La présente invention se rapporte aux machines à piston rotatif, notamment à des compresseurs à piston rotatif, comportant une chambre cylindrique, dans laquelle sont disposés une partie excentrique ou manivelle d'un arbre coaxial à ladite chambre, un piston rotatif annulaire pouvant rouler au contact de la paroi de la chambre et une couronne d'entrainement du piston montée avec jeu à l'intérieur de celui-ci, le calage du piston sur son chemin de roulement étant assuré par des moyens élastiques.
On connait de telles machines et les problèmes que pose leur réalisation et notamment les tolérances d'usinage et le montage des pièces pour assurer l'étanchéité du piston sur son chemin de roulement, lorsqu'aucun système de rattrapage n'a été prévu. On observe notamment le décollement du piston dans la zone où le point de contact roulant entre le piston et l'alésage de la chambre approche du point mort, c'est à dire de l'orifice de refoulement situé en amont du volet séparant le compartiment haute pression du compartiment basse pression. Pour de grandes vitesses de rotation et faibles pressions de travail, les forces centrifuges prenant naissance dans l'ensemble mobile couronne-piston sont suffisantes pour s'opposer à un tel décollement. Ceci n'est plus le cas, lors de faibles vitesses et des hautes pressions et plusieurs solutions ont été imaginées pour y remédier et pour assurer un calage du piston sur l'alésage de la chambre et retarder son soulèvement.
Des réalisations, telles que décrites dans les brevets français 2 468 770 et 2 470 267, nécessitent un ajustement mécanique du piston sur le stator très délicat, car il ne peut pas permettre un rattrapage de jeux et exige une très grande précision de montage.
Selon une autre proposition, brevet français 2 280 808, on retarde seulement le décollement du piston en maintenant l'angle formé entre la droite reliant le centre de la chambre au centre du piston avec la droite reliant ce dernier centre au centre de l'excentrique à une valeur optimale située entre 20° et 40°.
Selon une autre réalisation, brevet français 1 256125, le rotor est constitué par une chemise cylindrique montée librement dans la chambre autour de l'arbre et maintenue en contact avec la paroi de ladite chambre grâce à un dispositif de roulement à montage mobile, qui consiste en un levier calé sur l'arbre et portant à une extrémité un galet et à l'autre extrémité un bras se terminant par un galet, un ressort étant prévu pour écarter le bras du levier.
Une telle solution, selon laquelle la chemise cylindrique est libre dans le stator, n'est pas exempte d'inconvénients, car la chemise peut répercuter un choc au démarrage dans le volet séparant les compartiments de la chambre. De plus, elle nécessite un calcul très précis des vitesses de rotation admissibles des galets en fonction de la vitesse de rotation maximum du piston, afin de garantir la durée de vie du compresseur. Selon une autre réalisation, brevet français 2 275 664, le piston roule librement sur un roulement à billes à l'extérieur d'un anneau solidaire de l'excentrique de l'arbre. On tente de remédier au problème de décollement en utilisant le principe de levier à genouillère, en plaçant le centre du piston au centre de l'excentrique ou dans la zone entre le centre de l'excentrique et le centre du piston rotatif à proximité du centre de l'excentrique. Une telle solution est délicate à réaliser, car le moindre déséquili- brage de masses en rotation provoque des vibrations et des oscillations nocives pour les palliers du compresseur.
Selon une autre réalisation, brevet français 2 223 570, qui constitue l'état de la technique et préconise le montage du piston rotatif sur une couronne excentrique d'entrainement solidaire de l'excentrique de l'arbre, l'angle que fait la droite reliant l'axe de l'arbre à l'axe de la partie excentrique avec la droite qui relie ce dernier axe à l'axe central de la couronne excentrique est compris entre 70° et 110°, de manière telle que le piston roule en s'appliquant sur la paroi intérieure du carter et que, une fois atteinte une certaine pression de décollement, le piston s'écarte de la paroi du carter. Un tel compresseur ne réalise pas de calage mécanique du piston en fonctionnement, mais seulement un entrainement du piston au moyen de la couronne excentrique.
