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" Perfectionnements aux moteurs ".
La présente invention est relative aux moteurs à plusieurs cylindres en étoile, et vise, plus particulièrement, le mécanisme du vilebrequin et des bielles d'un tel moteur.
Le moteur conforme à l'invention comprend : des pistons cou- lissant dans plusieurs cylindres disposés en étoile autour d'un arbre vilebrequin; une bague tourillonnant sur un maneton du vile- brequin ; des bielles, chacune d'elles étant articulée par l'une de ses extrémités sur la bague ét par l'autre sur le piston corres- pondant;
ce moteur est caractérisé plus particulièrement par la
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présence de moyens prévus (pour empêcher la rotation de la bague, au cours de son mouvement,de translation circulaire avec le vile- brequin, ces moyens étant disposés de telle sorte que l'axe d'ar- ticulation entre chaque bielle et la bague, au point mort, est décalé par rapport à l'axe du cylindre, dans le sens opposé à ce- lui de la rotation du vilebrequin, l'arc de ce décalage, mesuré suivant la'bague, étant aussi grand que possible sans provoquer de renversement du couple sur la bague, au cours du fonctionne- ment du moteur.
L'invention vise, en outre, un moteur qui comprend un arbre comportant un maneton, une bague tourillonnant sur le maneton; une série circulaire de portées pour plusieurs bielles; un pignon pla- nétaire fixe co-axial avec l'arbre; un pignon porté par la bague et concentrique à celle-ci et une paire de pignons satellites co- axiaux fixes entre eux, tournant sur un axe parallèle à celui de l'arbre et supportés par celui-ci; chacun des satellites engrenant avec l'un des pignons mentionnés précédemment;
ce moteur étant caractérisé par ce fait que la disposition des pièces est telle que les axes respectifs de l'arbre, du maneton, et des pignons satellites se trouvent dans un même plan, et que la rotation de l'arbre provoque une translation circulaire de la bague avec l' arbre vilebrequin, cependant que les pignons l'empêchent de tour- ner sur son axe.
On va décrire l'invention dans le cas d'un moteur à combus- tion interne à onze cylindres, à arbre vilebrequin vertical, mais le nombre des cylindres importe peu et, d'autre part, il est pos- sible d'obtenir la plupart des avantages du moteur perfectionné, quelle que soit la position de l'arbre.
Dans les moteurs en étoile, à un seul vilebrequin, il est courant de prévoir une bielle maitresse pour l'un des pistons et d'articuler les bielles de tous les autres pistons sur des manetons répartis autour de l'anneau de la bielle maîtresse. Il résulte de cette disposition que l'un des pistons est plus chargé que les
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autres, ce qui dérègle dé diverses manières le synchronisme des actions s'exerçant dans tous les autres cylindres. Afin d'éviter cet inconvénient, on a proposé de faire appel à une bague touril- lonnant sur le maneton du vilebrequin et que l'on empêche de tour- ner au cours de sa translation circulaire avec le maneton. Toutes les bielles sont liées à cette bague. Une telle disposition est appliquée à tous les cylindres et n'impose aucune charge excessive à un piston plutôt qu'à un autre.
On a proposé, dans ce but, d'uti- liser des trains planétaires.
La présente invention utilise un train planétaire spécial présentant des avantages irréalisables jusqu'alors. Ce train est simple et il peut être avantageusement logé dans une partie du contrepoids du vilebrequin et constitue ainsi une partie utile de la masse du contre-poids. On peut ainsi réduire au minimum la mas- se totale du vilebrequin et du contre-poids, ainsi que les dimen- sions du carter moteur.
Une autre caractéristique importante réside dans la construo- tion de la bague mobile sous la forme d'une seule pièce constituée par un manchon ayant deux brides ou joues écartées l'une de l'au- tre, entre lesquelles sont reçues les extraites des bielles, à l'extrémité de chaque bielle est fixé un axe et l'extrémité de chaque axe constitue un tourillon tournant dans un manchon de pa- lier correspondant fixé dans l'une des brides de la bague. n con- séquence, la bielle est supportée par deux paliers très écartés l'un de l'autre à l'extrémité du vilebrequin et ne peut transmet- tre au piston qui lui est relié aucune poussée latérale exercée dans le sens de l'axe de pied de bielle auxiliaire.
