blocage et conserve le bon transfert des forces : la tête de bielle est complètement guidée dans son mouvement linéaire alternatif par le système d’engrenages qui relie vilebrequin et bielle. Elle est utilisable dans des solutions où le système est le guide du mouvement (pédale de vélo, hydrolienne etc…)

Description détaillée de ce système :
Un système de cinq ou six engrenages ou deux et quatre roues dentées récupère la composante tangentielle de la force extérieure sur la bielle, force qui est perdue avec l’existant, et guide le mouvement. Cette force pour être rendue, est renvoyée vers le vilebrequin à l’aide d’un appui extérieur. C’est cet appui qui élimine le degré de liberté en rotation restant à la bielle et la guide.

Mouvement guidé : en même temps, les mouvements bielle/vilebrequin sont synchronisés pour que la tête de bielle se maintienne sur la trajectoire rectiligne de la force extérieure (alternatif vers rotatif) ou du mouvement à transmettre (rotatif vers alternatif).Les forces latérales sur la tête de bielle sont supprimées
Le système maximise les transferts de la force extérieure (à récupérer / transmettre) sur la bielle et le vilebrequin. Le rôle de la bielle est prépondérant aussi grâce à la synergie force-vitesse (parallélisme) assurée sur celle-ci qui résulte de sa nouvelle trajectoire (particulièrement pour le mouvement rectiligne). Le transfert de puissance est total. Le système modifie radicalement la trajectoire de la bielle et surtout son rôle qui passe à transmetteur de puissance et transformateur de trajectoire.
Les .3 et .4 permettent d’appréhender dynamiquement le système.
La détaille des répartitions de puissance sur la bielle et le vilebrequin.
La détaille le système de forces et confirme que la puissance efficace sur la bielle est totalement transmise au vilebrequin par le système d’engrenages et qu’elle se cumule avec la puissance efficace sur le vilebrequin de telle sorte que la puissance de sortie égale celle d’entrée (au rendement près – non négligeable - des engrenages).

Description détaillée

Aide avec la et la . Le palier (1) et son support(14) (carter de moteur, cadre de vélo, autres…) maintiennent l’arbre(11) du vilebrequin(5) avec la machine (11 et 5 sont solidarisés), sur l’axe(8) libre en rotation dans la tête de vilebrequin vient se fixer le pied de bielle(6) du côté opposé au palier. Ils (6 et 8) sont couplés avec l’engrenage (roue)(9). En tête de bielle un axe libre en rotation fait la liaison avec la pièce motrice (pédale(7), pied de piston, etc…). L’engrenage(9) renvoie vers l’engrenage(4) libre en rotation sur l’arbre(11), l’engrenage(4) est couplé avec un engrenage (roue)(15) (ou ne sont qu’un). Celui-ci(15) renvoie vers l’engrenage(10) extérieur au système, libre en rotation sur ou avec l’arbre(16) supporté par le châssis/palier(1) par la pièce support(2). L’engrenage(10) est couple avec l’engrenage(13) également libre en rotation sur ou avec (16). Enfin l’engrenage(13) renvoie vers l’engrenage(3) fixé à l’arbre de vilebrequin(11). Celui-ci(3) converti le mouvement de synchronisation à appliquer au vilebrequin tout en transmettant la puissance exercée sur la bielle(6) à l’arbre(11) : tels que correspondent à un tour de bielle, un tiers de tour de vilebrequin.

Mode de réalisation de l’invention

: Requis: la bielle(8) et (9) (comme (13) dans cette description détaillée) font trois tours pour un tour de (3)

Soient les diamètres ou nombres de dents = D, sur le schéma avec des engrenages (d’autres solutions existent !)
D(4)=D(9) et Dia(4)+Dia(9)= 2 * entre-axes bielle(6), D(10)=D(15),
D(3)= 3 * D(13) et D(10)+D(15)=D(3)+D(13)
Le système bielle-vilebrequin ouvert/non plié doit être sur le grand axe ou la droite de la trajectoire recherchée.
Le choix engrenage ou roue dentée est lié au contexte d’utilisation: dimensions, poids, puissance, contraintes mécaniques et coût en particulier.

