Dispositif de conversion d'un mouvement linéaire en un mouvement rotatif et réciproquement

Domaine technique La présente invention concerne un dispositif de conversion d'un mouvement linéaire en un mouvement rotatif et réciproquement et est adaptée aux machines et systèmes incorporant un tel dispositif, notamment les moteurs à combustion interne destinés à actionner un vilebrequin.

Etat de la technique

^~ Les moteurs à combustion interne ou dispositifs équivalents convertissent le mouvement linéaire d'un piston en un mouvement rotatif d'un vilebrequin. Dans une moteur a explosion, le mouvement linéaire du piston est dû à l'explosion d'un gaz inflammable qui induit une force intermittente provoquant le déplacement linéaire du piston dans le cylindre où s'est produite l'explosion.

La conversion du mouvement linéaire en un mouvement rotatif du vilebrequin est effectuée grâce à une bielle articulée à son extrémité reliée au piston d'une part et articulée à son autre extrémité reliée au vilebrequin d'autre part. La bielle étant animée d'un double mouvement de translation et d'oscillation n'autorise pas la séparation du cylindre d'avec le carter, avec les inconvénients que cela entraîne et en particulier dans le cas des moteurs deux-temps, la nécessité d'utiliser un carburant contenant le lubrifiant, donc hautement polluant. En outre, ce mouvement impose une hauteur importante du piston et donc une masse importante, ce qui provoque une inertie et des forces de friction importantes et, en conséquence, une perte de rendement significative.

Pour pallier les inconvénients ci-dessus, une solution consiste à disposer d'une bielle animée seulement d'un mouvement linéaire de manière à séparer le cylindre du carter.

Dans ce cas, la bielle est fixée rigidement au piston qui est de hauteur réduite, ce qui réduit le poids des parties en mouvement et donc les forces d'inertie en jeu. Un agencement équivalent est ainsi décrit dans le brevet néerlandais 6504555 qui concerne une presse à emboutissage où le piston/presse servant à fabriquer les pièces embouties est actionnée par une bielle animée d'un mouvement linéaire alternatif grâce à l'action d'un élément entraîné en rotation. Mais la comparaison avec les dispositifs concernés par l'invention s'arrête là puisque le dispositif décrit dans ce document ne réalise pas la conversion d'un mouvement linéaire alternatif en un mouvement rotatif.

Le dispositif décrit dans le brevet suisse 41658 effectue bien la conversion d'un mouvement linéaire alternatif en un mouvement rotatif. A son extrémité, la bielle actionne un ensemble de disques excentriques adaptés pour entraîner le vilebrequin dans un mouvement de rotation continue. Malheureusement, dans ce type de moteur, l'extrémité de la bielle est fixée rigidement à un anneau de liaison des éléments en rotation entraînant le vilebrequin, ce qui a pour effet d' induire une force latérale en même temps que la force linéaire exercée par la bielle. Il est donc nécessaire de prévoir un ensemble de plusieurs éléments de rotation ou disques excentriques de manière à ce que le mouvement latéral induit par la bielle soit absorbé par les éléments de rotation excentriques tournant en sens inverse. Ceci présente donc un inconvénient majeur dans la mesure où la multiplication des éléments mobiles représente une complexité entraînant une augmentation de poids, une augmentation des risques de dysfonctionnement et une augmentation des frictions.

Le problème ci-dessus est résolu par le dispositif décrit dans le brevet GB 322.676 qui convertit un mouvement linéaire alternatif d'un piston en un mouvement rotatif d'un vilebrequin tout en utilisant une bielle animée seulement d'un mouvement

linéaire. Malheureusement, ce dispositif ne comporte pas d'anneau de liaison mais un simple patin qui glisse sur un disque excentré entraînant le vilebrequin. Il est clair qu'un tel dispositif ne permet pas d' atteindre des vitesses de rotation élevées dans la mesure où, à de telles vitesses, le patin ne restera pas en contact avec le disque excentré. En outre, ce dispositif ne permet que la rotation du vilebrequin dans un seul sens et il est douteux qu'il puisse être utilisé de façon réciproque pour convertir le mouvement rotatif du vilebrequin en un mouvement linéaire de la bielle.