En effet, ces poussées latérales sont occasionnées par les vibrations dans les moteurs en étoile de la technique antérieure et il semble qu'elles sont plus importantes qu'on ne l'a généralement admis jusqu'ici.
Lorsque l'axe du vilebrequin est vertical, la pesanteur provoque une poussée latérale considérable s'exerçant de la tige sur le pis-. ton, à moins que l'on utilise le ,mode de construction de l'inven-
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tion, dans lequel la bielle est supportée par des tourillons écar- tés l'un de l'autre et agità la manière d'une poutre encastrée en porte-à-faux, de sorte que son axe de pied de bielle n'est pas soutenu etn'impose par suite aucune charge sur le piston.
La seule charge imposée par la bague sur la train d'engre- nages est celle nécessaire pour empêcher la rotation de la bague.
L'étude desréactions instantanées desbielles sur la bague, lors- que le vilebrequin décrit l'arc correspondant à l'angle séparant les axes de deux cylindres successifs, a conduit la demanderesse à découvrir qu'il est possible de limiter les efforts de rotation à une valeur maximum plus faible, en imprimant à la bague une lé- gère rotation dans le sens opposé à celui de la rotation du vile- brequin et en la calant dans cette position.
Par exemple, lorsque le vilebrequin se trouve à son point mort ( côté culasse ) pour un cylindre quelconque, le centre de l'axe qui relie la bielle de ce cylindre à la bague est décalé d'environ 2 degrés d' un arc mesuré vers l'arrière sur la bague, par rapport à la droite tracée par le centre du vilebrequin et le centre de l'axe de pied de bielle.
Lorsqu'on augmente l'angle de décalage, le moment de rota- tion maximum diminue, mais la marge de variation de ce moment aug- mente. La valeur critique est atteinte lorsque la valeur minimum s'approche de zéro, car cette condition comporte le risque d'un renversement du moment de rotation, renversement inadmissible par- ce qu'il entraînerait un renversement de la charge sur les pignons.
Le décalage maximum admissible est fonction, avant tout, du nombre de cylindres et de l'allure du diagramme d'indicateur du moteur. Pour le moteur représenté, qui est un moteur à combustion interne, à onze cylindres à deux temps et à balayage par lumière 3, la charge maximum sur les pignons était d'environ 343 kg/cm2 pour un décalage nul, d'environ 238 kg/cm2 pour un déplacement d'un de- gré et d'environ 105 kg/cm2 pour un décalage de 2 degrés. Cette dernière valeur a donné un minimum de 35 kg/cm2, valeur qui est
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nettement positive et pe par suite être adoptée en toute sécuri- té ; aussi a-t-on adopté l'angle de déplacement de 2 , d'autant plus que le décalage de 3 a conduit à des renversements graves du moment de rotation.
On va maintenant décrire l'invention en se référant au dessin .annexé sur lequel :
La figure 1 est une vue en plan, partiellement en coupe et schématique pour la plus grande partie.
La figure 2 est une coupe verticale axiale du moteur. La cou- pe est faite.suivant l'axe des pignons satellites et du maneton du vilebrequin; l'échelle de cette figure est supérieure à celle de la figure 1.
La figure 3 est une vue en plan du carter moteur, couvercle enlevé, à la même échelle que la figure 2. L'enlèvement du couvercle entraîne celui du pignon planétaire qui y est fixé, mais ce pignon a néanmoins été représenté à sa position normale sur la figure 3, de manière à faire apparaître l'ensemble du train.
La figure 4 est une vue des pignons satellites du différen- tiel montrant les pas des dentures hélicoïdales.
La figure 5 est une coupe de l'extrémité du vilebrequin d' @ une bielle, le Plan/coupe est indiqué par 5,5 sur la figure 6, à une échelle supérieure à celle des figures 2 et 3.
La figure 6 est une coupe suivant 6 - 6 de la figure 5.
La figure 7 est un diagramme des moments de rotation de la bague tournante, tracé pour un arc égal au onzième de 360 (c'est- à-dire 32,73 ) et pour des décalages vers l'arrière de 0 à 5 par intervalles de 1 .
En se reportant d'abord à la figure 2, on voit que le bâti 11 du moteur est constitué par le carter moteur. Celui-ci comporte un couvercle amovible 12 boulonné en place, les boulons n'étant pas représentés sur la figure 2. Les trous pour les boulons'de fixation du couvercle sont indiqués en 10 sur les figures 1 et 3.