Problèmes techniques

Le deuxième point d’appui extérieur pour un arbre (16) (soit libre en rotation uniquement ou avec des engrenages/roues libres en rotation sur lui) qui permet le guidage de bielle, les quatre engrenages supplémentaires, les pertes et les coûts engendrés. Cet arbre(16) peut être utile :
La bielle tourne complètement autour de l’arbre de vilebrequin. Pour un système unique, elle est à l’extrémité et extérieure aux supports du vilebrequin. Il en découle un porte-à-faux important mais une occupation réduite. Pour les machines utilisant plusieurs systèmes voir le paragraphe « Moteurs thermiques »

Le porte-à-faux du système important. Si utilisation de plusieurs bielles, les lier par couples pour minimiser ce problème

Les points morts haut et bas sont plus courts mais restent difficiles à passer: un volant d’inertie y est toujours nécessaire comme dans les systèmes existants, pour l’équilibrage aussi.

Le système doit être adapté aux caractéristiques de chaque machine .

Il n’est pas l’objet d’en faire le tour. Pour la plupart (mono), il suffit de recentrer le matériel sur l’axe de vilebrequin.
Regardons un système peu favorable : le moteur thermique et deux systèmes ouvrants vers de nouvelles perspectives.

Adaptation à un moteur thermique (alternatif vers rotatif):

Systèmes en série : La bielle tournant autour de l’arbre de vilebrequin, l’utilisation de l’innovation comme dans le moteur classique est impossible sauf à faire supporter deux mouvements différents à l’axe(8). Pour ces machines, une adaptation plus importante est nécessaire (voir ) en utilisant et redimensionnant l’arbre (16) comme arbre moteur/transmetteur, l’ancien arbre moteur synchronise deux dispositifs vilebrequin-bielle (« groupes » de la ) et transfert vers le nouvel arbre « moteur ». Cet arbre moteur tourne trois fois plus vite.
Pour tous les systèmes (mono ou multiple) voir .1/2/3:
Le gain de puissance entre le système existant pour un moteur varie de plus de 40% (petite bielle B=1,5V) descendant à moins de 10% (bielle moyenne B=3V et plus) ne compensant pas les pertes sur les engrenages donc sans intérêt.
On peut retourner le problème : c’est la longueur de bielle qui n’a plus d’intérêt pour la conservation de puissance (et exit pb en tête de bielle).
Du point de vue mécanique : Cette solution est simple et n’est pas dénuée d’avantages (dimension de la bielle et du pied de piston (encombrement), forces réduites sur les cylindres et chemises). Le maximum de puissance est retardé de 40° (1,5V) à 20°(3V). Dans un moteur classique pour synchroniser les max.(combustion-bielle tangentielle), l’allumage est provoqué une vingtaine de degré avant le PMH en pleine compression : un gain de puissance important possible ici à quantifier ! Allonger la bielle, diminuer le piston donc augmenter la vitesse au détriment du couple et en même temps reculer encore l’allumage…
Pour les petites bielles, c’est OK ! Après, aux motoristes de voir.

Adaptation à un vélo :

Voir la qui est explicite avec une adaptation simple.
Voir , une adaptation mécanique où l’appui extérieur est déplacé. C’est le vilebrequin qui se substitute pour transmettre le mouvement tout en servant de carter de protection au système. Il récupère le mouvement de la bielle par un système d’engrenages de type épicycloïdal dont il est la couronne. Ces engrenages sont liés au cadre du vélo au niveau de la sortie d’arbre de vilebrequin. Les plateaux du vélo sont fixés au vilebrequin-carter et tournent avec lui. Cette évolution reste plus performante que le pédale classique mais ne permet pas d’optimiser les avantages que ce système procure : ici usage du talon du cycliste et ailleurs bien d’autres choses…
Voir la montage avec deux systèmes pour une pédale longue où les forces peuvent être exercées par l’avant pied ou par le talon (fort couple et petite vitesse) pour les montées par exemple ou soulager le jambier.