Exposé de l'invention

C'est pourquoi le but de l'invention est de fournir un dispositif de conversion d'un mouvement linéaire en un mouvement rotatif et réciproquement pouvant atteindre de très grandes vitesses sans problème.

Un autre but de l'invention est de fournir un dispositif de conversion d'un mouvement linéaire en un mouvement rotatif et réciproquement comportant un anneau de liaison et un seul élément de rotation excentrique entre la bielle et le vilebrequin.

L'objet de l'invention est donc un dispositif de conversion d'un mouvement linéaire en un mouvement rotatif comprenant une bielle soumise à une force longitudinale intermittente et animée d'un mouvement linéaire le long de son axe lorsqu'elle est soumise à la force intermittente, un vilebrequin dont l'axe de rotation est perpendiculaire à l'axe de la bielle et un ensemble d' éléments de liaison placé dans un carter entraînant la rotation du vilebrequin lorsque la bielle est animée du mouvement linéaire le long de son axe. L'ensemble d'éléments de liaison comprend un anneau de liaison situé dans le plan du carter qui est perpendiculaire à l'axe du vilebrequin, cet anneau de liaison étant articulé à la bielle par un axe perpendiculaire à la bielle et au plan du carter, et un disque

excentré de vilebrequin circulaire fixé à l'axe du vilebrequin. Le disque excentré de vilebrequin contenu à l'intérieur de l'anneau de liaison a un diamètre très légèrement inférieur à celui de l'anneau de liaison de manière à ce que sa surface extérieure reste en contact avec la surface intérieure de l'anneau de liaison 16 et puisse se mouvoir à l'intérieur de l'anneau de liaison lorsque la bielle est animée du mouvement linéaire et entraîner la rotation de l'axe du vilebrequin.

On autre objet de l'invention est un dispositif de conversion d'un mouvement rotatif en un mouvement linéaire alternatif comprenant un vilebrequin en rotation autour d' un axe de vilebrequin lorsqu' il est soumis à une force de rotation, un ensemble d'éléments de liaison placé dans un carter entraînés par la rotation du vilebrequin, et une bielle dont l'axe longitudinal est perpendiculaire à l'axe de rotation du vilebrequin, la bielle étant animée d'un mouvement linéaire alternatif le long de son axe lorsque le vilebrequin est soumis à la force de rotation. L'ensemble d'éléments de liaison comprend un anneau de liaison situé dans le plan du carter, et articulé à la bielle par un axe perpendiculaire à la bielle et au plan du carter, et un disque excentré de vilebrequin circulaire fixé à l'axe de vilebrequin, ce disque étant contenu à l'intérieur de l'anneau de liaison et ayant un diamètre très légèrement inférieur à celui de l'anneau de liaison de manière à ce que sa surface extérieure reste en contact avec la surface intérieure de l'anneau de liaison 16 et puisse se mouvoir en glissant à l'intérieur de ce dernier lorsque le vilebrequin est animé d'un mouvement rotatif et entraîner le mouvement linéaire alternatif de la bielle.

Description brève des figures

Les buts, objets et caractéristiques de l'invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit faite en référence aux dessins dans lesquels :

la figure 1 est une vue en perspective montrant le dispositif selon l'invention dans son carter ; la figure 2 est une vue éclatée du dispositif selon l'invention montrant tous les éléments composant ce dispositif ; la figure 3 est une vue en plan parallèle à l'axe du vilebrequin du dispositif selon l'invention dans son carter ; et les figures 4A, 4B, 4C et 4D sont des vues en plan perpendiculaire à l'axe du vilebrequin du dispositif selon l'invention lorsque la bielle est respectivement au point mort haut, dans une position intermédiaire entre le point mort haut et le point mort bas, au point mort bas et dans une position intermédiaire entre le point mort bas et le point mort haut.