Le vilebrequin vertical qui caractérise le moteur représenté porte la référence générale 13 et comporte une portée principale 14 qui
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tourne dans le coussinet 15 de palier principal. Il comporte, en outre, une portée plus pétite 16 qui tourillonne dans le coussi- net de palier 17 ménagé dans le couvercle 12. Un court prolonge- ment 18 à l'extrémité supérieure de l'arbre sert à entraîner cer- tains mécanismes non représentés synchronisés avec le moteur et qui ne sont pas visés par la présente invention. Le couple moteur est transmis par l'extrémité inférieure de l'arbre 13.
L'arbre est constitué en deux pièces, qui peuvent être cou- lées. Au-dessus de la portée principale 14, se trouve une flasque 19 faisant corps avec l'arbre vilebrequin 13 et comportant un con- trepoids 21. Le maneton de vilebrequin 22 fait également corps avec la flasque 19. L'extrémité supérieure du maneton présente un diamètre réduit comme l'indique la ligne pointillée 23 et est ser- rée et clavetée à une seconde flasque de vilebrequin 24. La flas- que 24 fait corps avec la partie supérieure de l'arbre vilebrequin dans lequel est pourvue la portée 16. Il n'y a rien de nouveau dans la manière dont les pièces 23 et 24 sont clavetées l'une avec l'autre et ce point de détail n'a pas été représenté.
On peut men- tionner néanmoins que le boulon 25 est un boulon sécant qui, non seulement serre l'élément 24 sur l'extrémité réduite du maneton 22, mais joue aussi le rôle d'une clavette.
L'organe 24 est pourvu d'un contrepoids 26 qui est évidé, comme on le décrira plus loin, de manière à loger des pignons sa- tellites qui font partie du train d'engrenages caractérisant l'in- vention.
La figure 1 montre l'aspect général du moteur vu en plan.
On y voit que le couvercle 12 du carter moteur est enlevé. Il y a onze cylindres 27 disposés en étoile, chacun de ces cylindres con- tient le piston à fourreau usuel 28. Les pistons sont représentés en pointillé. Une partie de l'un des pistons est visible sur la gauche de la figure 2. IL chaque piston est articulée une bielle correspondante 31, au moyen d'un axe de pied de bielle 29 de forme usuelle. Ces bielles sont toutes articulées ou fixées entre les
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joues dtun élément 32 que, à défaut d'un nom plus approprié, on va désigner dans ce qui suit par Il bague ".
On voit sur les figures 2 et 3 que la bague 32 porte un man- chon de palier 33 qui tourne sur le maneton de vilebrequin 22.
Une collerette prévue à l'extrémité inférieure du coussinet 33 sert de portée de palier de butée. Le vilebrequin étant vertical, il suffit.d'une seule portée de ce genre. La bague 32 comporte deux brides ou joues extérieures 34 et 35 qui sont écartées l'une de l'autre et qui sont percées à intervalles réguliers, le long de leur circonférence, de trous destinés à recevoir des coussi- nets de palier 36. Les coussinets prévus dans les joues 34 sont alignés axialement avec ceux placés dans la joue 35. Chaque cous- sinet porte une bride 37 à son extrémité inférieure, de sorte que ces coussinets ont pour effet de maintenir contre tout mouvement latéral les extrémités de la bielle correspondante 31 qui y est introduite.
Dans l'extrémité intérieure de chaque bielle 31 est fixé un axe de tourillonnement 38 qui tourillonne dans les cous- sinets de paliers 36.
Le mode de fixation de l'axe 38 dans l'extrémité d'une biel- le 31 sera compris plus clairement par un examen des figures 2, 5 et 6. L'extrémité 41 de la bielle est percée pour recevoir l'axe 38 et est fendue, comme on l'a indiqué,en 42, de manière à pouvoir être resserrée. Deux charabrages 43 et 44 sont pratiqués dans l'ex- trémité de la bielle ; ledernier chambrage est percé de manière à couper l'alésage qui reçoit l'axe 38. Les alésages 43 et 44 re- çoivent des boulons 45 qui ont pour effet de comprimer ou de con- tracter l'oeil de la bielle autour de l'axe 38. L'un d'eux sert aussi de clavette qui empêche l'axe de se déplacer.
