La conversion
du mouvement est sans doute un domaine aussi important que sa
génération...
Si l'on regarde l'histoire des moteurs
volumétriques
(c'est à dire utilisant l'énergie de pression des
gaz
plutôt que leur énergie
cinétique),
bien
rares sont les machines qui soignent cet aspect.
Par exemple, le moteur à bielle/manivelle,
possède une
cinématique, qui en plus d'être
très
déséquilibrée, impose
immédiatement une loi
de conversion figée : même en faisant varier le
rayon de
la manivelle ou la longeur de la bielle, la cinématique du
PMH
est déplorable (beaucoup trop longue et stationnaire). On
pourrait citer d'autres exemples, comme le Wankel où
l'évolution du volume des chambres en fonction de l'angle de
rotation du moteur n'est pas paramétrable à cause
d'une
géométrie épitrochoïdale qui
impose tout
dès lors que le rotor triangulaire est choisi.
la plupart des
moteurs actuellement connus sont incapables d'imposer une
évolution arbitraire
du volume de chaque chambre
en
fonction de l'angle de rotation de l'axe continuellement
rotatif de la machine.
Et pourtant, à
l'heure
où l'on cherche à piloter l'autoinflammation des
gaz par
la montée de température au cours de la
compression, bien
peu de concepts flexibles en la matière sont
proposés. Tout au plus certains inventeurs
québécois ont très justement fait
remarqué
l'intérérêt d'un PMH soudain et intense
pour
synchroniser l'autoinflammation des gaz avec le PMH, de
façon
à ce que, dans un premier temps, la combustion soit la plus
complète et propre, et dans un second temps, la
détente
des gaz survienne le plus tôt possible pour pousser
convenablement les pièces mobiles de leur machine...
Or il faudrait être
capable de générer le volume que l'ON VEUT dans
chaque CHAMBRE
EN FONCTION de l'angle
de rotation de l'arbre tournant de la machine.
Dans le cas des machines
à pistons rotatifs, cela revient à en CONTRÔLER les BATTEMENTS...
plus précisement :
- leur amplitude angulaire
- leurs angles minimal
et maximal
- mais aussi et surtout de la loi d'évolution du
battement au cours d'un cycle angle mini -> angle
maxi -> angle mini
1.
Mouvement à convertir
Les machines de type PRBC sont
basées sur
p paires de pistons contigus
répartis linéairement si
p = 1
et circulairement dè
s
que p est
supérieur ou égal à 2.
L’ensemble des
centres de rotation de chaque piston forme alors :
- si
p = 1, un segment
- si
p supérieur
ou égal à 2, un polygone
régulier à 2p
côtés
On définit alors, à l’aide
d’un
carter adéquat, 2p chambres de volume
variable, qui pour passer
alternativement de leur volume minimal à leur volume
maximal, nécessitent le
contact intermittent entre chaque piston et son (ses 2) plus proche(s)
voisin(s). Ce qui implique :
amplitude
angulaire du mouvement des
pistons rotatifs = Pi
/ p
radian ou 180 / p
degrés
2.
Système proposé
Il
est possible d'utiliser un système
générique de conversion du mouvement rotatif
alterné de chaque piston en un
mouvement rotatif continu sur un arbre dont l’axe de rotation
est au centre du
segment, ou du polygone régulier,
précédemment mentionnés, et ce, quel
que
soit p supérieur ou égal à 1, dont
le principe est le suivant :
A
partir de galets excentrés
par rapport à l’axe de rotation des pistons et
solidaires de ces derniers, on
récupère 2p mouvements de
translation alternée le long des médiatrices
associées aux centres de rotation de 2 pistons
consécutifs. Ce mouvement est
transmis à 2p glissières,
équipées elles aussi d’un ou plusieurs
galets,
lesquels appuient sur une came centrale en rotation continue,
constituant
l’arbre de sortie du moteur, ou bien l’arbre
d’entrée de la pompe (ou
compresseur).
Système
générique de conversion dans le cas d'une seule
paire de pistons.
Chaque contact galet
excentré/glissière est
systématiquement bilatéral soit en faisant
déplacer le
galet excentré dans une rainure dont la largeur vaut le
diamètre du galet (ce
qui sera représenté ici), soit en montant un
coulisseau glissant dans la
rainure et en pivot sur le galet excentré.
2
options de cames sont
possibles, et ne s’excluent pas mutuellement :
- came
extérieure lorsque le galet de
glissière est placé
en position radiale extérieure
- came
intérieure lorsque le galet de
glissière est placé
en position radiale intérieure
- cette
distinction devenant moins nette pour le cas particulier
p=1 car 2 galets choisis
symétriques sont en contact avec la
même came.
3.
Avantages du mécanisme
Le
mécanisme à came centrale rotative
présente de très nombreux atouts :
- Sur le plan de la transmission
des efforts,
les contacts galet/came ou galet/glissière sont
très
robustes, et mieux encore, comme il y a
généralement de
nombreux galets, la
puissance transite pas plusieurs chemins symétriques au sein
de la machine, ce qui garantit une meilleure
fiablilité et un dimensionnement plus léger des
pièces.
- A partir de p=2, le mécanisme est
parfaitement et intrinsèquement
équilibré car les effets
d’inertie des pièces se compensent mutuellement.