La présente invention a pour objet une machine dans laquelle on réalise à la fois un bon entrainement du piston et son calage sur l'alésage de la chambre, tout en empêchant son décollement dans la zone de haute pression, sans que cette réalisation comporte le montage mécanique avec ajustement de l'excentrique ou montage sur roulement à billes directement sur l'excentrique, nécessitant forcément une précision coûteuse au niveau de l'usinage et du montage de la machine.
Selon l'invention, la machine à piston rotatif, notamment compresseur à piston rotatif, comportant une chambre cylindrique, dans laquelle sont disposés une partie excentrique ou manivelle d'un arbre coaxial à ladite chambre, un piston rotatif annulaire pouvant rouler au contact de la paroi de la chambre et une couronne coaxiale d'entrainement du piston en contact avec la paroi intérieure du piston sur toute sa circonférence et montée à l'intérieur de celui-ci, de façon à pouvoir glisser par rapport au piston, le calage du piston sur son chemin de roulement étant assuré par des moyens élastiques de compensation prenant appui sur la manivelle ou l'arbre et sur l'alésage de la couronne, la machine comportant en outre un volet divisant l'espace libre autour du piston en deux compartiments à volume variable est la couronne étant entrainée en rotation au moyen d'un tourillon, l'axe du tourillon s'etendant en direction longitudinale de la machine et étant situé dans une position excentrique par rapport à la couronne, caractérisée en ce que la tourillon est monté dans une chape réalisant l'accouplement de la couronne et de la manivelle.
On peut imaginer des moyens d'accouplement divers, de préférence l'organe d'accouplement est un tourillon monté dans une chape.
Selon un mode de réalisation préféré, le tourillon est monté dans un alésage de la manivelle et dans une chape solidaire de la couronne. On peut aussi conçevoir une solution inverse, une chape solidaire de la manivelle et un alésage ménagé dans la couronne.
Le calage du piston sur son chemin de roulement peut être assuré par des moyens élastiques de compensation à ajustage progressif divers.
Selon une première variante, un ressort est monté transversalement en amont du point de contact du piston et de la paroi de la chambre par rapport au sens de rotation, prenant appui sur la couronne et sur la manivelle, de façon à ce que la droite d'action du ressort passe par l'axe de l'arbre et soit perpendiculaire à la droite reliant le centre du piston et le centre du tourillon. De préférence, le ressort est logé entre un plot de centrage fixé à la couronne et un logement cylindrique avec lamage ménagé dans la manivelle, le fond du logement étant parallèle à la droite reliant les centres du piston et de la manivelle.
En variante, les moyens élastiques de calage sont constitués par au moins une cale à pente conique sollicitée par un ressort travaillant en compression selon une droite d'action transversale par rapport à l'axe de l'arbre. Selon un mode de réalisation préféré, l'une des faces longitudinales de la manivelle présente deux méplats longitudinaux concaves inclinés par rapport à l'axe de l'arbre et formant avec l'alésage de la couronne un logement, deux cales étant logées aux extrémités dudit logement, chacune présentant une face intérieure en pente d'angle correspondant à celui du méplat incliné, un ressort étant disposé entre les cales. La partie de la couronne sur laquelle prennent appui les cales présente un méplat, tandis que la face extérieure de chaque cale prenant appui présente un profil arrondi.