Le mode de construction que l'on vient de décrire permet une grande facilité d'assemblage parce qu'il est possible d'introduire l'axe après avoir introduit l'extrémité de la bielle entre les joues. Après avoir mis en place l'axe, on le verrouille en intro- duisant et en bloquant les boulons 45.
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Une denture 46 est baillée µ. la périphérie de la joue 34.
La roue dentée ainsi formée sera dans ce qui suit appelée " roue dentée orbitale ". Cette roue dentée est oo-axiale avec le mane- ton 22. Un planétaire: 47 est fixé sur le couvercle 12, de, manière à être co-axial avec l'arbre vilebrequin 13. Le diamètre primitif du planétaire. 47 est sensiblement plus petit que celui de la roue dentée orbitale 46. Le planétaire 47 est établi sous la forne d' une jante présentant une bride intérieure boulonnée en 48 sur une bride prévue sur la face intérieure du couvercle 12. Un bloc sa-
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stellite à deux 01éuents tourillonne dans un logement prévu pour lui à l'intérieur au contrepoids 26.
Ce bloc comprend un satellite relativement petit 49, un satellite plus grand 51 et un arbre 52.
Le pignon 51 présente la forme d'une couronne boulonnée en 53 une tête faisant partir intégrante de l'arbre 52. Le pignon 49 est claveté sur une partie conique 34 de l'arbre 52 et;est mainte- nu par un écrou 55.
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L'arbre; 52 comporte deux portées de tourillonns0ent qui tour- nent dans des paliers 56 et 57, tous deux ménagés dans le contre- poids 26. Le diamètre primitif du pignon 49 présente le même rap-
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port au diamètre priro.iti:' du planétaire 47 que li diamètre pririi- tif du satellite 51 au diamètre primitif àc la n roue dentée or- bitale n 6. --'il conséquence, lorsque l'arbre 13 tourne, la b4,uG 32 est aninée d'un iouveint de translation circulaire, nais lle tourna pas. Il s'ensuit que- les caractéristiques cinématique de,
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tous les à>1.gno<Îs 20 sont identiques.
Ce point est important <;ur=1 que soit le type du moteur en étoile, mais il l'est particiliùré- oient dans le cas d'un moteur à deux tr.=:yS, du type à balayage, parce qu'il assure l'identité ent-re la (;'21;rOande dos lunieres de balayage dans tous les cylindres. Les dentures des pignons 46, 47, '.:.9, et 51 sont hélicoïdales, et l'engrenage est, par suite, doux etsilencieux. Le pas des dentures est choisi de telle sorte que les pignons 49 et 51 présentent, cernés il convient, des pas héli- coïdaux semblables, de sorte que la poussée axiale dans les blocs
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.satellites doubles 49, 51 et 52 est réduite au minimum.
En fixant les axes 38 dans l'extrémité des bielles 31 et en prévoyant des paliers au-dessus et au-dessous de chaque bielle, on assure un support adéquat pour celles-ci. Dans un moteur à arbre vertical, tel que celui représenté, chaque bielle 31 se com- porte comme une poutre encastrée en porte-à-faux et se supporte elle-même. Par exemple, la bielle de gauche 31 représentée sur la figure 2, est soutenue par l'axe 38 et non par le piston 28 au- quel elle est articulée. L'usure des pistons est ainsi fortement réduite dans un moteur à arbre vertical. On estime d'ailleurs que cette disposition est utile, quelle que soit la position de l'ar- bre 13 . En effet, les vibrations des bielles, lorsqu'elles ne sont pas correctement soutenues, entraînent la transmission de charges latérales sensibles vers le piston pendant le fonctionne- ment du moteur.
On a déjà utilisé dans les moteurs en étoile, des trains planétaires pour empêcher la bague de tourner pendant son mouve- . ment de translation circulaire avec le vilebrequin, mais le mode de construction particulier que l'on a décrit ci-dessus présente un certain nombre d'avantages importants. L'utilisation d'un pla- nétaire de diamètre inférieur à celui de la roue dentée orbitale permet de réduire au minimum l'encombrement radial global du train. L'emplacement de l'axe des satellites dans le plan commun à l'axe du vilebrequin et à l'axe du maneton permet de placer les satellites directement en face du maneton, de sorte que ces pignons font, en fait, partie du contrepoids. On réalise ainsi une écono- mie à la fois d'espace et de masse.
