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La présente invention concerne les bottes de vitesses mécaniques du type dans lequel on fait varier le rapport des vitesses des arbres d'entrée et de sortie de la botte par le déplacement axial de pignons dits "balladeurs", ou bien de crabots, assurant la mise en prise de diverses roues dentées.
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Lorsque l'on désire changer de vitesses, il arrive souvent, malgré les précautions habituellement prises,. que les dents des roues dentées ou des crabots que l'on désire mettre en prise se présentent face à face et refusent de s'engager .les unes dans les autres.
On a déjà trouvé une solution à ce problème qui consiste à imprimer à l'arbre d'entrée de la boite de vitesses un mouvement de rotation alterné à faible vitesse de façon à lui communiquer une sorte de balancement rotatif qui facilite, dans une large mesure, la mise en prise des dents de roues d'engrenages ou de crabots qui sont destinées à coopérer dans' la combinaison de vitesse recherchée.
Jusqu'à maintenant, on a réalisé ce balancement par des moyens hydrauliques. La présente invention a pour but de réaliser une installation qui permet d'obtenir le même résultat uniquement avec des moyens électriques en agissant directement sur le moteur électrique d'entraînement de la boite de vitesses.
A cet effet, suivant la caractéristique principale de l'invention, il est prévu des moyens pour limiter temporai- rement la vitesse du moteur à une valeur prédéterminée et des moyens pour faire travailler le moteur à couple réduit successivement dans les deux sens de rotation en lui appliquant, avant chaque changement de sens, un couple de freinage de faible valeur, et celà durant tout le temps du changement de vitesse.
Grâce à cette disposition, on obtient tous les avantages du balancement rotatif de l'arbre moteur pour faciliter le passage des vitesses, tout en utilisant, à cet effet,le moteur électrique existant déjà dans l'installation.
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Dans un mode de réalisation préféré, lesdits moyens de contrôle du fonctionnement du moteur à couple réduit successivement dans les deux sens sont liés au dispositif de commande de changement de vitesse de façon à entrer en action dès le début de l'actionnement dudit dispositif de commande et à agir jusqu'à ce que la nouvelle vitesse soit passée.
Suivant une autre caractéristique de l'invention, le dispositif de commande de changement de vitesse est muni de moyens de verrouillage qui ne sont dégagés que lorsque la vitesse du moteur est.inférieure à ladite vitesse prédéterminée.,
De préférence, les moyens qui limitent temporairement la vitesse du moteur à ladite valeur prédéterminée, sont constitués par un contact tachymétrique à ouverture sensiole à la vitesse du moteur et placé dans le circuit d'excitation des contacteurs d'alimentation du moteur.
Suivant une autre caractéristique de l'invention, les moyens de verrouillage du dispositif de commande de changement de vitesse sont contrôlés par ledit contact tachy- métrique.
@ Dans un mode de réalisation préféré, lesdits moyens qui ont travailler le moteur sous couple réduit sont consti- tués par des résistances insérées dans les inducteurs du moteur couplés en étoile par des contacts actionnés en réponse à la manoeuvre du dispositif de commande de changemeht de vitesse.
, Suivant une autre caractéristique de l'invention, les moyens de freinage du moteur sont constitués par des contacts qui alimentent le moteur à contre-courant.
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L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description suivante et à l'examen des dessins annexés qui représentent, à titre d'exemple non limitatif, un mode de réalisation de l'invention.
Sur ces dessins : - la figure 1 est un schéma électrique d'une instal- lation suivant l'invention; - la figure 2 est un schéma montrant les contacteurs combinés de branchement du moteur en étoile pour couple de régime et pour couple réduit.
- la figure 3 est une coupe suivant la ligne III-III de la figure 4, de l'ensemble du levier de changement de vitesse, avec ses verrous et ses contacts.
- la figure 4 est une coupe suivant la ligne IV-IV de la figure 3.
- la figure 5. est-une coupe suivant la ligne V-V de la figure 3, et - la figure 6 est un graphique montrant, èn fonction du temps, l'allure de la courbe de vitesse du moteur au cours d'une manoeuvre de changement de vitesse.