Selon une autre disposition, un logement est disposé entre l'alésage de la couronne et la manivelle présentant une pente du côté de la manivelle qui est inclinée transversalement par rapport à la droite reliant le centre du piston et le centre du tourillon, l'action de la cale logée dans ce logement et sollicitée par un ressort s'exerçant selon une droite transversale par rapport à l'arbre. La cale possède dans ce cas une face longitudinale en pente correspondante à la pente de son logement du côté de la manivelle. D'autres particularités de la machine selon l'invention apparaitront à la lumière de la description de différents modes de réalisation présentés à titre d'exemples et illustrés par les dessins dont
Le compresseur d'une machine frigorifique selon l'invention représenté aux figures 1 et 2 comprend un corps central de compresseur 2 muni de deux flasques extérieurs avant 11 et arrière 12, traversés par un arbre moteur 4 d'axe 01, Le corps 2 renferme une chambre cylindrique coaxiale de l'arbre 4, dont la paroi interne 10 constitue le chemin de roulement du piston.
A l'intérieur de la chambre cylindrique, l'arbre 4 est rendu solidaire d'un excentrique ou manivelle 3. En outre, un piston rotatif 5 d'axe 02 de diamètre inférieur à celui de la chambre est placé à l'intérieur de celle-ci, de façon à pouvoir rouler au contact de la paroi de la chambre, tandis qu'une couronne mobile d'entrainement 6 est montée à l'intérieur du piston 5, de façon à pouvoir glisser par rapport au piston selon la surface de glissement 7.
La couronne 6 est munie d'une chape 8, 9 et l'extrémité de la manivelle 3 d'un alésage 24, de façon à pouvoir accoupler la couronne 6 et la manivelle 3 au moyen d'un tourillon d'axe 03 pouvant librement tourner dans l'alésage 24.
La bielette virtuelle d'entrainement du piston 5 est représentée par la droite reliant le centre de la couronne et du piston 02 au centre du tourillon 03.
Le corps du compresseur 2 renferme sous la culasse 34 munie de joint de culasse 37 des organes habituels, tels que conduits d'aspiration et de refoulement, ce dernier muni de deux soupapes 17, des sorties HP 41,42, ainsi qu'un volet de séparation 15 basculant autour de son axe 16 et muni de segments d'étanchéité 54. Le volet 16 sépare l'intérieur du cylindre en chambre de HP 13 etcham- bre BP 14, le point de contact de l'extrémité du volet et du piston 5 s'effectuant au moyen de la surface d'appui 29 du volet taillée en biseau, dans l'axe central du cylindre au point G.
L'équipement habituel d'un compresseur comprend un réservoir de lubrifiant 38 avec son bouchon de contrôle de niveau 39. L'arbre moteur 4 repose dans des paliers 43, 44, il est muni de joints tournants d'étanchéité 31 et d'une cuillère de barbotage 32 et d'une masselote d'équilibrage 33. Des pieds de centrage 35 équipent les flasques arrière et avant du stator. Des pattes d'araignée 40 servent à lubrifier le palier lisse de la couronne mobile et du piston. L'étanchéité latérale du piston 5 est assurée par des segments circulaires 36.
Les moyens de calage servant au rattrapage du jeu initial de montage et du jeu d'usure consistent, selon les figures 2 et 3, en un ressort 30 de compensation travaillant en compression, dont l'axe d'action 23 (figure 11 ) est perpendiculaire à la droite reliant le centre de la couronne 02 et le centre du tourillon 03. Une des extrémités du ressort 30 prend appui sur un sabot 52 de centrage, solidaire de la couronne 6 et l'autre dans un lamage de centrage 53 présent sur l'arbre moteur 4.
Le compresseur de la figure 3 représente une variante de réalisation dans laquelle le piston 5 est monté sur un roulement à aiguilles 22 et le dispositif de compensation comprend une paire de cales à pentes coniques 55 sollicitées par un ressort de blocage 57 d'axe 61, la surface extérieure 60 de la cale 55 de forme arrondie prenant appui sur un sabot de contact 59 solidaire de la couronne (voirfigure 14).