Description détaillée de l'invention

En référence aux figures 1, 2 et 3, le dispositif selon l'invention comprend une bielle 10 animée d'un mouvement alternatif le long de son axe rectiligne sous l'effet d'une force intermittente, par exemple due à l'explosion d'un carburant dans un cylindre d'un moteur à combustion interne à deux temps qui repousse un piston (non montré) auquel la bielle est rigidement fixée.

La bielle 10 est articulée par un axe mobile 12 à un ensemble d'éléments mobiles situé dans un carter 14 pouvant être de forme quelconque représenté en moitié sur les figures. Cet ensemble est composé d'un anneau de liaison circulaire 16 articulé sur l'axe 12. A l'intérieur de l'anneau de liaison 16 se trouve un vilebrequin constitué d'un disque de vilebrequin excentré 18 fixé rigidement à un axe de vilebrequin 20 parallèle à l'axe mobile 12 et perpendiculaire au plan du carter 14. L'axe de vilebrequin 20 qui est l'axe de force émergeant des deux côtés du carter pour communiquer le mouvement de rotation. Cet axe de préférence situé au centre du

carter, est excentrique par rapport au disque de vilebrequin 18. Ce dernier est circulaire et a un diamètre très légèrement inférieur au diamètre de l'anneau de liaison 16 de manière à ce que sa surface extérieure reste en contact avec la surface intérieure de l'anneau de liaison 16 et puisse se mouvoir en glissant à l'intérieur de l'anneau de liaison. A noter que le disque de vilebrequin 18 n'est pas forcément plein comme c'est le cas de celui illustré sur les figures. A noter également que l'articulation entre l'axe 12 et l'anneau de liaison n'est pas une bielle et en conséquence la distance entre l'axe 12 et l'extérieur de l'anneau de liaison peut être réduite au minimum.

Lorsque la bielle 10 est soumise à la force intermittente, l'ensemble formé par l'anneau de liaison et par le disque de vilebrequin est animé d'un mouvement rotatif autour de l'axe de vilebrequin. Ce dernier étant fixé au disque de vilebrequin, il est également animé d' un mouvement de rotation communiqué à l'extérieur du carter à des roues dentées ou autres éléments rotatifs . Le carter 14 dans lequel se trouve l'ensemble d'éléments de liaison est séparé de l'extérieur, c'est-à-dire du cylindre dans lequel se déplace le piston dans le cas du moteur à deux temps qui fait l'objet du mode de réalisation décrit ici par une paroi étanche 22 ne laissant passer que la bielle 10 par un orifice circulaire 24 d'un diamètre légèrement supérieur à celui de la bielle mais maintenant toutefois l'étanchéité du carter. Ainsi, l'admission des gaz ne se fait que par la dépression créée dans le cylindre et non pas dans le carter comme c'est le cas d'un moteur à deux temps conventionnel. A noter que la paroi étanche peut être soit un élément intrinsèque du carter, soit un élément intrinsèque du cylindre, soit un élément indépendant rajouté pour séparer le cylindre du carter.

Lorsque le disque excentré de vilebrequin 18 se meut à l'intérieur de l'anneau de liaison 16, il effectue un glissement sur la surface intérieure de l'anneau de liaison. Il faut donc que la surface extérieure du disque et la surface intérieure de l'anneau de liaison permettent ce glissement grâce à l'interposition d'un moyen de glissement. Une première solution consiste à revêtir les deux surfaces d'un film lubrifiant favorisant ce glissement ou simplement d'un lubrifiant. Une autre solution consiste à utiliser un roulement à aiguilles intégré sur l'une des deux surfaces.