En- se référant maintenant particulièrement aux dessins, on va décrire l'installation électrique de commande d'une machine à partir d'un moteur asynchrone (non représenté) muni, d'une façon classique, d'un contacteur de démarrage par couplage en étoile des enroulements du stator de ce moteur, et d'un contacteur de marche normale par couplage en triangle de ces mêmes enroulements.
La machine comporte une boite de vitesses dont l'arbre- d'entrée est relié audit moteur et dont on a repré- senté seulement le dispositif de commande des pignons
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balladeurs 71, 72 et 73, sur les figures 3 à 5. Ces pignons balladeurs sont entraînés par une fourchette 74 solidaire d'une créamillère 75 en prise avec un pignon 76 taillé dans un arbre 77 qui tourillonne dans le carter 78 de la botte de vitesses. Sur l'extrémité extérieure de l'arbre 77 est fixé , un plateau 79 qui porte un axe transversal 81 sur lequel peut pivoter, dans un plan radial du,plateau 79, un levier 58 de commande de changement de vitesse.
Ce levier 58 porte un premier bossage 59 susceptible de s'engager dans des encoches telles que 61,64, 64'de la paroi de la boite de vitesses', pour verrouiller ledit levier dans chacune de ses positions correspondant à une vitesse de la boite, au nombre de trois dans l'exemple représenté. Le levier 58 est muni aussi d'un deuxième bossage 82 qui porte deux contacts électriques 50. 54 destinés à coopérer respectivement avec deux contacts 51, 52 portés par le plateau 79, lorsqu'on fait pivoter le levier
58 autour de l'axe 81. Un ressort de rappel 83 sollicite constamment le levier 58 vers sa position de verrouillage représentée sur le dessin.
Quand le levier est dans la position où les contacts électriques sont fermés, son bossage ' de verrouillage 59 estcdégagé des encoches avec lesquelles il coopère. '
De plus, le plateau 79 est encore immobilisé dans chacune dé ses positions, aussi longtemps que le moteur tourne à sa vitesse de régime normal, par un dispositif sur la commande duquel on reviendra plus loin, et qui comporte un verrou 62 solidaire d'un piston 85 mobile dans un alésage . 86 de la botte de vitesses, et faisant corps avec une tige 87 reliée, au noyau plongeur d'un électro-aimant 56.
Le verrou
62 est destiné à pénétrer dans des alvéoles correspondants 89
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pratiqués sur la face interne du plateau 79. Un ressort 65 sollicite le verrou 62 vers sa position de verrouillage. Lorsque l'électro-aimant 56 est alimenté, il avale le noyau 88 qui tire la tige 87 et le piston 85, de sorte que le verrou 62 est dégagé de l'alvéole correspondant du plateau 79.
Sur la figure 1, on peut voir le schéma général de l'installation électrique de commande du moteur, en liaison avec le levier de commandé de changement de vitesse. Sur ce schéma, on retrouve le levier de changement de vitesse 58 avec les contacts électriques 51,52, 53, 54 et l'électro-aimant
56 de commande du verrou 62.
L'alimentation générale'de cette installation est assurée à partir de deux lignes 1 et 2 disposées respectivement en haut et en bas du schéma.
Un. bouton de mise en marche avant du moteur, indiqué par M.A.V. comporte un contact .11 et un bouton de mise en marche arrière indiqué en M.A.R. comporte un contact 11'. -
Un bouton d'arrêt A permet de ramener les deux boutons de mise en marche en position neutre. Un relais 55 alimenté à travers les contacts 51,53 actionne un contact àtouverture 13 et deux contacts à fermeture 24 et 35.
3 représente un contact tachymétrique, par exemple du type à force centrifuge, qui s'ouvre à partir du moment où le moteur- asynchrone atteint une certaine vitesse, par exemple 100 tours/minute.
22 est un relais manométrique d'un type convenable classique,.qui se ferme dès que la pression de l'huile de graissage de la machine atteint uné valeur prédéterminée.
Tous les'autres relais ou contacteurs ont leurs bobines représentées schématiquemen à la partie inférieure
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du schéma. Ce sont un contacteur @ de couplage en étoile des inducteurs du moteur, -un contacteur ',. de couplage en triangle desdits inducteurs, un contacteur AV de marche avant, un contacteur AR de marche arrière, un relais FAV de freinage .en marche avant, un relais FAR de freinage en marche arrière, (le freinage du moteur est assuré par une alimentation à contre courant, et cinq autres relais indiqués en F, AU, Vl, V2 et V3.