Adaptation à une hydrolienne ou une éolienne :

C’est le même montage que le précédent à adapter à ce nouvel usage en montage et en dimension en remplaçant pédale par aile ou foil et en adaptant les longueurs de bras et les angles aux performances recherchées. En l’absence de volant d’inertie, il faut deux ailes décalées de 90° (180° pour le vélo) pour passer les points morts. Il faut également qu’elles soient fixées aux deux extrémités par le système donc quatre bielles-vilebrequins par aile et pas de bord de fuite.
Eau ou air ? : mais ici ça ne tourne pas, ça oscille.

Commencer par une hydrolienne pour courant des marées, il y a de quoi faire en Bretagne et en Manche (au moins 3000MW comme une bonne dizaine de centrales). Avantages : constance (sens), régularité (débit), cyclicité, prédictibilité, vitesse faible, forte puissance et pas de tempête et ici alternativité : notre système fonctionne dans les deux sens ! Le système peut être statique, et par moins de 50m donc accessible mais discret. Ça c’est pour le courant, pour les machines existantes (turbines de 20 mètres etc.) : chers, dangereuses (vitesse en bout d’aile, delta de vitesses avec le bout, le centre et le courant), sophistiquées (maintenance), fragile etc… Notre système qui n’utilise que la portance, est simple, robuste, économique, écologique et tolérable par la faune marine : vitesse. L’aile monte et descend sur une ellipse face au courant évitant turbulences et cavitation.
Voir Une simulation pour une éolienne avec un vent de 40 km/h et une aile à 20km/h ; c’est le vent apparent qui permet de positionner l’aile avec la meilleure portance. Cela donne les longueurs des bras (B et V) et les inclinaisons entre eux quatre. Programme à adapter à la portance de l’eau par la vitesse et l’attaque. Vue en coupe.

Marée : le courant efficace commence à 2m/s et à 4m/s les turbines explosent (les perfs pour l’instant), le système ira plus loin. Le courant apparent bien faible comme les modifications sur les bras de quelques degrés en fonction de portance de l’eau de mer à calculer, il faut « juste » dimensionner de grandes machines pour un maximum de puissance.

Présentation des figures

- : schéma des solutions et cinématique du système
- : schéma mécanique simplifié du système - .1 vue de dessus - .1 vue de gauche - .2 vue de droite
- : Comparaison des courbes de puissance sur un demi-tour avec unevitesse de rotationuniforme et égale des vilebrequins, une force constante(intensité et direction) et pour le moteur thermique, une bielle trois fois plus grande que la manivelle de son vilebrequin, celle-ci étant égale à la somme vilebrequin et bielle de notre système (même longueur/hauteur de course) .Pour ce moteur, en fonction de la longueur de la bielle, la puissance irait avec une bielle au plus petit (égale à la manivelle du vilebrequin) de deux fois la puissance radiale de notre système (manivelle x 2) jusqu’à, pour une bielle infinie, la puissance totale de notre système et donc un maximum égal à celui de la puissance totale de notre système (couple x 2 contre vitesse / 2).

Pour un vélo avec une force de 10 kgf et 80 RPM (rotation par mn) par exemple, les résultats seraient identiques sur le deuxième demi-tour avec la même force inverse. Mais hauteurs de course et longueurs de course ne peuvent pas être identiques : soit les hauteurs sont identiques (pédale de 17cm donc 34 cm) alors les puissances sont les mêmes (89 Watts) mais les vitesses linéaires sont de 1,43m/s pour l’existant contre 0,91 m/s avec notre système (fatigue) ou soit les longueurs (107cm) et donc les vitesses linéaires sont identiques : toujours 89 Watts contre 140Watts ici, maximum supérieur, meilleure répartition et donc gain global de 57% à pondérer en fonction de la direction de la force de la jambe.
Voir les calculs de puissance et la : le logiciel qui créant ces courbes.