Lorsque la bielle 10 est soumise à la force intermittente, le dispositif est animé d'un mouvement illustré sur les figures 4A, 4B, 4C et 4D. Au point mort haut représenté sur la figure 4A, l'axe d'articulation 12 et l'axe de vilebrequin 20 sont en opposition de phase et la distance qui les sépare est maximale. Sous l'action de la force exercée sur la bielle, l'anneau de liaison 16 transmet une force au disque de vilebrequin 18 qui tourne, dans le mode de réalisation décrit, dans le sens des aiguilles d'une montre pour prendre une position telle que la position intermédiaire de la figure 4B. Il atteint ainsi le point mort bas de la figure 4C, point où la distance entre l'axe 12 et l'axe de vilebrequin 20 est minimale. Passé le point mort bas, c'est la force d'inertie du vilebrequin qui provoque la rotation de l'ensemble pour prendre une position telle que la position intermédiaire de la figure 4D. Au cours du fonctionnement, l'anneau de liaison 16 subit un mouvement qui est la résultante d'un mouvement de translation dû à la bielle 10 et d'un mouvement de rotation dû au vilebrequin.

A noter que la course de la bielle 10 correspond à la distance linéaire parcourue par la bielle le long de son axe longitudinal lorsque l'on passe du point mort haut (Fig. 4A) au point mort bas (Fig. 4C) . La course de la bielle est donc la différence des distances qui séparent l'axe de vilebrequin 20 de l'axe d'articulation 12 lorsque l'on est respectivement au

point mort haut et au point mort bas, c'est-à-dire le rayon du disque de vilebrequin 18. Par conséquent, le rayon du disque de vilebrequin étant fonction directe du diamètre de l'anneau de liaison 16, ce diamètre est une fonction directe de la course de la bielle. Si on réduit la course de la bielle, le diamètre de l'anneau de liaison est réduit d'autant et également l'encombrement et le poids du dispositif.

Le dispositif qui vient d' être décrit présente de nombreux avantages. Tout d'abord, le fait que la bielle soit rigidement fixée au piston ne nécessite pas d' avoir un piston ayant une hauteur importante. Par conséquent, l'ensemble piston-bielle étant de petites dimensions, cela réduit au minimum le poids des éléments en mouvement linéaire alternatif et donc les forces d'inertie ainsi que les forces de friction. L'absence de forces d'oscillation latérales appliquées à la bielle permet d' avoir un dispositif aux vibrations moins complexes et moins intenses. La séparation du cylindre d'avec le carter par une cloison étanche autorise une aspiration des gaz frais très puissante, une compression plus grande et une combustion plus complète, qui se traduit par une puissance plus importante ; D'autre part, comme il été mentionné ci-dessus, l'utilisation d'un anneau de liaison et d'un seul disque excentré, ajouté aux avantages cités précédemment, permet, grâce à la simplicité et à la robustesse du dispositif, d'atteindre de très grandes vitesses.

Le mode de réalisation d'un dispositif de conversion d'un mouvement linéaire en un mouvement rotatif qui vient d' être décrit trouve principalement application pour réaliser un moteur à explosion à deux temps. Cependant, il est évident qu'il peut être utilisé dans toute système, machine ou dispositif nécessitant de convertir un mouvement linéaire alternatif en un mouvement rotatif à partir d'une force intermittente fournie par un moyen moteur quelconque. A noter que ce dispositif selon l'invention peut être utilisé seul ou

dans une configuration comportant plusieurs de ces dispositifs, comme par exemple un moteur à plusieurs cylindres. Cette configuration multicylindre peut être en opposition (« boxer ») , en « V », en « L », en ligne, et en étoile, le nombre de cylindres n'étant d'ailleurs pas limité.

Bien que le dispositif décrit ci-dessus soit un dispositif permettant de convertir un mouvement linéaire en un mouvement rotatif, il pourrait être utilisé pour la conversion d'un mouvement rotatif en un mouvement linéaire alternatif. Pour ce faire, il faut appliquer une force de rotation à l'axe de vilebrequin, par exemple au moyen d'un moteur à explosion ou d'un moteur électrique. Le dispositif effectue alors la conversion du mouvement de rotation du vilebrequin en un mouvement linéaire alternatif de la bielle. Dans son mouvement linéaire alternatif, la bielle est soumise à une force linéaire qui peut être utilisée dans de nombreuses applications. Ainsi, un tel dispositif peut trouver application dans les pompes, les compresseurs, etc. dans lesquels une force linéaire est nécessaire.