Les contacts de tous ces contacteurs et relais sont repérés par des chiffres de référence, accompagnés des initiales des contacteurs ou relais auxquels ils appar- tiennent. Toutefois, dans ce qui suit, on ne répétera pas lesdites initiales, on désignera les contacts simplement par leurs numéros respectifs, pour des raisons de simplification, étant entendu qu'en suivant 'sur le schéma, on voit immédiate- ment, par la lectufe desdites initiales à quels contacteurs ou relais appartiennent les contacts en cause.
Les contacts 7 et 19 sont retardés respectivement à l'ouverture par le contact 7 et à la fermeture pour le contact 19.
50 est un bouton-poussoir à commande manuelle qui permet de faire fonctionner le moteur d'une façon inter- mittente dite "par à-coups" ou "par impulsions".
'Le câble des différents organes apparaît d'une façon suffisamment claire pour qu'on puisse se dispenser d'en énumérer les différents conducteurs.
Sur la figure 2, on, a montré comment les inducteurs i du moteur sont alimentés à partir d'une ligne de courant triphasé RST, par l'intermédiaire d'un inverseur classique 60, et comment les contacts /\ du contacteur de couplage en étoile
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sont branchés sur ces inducteurs ainsi que les contacts 48 du relais Vl qui a pour rôle d'insérer dans les inducteurs couplés en étoile, des résistances 49 pour réduire le couple du moteur (contacts /,, alors ouverts).
Le fonctionnement de l'installation que l'on vient de décrire est le suivant :
Sur le dessin, chaque appareil est représenté à l'état de repos, c'est-à-dire supposé non alimenté.
Si l'on place les deux lignes 1, 2 sous tension, le courant passe par le contact fermé 3 du relais tachymétrique centrifuge qui ne tourne pas, puisque le moteur de l'installa- tion est actuellement arrêté. La bobine du relais F est alimentée de sorte que les contacts 4 et 6 de ce relais se ferment, tandis que son contact 5 s'ouvre. La fermeture du contact 4 assure, par'1'intermédiaire des contacts fermés 7 et 8, l'alimen- tation de la bobine du contacteur # de branchement en étoile du moteur. Le contacteur ,\ de plus, ferme le contact 9 et ouvre le contact 10.
A partir de ce moment, on a la possibilité de faire fonctionner. le moteur et, par conséquent, la machine qu'il commande, soit à la vitesse actuellement en prise dans la boite de vitesse, soit d'effectuer un changement de vitesse.
On va d'abord décrire le fonctionnement dans le cas de la mise en marche à la vitesse actuellement en prise, en marche.avant, par exemple. '
A cet effet, on appuie'sur le bouton MAV, c'est-à- dire qu'on ferme le contact 11; le courant s'établit dans la bobine du contacteur de marche avant AV par les contacts 9, 13, 11, 14 et 15. Le moteur démarre par suite de la fermeture de ce contacteur de marche avant, et ce démarrage s'effectue en
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étoile, puisque le contacteur A a préalablement été alimenté.
Les contacts auxiliaires 16 et 17 du contacteur AV se ferment,, tandis que son contact 18 s'ouvre.
La fermeture du contact 16 prépare le circuit cons- titué par les contacts 9, 13, 11, 16 et 38 pour la bobine du relais AU qui commande les contacts 7, 19 à mouvement retardé pour que, vers la fin du démarrage du moteur, le branchement en étoile de ce dernier soit remplacé par le branchement en triangle.
Lorsque le moteur atteint la vitesse pour-laquelle le relais tàchymétrique 3 entre en action, le contact 3 s'ouvre et le.relais F n'est donc plus excité. Il en résulte que le contact 4 s'ouvre sans effet et que le contact 5 se ferme.'
Un nouveau circuit se ferme donc par les contacts 5 et 17 à travers la bobine du relais FAV qui ferme les contacts 20,21 et 38.
Pendant ce temps, le démarrage du meteur s'est pour- suivi, il continue jusqu'au moment où le relais AU ouvre le contact 7 et ferme le contact 19. Le contacteur # n'est plus alimenté et le contact 10 se referme en assurant l'alimentation du contacteur /-,,de couplage en triangle du moteur à travers le contact 19.