- : schéma mécanique simplifié du système – Adaptation au moteur
- : schéma mécanique simplifié – Adaptation simple au vélo
- : schéma mécanique simplifié – Adaptation compact mais complexe au vélo
- : schéma des forces et calcul des puissances. La trajectoire rectiligne permet des calculs simples.
- : Une vue du logiciel qui matérialise les mouvements du système en calculant l’ensemble des données nécessaires et résultantes avec un montage à deux bras. Il permet de calculer les vitesses sur des ellipses et donc de contrôler la vitesse de la bielle.
- : Le logiciel qui optimise l’angle d’attaque de l’aile de la machine pour coller à la meilleure portance en fonction du courant apparent, ici une éolienne et le vent.
- : Adaptation sur un vélo d’une pédale longue pour répartir l’effort entre avant-pied et talon. Seul l’avant-pied peut être bloqué, le talon est utilisé pour soulager ou les efforts intenses.

Claims (1)

1. Améliorations de la transformation du mouvement elliptique ou alternatif en mouvement rotatif et inversement. La réalisation de ces améliorations implique l’utilisation d’un système vilebrequin-bielle et d’y adjoindre, un système mécanique nouveau caractérisé en ce qu’il permet lepilotagede la trajectoire de la bielle par le contrôle des rotations de celle-ci et du vilebrequin, et que la puissance sortante (hors frottements) est égale à puissance entrante avec letransferttotal de la force tangentielle sur la bielle. Ce système mécanique qui synchronise le mouvement de la bielle et du vilebrequin débute/finit par la bielle(6) liée l’arbre bielle-vilebrequin(8) et un premier engrenage(9) lié à cet arbre et donc au mouvement de la bielle, celui-ci renvoie vers un deuxième engrenage(4) sur l’axe de l’arbre(11) de vilebrequin puis vers un troisième engrenage(15) couplé avec le deuxième engrenage(4) sur cet axe, son mouvement(15) est transféré vers un quatrième engrenage(10) sur un arbre extérieur(16) au système dont le support est identique au support du vilebrequin (carter de la machine par exemple) , et est renvoyé par un cinquième engrenage(13) couplé au quatrième engrenage(10) sur ce nouvel arbre(16) vers le sixième et dernier engrenage(3) pour finir/débuter sur l’arbre de vilebrequin(11) avec qui il est lié. Seuls, le premier et le sixième engrenage, sont solidarisés avec les arbres, les quatre autres sont libres en rotation mais couplés deux à deux et pour un tour du premier (bielle), le sixième ne fait qu’un tiers de tour (vilebrequin). En somme, bielle et vilebrequin tournent ensemble de ce qu’ils doivent pour que la bielle ait un mouvement rectiligne alternatif (pour ce cas : longueurs de bielle et de vilebrequin sont égales) et que l’énergie fournit à l’un, soit transmise à l’autre.
   Cette revendication définit totalement l’invention par la description d’un exemple d’un système mécanique simple incorporé au dispositif bielle-manivelle pour parvenir à ces améliorations (pilotage-transfert). Les descriptions de diverses adaptations détaillent soit, sur le même principe, un système mécanique plus complexe et/ou surtout des exemples d’adaptations mécaniques à des utilisations avec des machines très différentes qui mettent en valeur les qualités intrinsèques de ce nouveau dispositif et son adaptabilité à des dispositifs existants ou nouveaux: en particulier des hydro/éoliennes à classer comme « verticales » mais avec un positionnement idéal de l’aile dans sa trajectoire très elliptique.
   A ces exemples d’adaptation s’ajoutent bien sûr d’autres combinaisons.