Si p=1, le mécanisme, bien que
fonctionnel, n’est pas
équilibré :
- d’une
part car une seule glissière se translate alternativement,
- d’autre
part car les pistons rotatifs « se
jettent » tous les 2 dans la même
direction que la glissière.
- La came centrale a un profil 2 Pi
/ p cyclique, elle est donc aussi
équilibrée en rotation et actionne
de manière adéquate toutes les autres paires de
pistons car elles sont elles-aussi 2Pi / p
cycliques.
- La
forme de la came reflète la cinématique choisie
pour la loi angulaire de rotation des pistons rotatifs. La
forme de la came s’adapte à n’importe
quelle loi dès lors qu’elle n’engendre
pas de collision entre les pistons : on peut envisager des
débattements angulaires inférieurs à Pi/p,
avec un angle mini et un angle maxi quelconques
(dès lors qu’ils ne génère
pas de collision entre pistons) et des évolutions entre
l’angle mini et maxi totalement libres. Pour p=1,
la symétrie des galets de l’unique
glissière avec la même came pour les 2 galets
reste valable à condition que :
angle
mini = Pi – angle maxi
- L’enveloppe
intérieure de la came ne présente pas
d’angle vif, donc assure un meilleur guidage.
- Le
choix d’une came intérieure favorise la
compacité du moteur
4.
Exemples de systèmes à came centrale rotative
Les figures
ci-dessous montrent l'extrême
adaptabilité du concept de came centrale rotative
à tout type de machine PRBC
p
= 2, came et galets
extérieurs
p = 2, came et galets
intérieurs
p = 3, came et galets
extérieurs
p = 3, came et galets
intérieurs
p = 4, came et galets
extérieurs
p = 4, came et galets
intérieurs
p = 5, came et
galets
extérieurs
p = 5, came et galets
intérieurs.
5.
Animations de mécanismes à came centrale rotative
2Pi / p
cyclique
Mouvement
piloté 45°/135° et 90° d'amplitude
à battement symétrique
Mouvement
piloté 0°/180° et
180° d'amplitude à battement
symétrique
Mouvement
piloté 0°/90° et
90° d'amplitude à battement
asymétrique
Mouvement
piloté 0°/60° et
180° d'amplitude à battement
symétrique
Mouvement
piloté 0°/36° et
36° d'amplitude à battement
asymétrique
Mouvement
piloté
:
0°/60° et 60° d'amplitude avec battement super
asymétrique
6.
Came centrale rotative surmultilobée (2Pi / kp cyclique)
Le nombre minimal de lobes de la came centrale rotative pour assurer le
fonctionnement vaut le nombre
p
de paires de pistons
Toutefois, la came centrale rotative peut être
surmultilobée, c'est à dire posséder
k p lobes
avec k un nombre entier et positif.
Pourquoi surmultilober
la came centrale rotative ?
cela multiplie par k
le nombre de cycles nécessaires à 1 tour de la
came ...
donc cela
multiplie par k
la compacité nominale du moteur !
1.
La came en plus de convertir le mouvement, joue un rôle
équivalent à celui d'engrenages
réducteurs d'un
facteur k
2. L'utilisation de galets montés sur roulements convertit
la puissance avec un rendement proche de 100%
(contrairement
aux trains
successifs d'engrenages dont le rendement chute rapidement à
moins de 90% par frottements/barbotages dans l'huile)
3. Toute ces fonctionnalités sont
réalisées par
une pièce de quelques dizaines de milimètres
d'épaisseur
(découpable
au laser ou usinable... dans une simple plaque d'acier)
A condition de respecter des angles de transmission des efforts
acceptables selon le fonctionnement en moteur ou pompe, et de donner
des dimensions suffisantes à la came centrale rotative,
k peut dépasser
facilement 3 ou 4, en particulier pour les machines ayant
peu de paires de pistons rotatifs.
Les quelques animations
ci-après montrent l'extrême
variété de mouvements possibles et
arbitraires avec des
cames surmultilobées pour tout type de PRBC.
Mouvement
piloté
0°/180° et 180° d'amplitude
à battement
asymétrique par une came 1 x 6 lobes
Mouvement
piloté
0°/180° et 180° d'amplitude
à
battement symétrique par une came 1 x 7 lobes
Mouvement
piloté
0°/90° et 90° d'amplitude à
battement symétrique par deux cames 2 x 2 lobes
Mouvement
piloté
0°/60° et 60° d'amplitude à
battement symétrique par deux cames 3 x 2 lobes
Mouvement
piloté
0°/45° et 45° d'amplitude à
battement
asymétrique par une came 4 x 3 lobes
7.
Système de conversion simplifié dans le cas des
machines 2PRBC
On peut aussi développer des systèmes de
conversion
simplifiés, en particulier pour les machines 2PRBC, il est
possible de convertir le mouvement avec une seule pièce
rotative à 2 manetons en appui sur les glissières
orthogonales, elles-même actionnées par une
cinématique à base de losange
déformable.
Mouvement
piloté
0°/90° et 90° d'amplitude à
battement symétrique linéaire par morceau
Vue partielle du mécanisme "double sinus" pour une machine
2PRBC
Vue
partielle de face du mécanisme "double sinus" pour une
machine 2PRBC
en gris foncé: glissières orthogonales,
en jaune au 1er plan: arbre rotatif
en jaune au second plan : excentrique solidaire des pistons rotatifs
en blanc: bielle du losange déformable