Le contacteur/\ en retombant, a, de plus, ouvert le contact 9, mais le contact 22 du manostat de contrôle de la pression d'huile de graissage de la machine s'est fermé et l'alimentation normale du moteur en marche avant est mainte- nant assurée. La machine tourne à la vitesse déjà en prise Sang la boite de vitesses.
Lorsqu'on désire arrêter le moteur, on appuie sur le bouton d'arrêt A, ce qui provoque l'ouverture du contact 11
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de marche avant. Les bobines du contacteur AV et du relais AU cessent d'être alimentées et ceux-ci rètombent.
En retombant, le relais AU, d'une part, ouvre le contact 19 de sorte que le contacteur 6. de marche en triangle retombe, et, d'autre part, ferme le contact 7. La bobine du contacteur # de branchement en étoile est alimentée de nouveau, par le circuit qui ,comporte les dontacts 22,7 et 8. Ce contac- teur se ferme et reste alimenté par son contact de maintien 9 en vue du freinage au cours duquel le contact 22 s'ouvrira.
Simultanément, par la chute du contacteur AV , les contacts 16-17 se sont ouverts sans effet pour le moment, puisque l'alimentation du relais FAV reste assurée par les contacts 5, 27 et 20, mais, de plus, le contact 18 s'est. refermé, de sorte que la bobine du contacteur de marche arrière est alimentée. par les contacts 5, 21 et 18. Le moteur subit donc son freinage à contre-courant en couplage .étoile, jusqu'au moment où la vitesse d'enclenchement du r elais tachymétrique 3 est atteinte.
A ce moment, ledit relais tachymétrique 3 ferme son contact' et alimente à nouveau le relais F qui ferme les contacts 4 et 6 sans effet, mais qui, en ouvrant le contact 5, provoque la chute du contacteur AR de marche arrière juste un instant avant que la vitesse en marche avant soit devenue nulle
On vient d'exposer un cycle complet de démarrage, de marche normale et de freinage 'du moteur en marche avant.
Il est bien évident que l'on réalise les cycles en marche arrière .de la même façon, en commençant par appuyer sur le bouton MAR de commande de marche arrière, les relais AR et FAR jouant le rôle des relais AV et FAV dont'on a parlé plus haut.
, On va examiner maintenant comment fonctionne le dispositif lorsqu'on désire changer de vitesse. Un changement
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de vitesse peut s'effectuer dans diverses situations de la machine et, notamment, à l'arrêt, ou bien pendant qu'elle fonctionne.
On va décrire le fonctionnement dans les deux cas -- principaux suivants ; cas du moteur en marche dans le sens avant, et cas du moteur à l'arrêt, les autres circonstances pouvant aisément être ramenées à celles-ci. a) cas du moteur en marche dans le sens avant. Une certaine vitesse est embrayée dans la boite de vitesses, on désire en embrayer une autre. Pour cela, on commence par abaisser le levier 58'du changement de vitesse, ce qui dégage le verrou
59 du cran 61 et rapproche les contacts 51 et 53 d'une part, et les contacts 52, 54 d'autre part. Toutefois, on ne peut'pas faire tourner le levier 58, car il est encore immobilisé par le verrou 62' (voir aussi fig.3).
Lorsque le moteur est en marche avant, on a vu précé- demment que les contacts 9, 3, 7,18 sont ouverts, que les con- tacts 22,11, 16,19, 17,20, 21, sont fermés, que les autres contacts sont en position de repos, et que les contacteurs AV, et les relais AU et FAV sont levés.
La fermeture des contacts 51, 53 assure l'alimentation du relais 55 qui ouvre le contact 13 et ferme les contacts 24 et 35.
L',ouverture du contact 13 assure le même résultat que le bouton Ad'arrêt. Le freinage se produit, comme exposé précédemment par la levée du contacteur AR; les contacts 23,25 et 26 se ferment, le contact 15 s'ouvre; le relais FAR se lève, alimenté à travers les contacts 5 et 23 et ferme le contact 30.
La fermeture des contacts 24 et 35 est, pour l'instant, sans effet, puisque les contacts 3 et 6 sont ouverts.