Sur la figure 1, le cylindre de gauche désigné par la lettre A se trouve au point mort extrémité culasse. Le décalage réellement utilisé de son axe 38 est trop faible pour être visible sur la fi- gure 1. On se reportera, par. suite, à la figure 7 sur laquelle l'amplitude de ce décalage a été exagérée. Cette figure montre le vilebrequin à son point mort côté culasse. L'axe du pied de bielle
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du cylindre A est indiqua en B.
L'axe géométrique de l'axe 38 du cylindre A est indiqué en C. On suppose que le moteur tourne dans le sens des aiguilles d'une montre selon la figure 7. L'amplitude du décalage est désignée par l'angle [alpha] . Ce décalage est mesuré par rapport à la droite reliant le centre du vilebrequin au cen- tre de l'axe du pied de bielle B. La disposition usuelle est telle que l'axe géométrique de l'axe 38 se trouve sur la droite reliant le centre du vilebrequin au centre de l'axe de pied de bielle au point mort, c'est-à-dire pour [alpha] = 0 .
Le graphique de la figure 7 montre en ordonnées les efforts s'exerçant sur les pignons, ces efforts étant positifs ou négatifs.
Les abscisses montrent les angles de rotation du vilebrequin entre 0 et 32,73 . Ce dernier chiffre est le onzième de 360 . C'est l'in- tervalle angulaire compris entre deux cylindres successifs du mo- teur à onze cylindres choisi comme exemple.
La courbe [alpha] = 0 montre les variations de la charge exercée sur le train d'engrenages, lorsque le vilebrequin décrit 32,73 .
Cette courbe se reproduit pour chacun des intervalles angulaires successifs de 32,73 . La courbe [alpha] = 0 présente une forme satis- faisante, mais la charge maximum s'exerçant sur les pignons'est voisine de 350 kg/cm2. Dn décalant la bague de 1 vers l'arrière, on obtient la courbe [alpha]= 1 .La forme de cette courbe est un peu moins bonne que celle de [alpha] = 0 . Cependant la charge maximum y a été réduite jusqu'à 238 kg/cm2 environ.
La courbe [alpha] = 2 présente une allure moins bonne que les deux précédentes, mais la charge maximum y est de peu supérieure à 105 kg/cm2 et le minimum n'est que de 35 kg/cm2. Four le moteur particulier représenté, c'est le décalage de 2 qui a été adopté comme étant satisfaisant. Le moteur n'a pas pu fonctionner constam- ment sous des conditions absolument uniformes. Une charge minimum de 35 kg/cm2 sur les engrenages garantit l'impossibilité d'un ren- versement de la charge sur les pignons à un moment quelconque.
La courbe [alpha] = 3 franchit la ligne de charge nulle et indique
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par suite une inversion dé la charge sur les pignons. Les courbes [alpha] = 4 et = 5 présentent toutes deux des charges constamment négatives, mais la forme des courbes n'est pas satisfaisante et les charges sont excessives.
L'allure de la courbe de chargement sera variable suivant le nombre des cylindres et le diagramme d'indicateur caractéris- tique du moteur. On observerait entre un moteur à quatre temps et un moteur à deux temps des différentes caractéristiques. Il est, par suite, impossible d'énoncer une loi mathématique à ce sujet.
On peut seulement énoncer des principes généraux et constater l' existence de valeurs critiques comme on l'a fait ci-dessus.
En règle générale, la forme de la courbe et la marge de va- riation des oharges sont toutes deux meilleures pour un décalage de 0 ([alpha] = 0 ). Mais le chargement des pignons est exagéré.
Lorsqu'on augmente le décalage négatif [alpha] , la charge maximum et la charge minimum diminuent toutes deux mais la charge minimum diminue plus vite, ce qui entraine un écart plus grand. La valeur limite ou critique du décalage est celle pour laquelle la charge minimum est voisine de 0. Pratiquement, il est désirable de con- server une certaine marge de sécurité assez notable entre la char- ge minimum et zéro. La grandeur de cette marge est déterminée a- vant tout par l'amplitude des variations de charge du moteur en service. on a décrit en détail un mode de réalisation de l'invention qui,bien entendu n'est qu'illustratif et non limitatif.