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Le freinage rapide se poursuit jusqu'au moment où le/ralentissement est suffisant pour que le relais tachymétrique
3 se ferme. A partir de ce moment, l'électro-aimant 56 est alimenté à travers le contact 3 et les contacts 52, 54 fermés - puisqu'on maintient le levier 58 abaissé jusqu'à ce que la vitesse désirée soit embrayée. L'alimentation de l'électro-aimant
56 assure le dégagement du verrou 62, de sorte qu'on peut maintenant faire tourner le levier, en le maintenant toujours appuyé vers le bas, pour essayer de passer la nouvelle vitesse.
Le mouvement oscillant de rotation du moteur qui va maintenant se produire facilitera la mise en prise des dents des pignons- ou des.crabots en cause pour le passage de la vitesse considérée.
Alors que, lorsqu'on désirait arrêter complètement le moteur, on a vu que la fermeture du contact 3 provoquait la fin du freinage,, il n'en est pas de même 'dans le cas présent. Cette fermeture, d'une part, assure- 1-'alimentation du contacteur de marche arrière AR par les contacts 3, 24, 25 de sorte que le freinage se poursuit, et, d'autre part, elle fait lever le relais F. L'actionnement du relais F provoque ltouverture du contact 5, sans effet, puisque le relais FAV reste alimenté à travers les.contacts 3,24, 25, 21, 20, mais elle provoque . aussi la fermeture du contact 6 qui, par l'interméliaire du contact 35 excite le relais VI dont l'auto-alimentation est assurée/par le contact 28.
Le relais VI ouvre alors son contact
34 et l'alimentation du relais F se trouve coupée aussi longtemps que durera la manoeuvre de changement de vitesse.
De plus, la levée du contacteur VI assure l'ouverture du contact 8 et, par conséquent, la'coupure de l'alimentation du contacteur # de branchement en étoile direct, mais, en même temps, elle assure aussi le couplage de résistance 49 dans le
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stator du moteur, par des contacts 48, de sorte que le moteur (voir fig. 2) se trouve quand même couplé en étoile, mais par l'intermédiaire des résistances 49 qui ont pour rôle de réduire les couples de freinage et d'accélération du moteur pendant les mouvements oscillants de rotation destinés à faciliter la mise en prise des dents des roues dentées ou des crabots.
La fermeture du contact tachymétrique 3 assure aussi, par les contacts 24,26 l'alimentation du relais V2 dont le contact 27 s'ouvre alors et fait retomber le relais FAV.
Le rôle du contact 14 du relais VI, lorsque ce contact est ouvert, est de verrouiller le contact 11 resté fermé.
Le freinage se poursuit donc, mais avec plus de douceur, que lorsqu'il s'agit d'arrêter complètement le moteur. Il arrive un mouvement où la vitesse en marche avant du moteur s'annula.
.Le moteur repart en marche arrière, sous faible couple, et sa vitesse croit jusqu'au moment où elle est suffisante pour ouvrir le contact tachymétrique 3.
L'ouverture du contact 3 provoque la chute du contac- teur AR (puisque le relais FAV est tombé) qui ferme le contact 15, et la chute du relais V2 qui ferme le.,contact 27.
Le contacteur AV est excité par les contacts 5, 30, 15 il ferme les contacts 31., 17, 33, le relais FAV étant alimenté par les contacts 5, 17, pendant que le relais FAR reste' levé, et le freinage du moteur en marche arrière s'effectue d'une façon douce. Ensuite, le contact 3, en se fermant, maintient l'alimentation du contacteur AV à' travers les contacts 24, 31 et 15, et provoque, en outre, l'attraction du relais V3 qui assure 'ouverture du contact 29 et par suite la coupure de l'alimenta- tion du relais PAR.
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Le freinage du moteur en marche arrière se poursuit, sa vitesse stannule et il repart en marche avant jusqu'au moment où le contact tachymétrique 3 s'ouvre et fait retomber le con- tacteur de marche avant AV, puisque le relais FAR est lui-même au repos, pour fermer le contact 18.
Le contacteur de marche arrière AR est. donc maintenant susceptible d'être actionné.
Il se produit, par conséquent, une succession d'inver- sions du moteur au cours desquelles la vitesse est limitée à une faible valeur par le relais tachymétrique, et qui permet de mettre facilement en prise les organes intéressés de la boite de vitesse. Aussit8t qu'on-a pu "passer" la vitesse-, .on lâche le levier 58 dont le verrou 59 s'engage dans l'encoche correspondante 64 par exemple, les contacts 51, 53 se séparént, le relais 55 n'est plus alimenté, le contact 13 se ferme, les contacts 24 et 35 s'ouvrent -et. provoquent la chute du relais Vl ainsi que celle du relais V2 ou V3 si l'un d'eux se trouvait excité à ce moment là.
La marche avant à vitesse normale de régime, qui avait été'interrompue pour permettre le changement de.vitesse, se trouve maintenant rétablie, soit que' le contacteur de marche avant AV soit excité par le contact 11 du bouton de mise en marche MAV, soit qu'il se trouve déjà excité. Par ailleurs, lorsqu'on a.lâché le levier de. changement de vitesse 58, on a séparé les contacts 52, 54 et l'électro-aimant 56 n'est -plus alimenté et le verrou 62 poussé par le ressort 65 immobilise, .le levier de changement de vitesse 58 (voir aussi fig.3).
Si l'on se reporte à la figure 6, on voit clairement l'illustration des- variations de la vitesse du moteur telles qu'exposées plus haut ,: le moteur tourne à la vitesse positive
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(marche avant) +V. A l'instant a, on appuie sur le levier de changement de vitesse, la vitesse du moteur baisse brusquement jusqu'à la valeur +v à l'instant b par freinage par contre courant.
Puis par freinage adouci, la vitesse du moteur continue à baisser, elle s'annule à l'instant c. Le moteur démarre à couple réduit en marche arrière jusqu'à ce qu'à l'instant d, il atteigne la vitesse -v, moment auquel le contact tachymétrique coupe alors son alimentation. Le moteur est de nouveau freiné par couple réduit jusqu'à ce qu'à l'instant e sa vitesse s'annule. Il démarre ensuite sous couple réduit, en marche avant, et, à l'instant f il atteint la vitesse réduite limite +v. Le contact tachymétrique 3 provoque de nouveau le freinage à contre-courant sous couple réduit.
Il se produit donc une série de/ mouvements de rotation à vitesse limite réduite, alternativement dans les deux sens de rotation. Dès que la vitesse recherchée est "passée", c'est- à-dire, dès qu'on a pu faire tourner le levier de changement de vitesse et qu'on l'a laissé remonter,' (instant 1 sur le graphique où, à titre d'exemple, on a représenté deux cycles de battements complets BDF et FHJ), le moteur reprend sa vitesse de régime +v par la partie JK de la courbe. A l'instant k, la vitesse de régime +v est de nouveau atteinte.
On pourrait faire évidemment le même raisonnement en partant de la marche arrière.
Si l'on suppose maintenant que le moteur-est arrêté et qu'on désire changer de vitesse, le processus est le suivant:
Les contacts 4, 9, et 6 sont fermés, le contact 10 est ouvert tandis que tous les autres sont au repos car, à l'exception du relais F et du contacteur de branchement en étoile, tous les contacteurs et relais sont au repos.
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Si l'on agit, comme précédemment, sur le levier de changement de vitesse 58, on excite le relais 55, le contact 13 s'ouver sans effet, le contact 35 se ferme et alimente le relais
Vl qui agit comme décrit plus haut, et le contact 24 se ferme - également en excitant le contacteur de marche avant AV par l'intermédiaire des contacts 3, 36 et 37.
Le moteur se met en marche avant à vitesse réduite limitée par le contact tachymétrique 3, puis il sera soumis à un freinage doux ; ilrepartira en marche arrière à vitesse réduite limitée et ainsi-de suite puisque l'un au moins des contacts 36 ou 37 est ouvert. On pourra aisément "passer" la vitesse, puis 'lorsqu'on lâchera le levier 58, le relais 55 cessera d'être alimenté et les contacts 13, 24 et 35 reprendront leur position de repos en déterminant l'arrêt du moteur.
Bién entendu, l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit et représenté qui a été donné uniquement - à titre d'exemple, on peut y apporter de nombreuses modifications accessibles à l'homme de l'art, suivant les applications envisa- gées sans sortir pour cela du cadre de l'invention. C'est ainsi, par exemple,. que la commande mécanique de déplacement des pignons balladeurs ou.des crabots pourrait être remplacée par une commande d'un autre type tel que, par exemple,, une commande hydraulique , ou une commande électro-magnétique.'