Lorsque le calage du piston 5 sur la paroi 10 de la chambre est assuré au point de contact E par des moyens élastiques de compensation, tels que cales et ressorts (voir figure 9), on peut tracer une droite O1 reliant le centre 01 de l'arbre au point E. C'est par rapport à cette droite que l'on définit l'angle de calage α1' compris entre la droite 01 E et la droite 0103 reliant le centre 01 de l'arbre au centre du tourillon. L'angle α1 est donc l'angle dont est décalé, par rapport à la droite 01 E dans le sens de la rotation de l'arbre, l'axe du tourillon 03.
La valeur de cet angle doit être judicieusement choisie. En effet, l'angle α1 est lié mathématiquement à la valeur du jeu J entre le piston et la paroi de la chambre. Ce jeu J est calculé et mesuré lorsque, les effets produits par des moyens élastiques de compensation étant annulés, l'axe du piston 02 se situe dans l'alignement des axes 01 et 03 de l'arbre et du tourillon, sur la droite d'alignement de ces axes. Ce jeu peut être observé, lorsqu'on fait pivoter la manivelle autour de l'axe 03 pour amener le centre du piston 02 sur la droite O1O3.
Le graphique de la figure 5 représente une courbe 48 donnant la variation du jeu J en 10-1 mm en fonction de l'angle a, en radians. On voit, que la variation est presque linéaire pour des valeurs de J supérieures à 1 mm. Les valeurs de J et de a, sont liées mathématiquement et peuvent être calculées pour des dimensions données de la chambre, du bras de manivelle et autres paramètres de la construction.
La figure 4 représente, pour un jeu de 2,5 mm correspondant à un angle α1 d'environ 36°, une variation de la force de réaction Re exprimée en décanewton au point de contact glissant E du piston sur la paroi de la chambre en fonction de l'angle de manivelle w en radians, c'est à dire la position angulaire instantannée de la droite 01 E.
Cette courbe montre un point d'équilibre 45 pour une valeur d'angle de manivelle w, auquel correspond le diagramme de forces de la figure 10, où la force de réaction Re au point de contact E est nulle. La courbe présente un maximum en 46 correspondant à une valeur de l'angle de manivelle w situé entre 0° et w, pour lequel la force de réaction Re au point de contact E est maximale.
En dépassant l'angle w1, la direction d'application de la force Re s'inverse et le piston a tendance au décollement du chemin de roulement. Cette force de réaction Re négative présente en 47 un minimum dont l'effet doit être combattu par l'utilisation des moyens élastiques de compensation, tels que ressorts ou combinaison de cales et de ressorts (voir le diagramme de forces, figure 11).
La figure 6 présente une courbe 49 de variations du rendement de compression en pourcents en fonction de l'angle de calage a, en radians. Il en résulte, que la partie ascendante de la courbe correspond aux faibles valeurs de a, sur lesquelles devrait théoriquement se porter le choix. Toutefois, la force de réaction Re, dont les variations en fonction de l'angle de manivelle w sont représentées à la figure 4, peut atteindre des valeurs prohibitives incompatibles avec les efforts tolérables que l'on peut imposer aux matériaux en raison de leur résistance à la rupture et à l'usure rapide. Pour des valeurs de α1, égales ou inférieures à 20°, la réaction sur l'arbre moteur est trop forte et à la suite de l'augmentation des efforts mécaniques le rendement diminue. Plus ai, est petit, plus importantes sont les forces s'exerçant sur le piston et le tourillon et qui engendrent des pertes d'énergie par transformation en chaleur de friction.
On a représenté aux figures 7 et 8 les courbes 50 et 51 montrant les variations des forces Re exprimées en décanewton en fonction de la valeur du jeu J en 10-1 mm, correspondant respectivement à la force de réaction maximale au point de contact E (point 46 de la courbe selon la figure 4) et à la force de réaction négative maximale (point 47 de la même courbe). On voit, que la force de réaction Re positive diminue, quand le jeu J augmente. Cette force tend vers l'infini pour un jeu nul, ce qui orienterait le constructeur vers un jeu le plus grand possible. La force Re pour un angle w2 (figure 4) devenant de plus en plus négative selon la figure 8, on aurait tendance à choisir, au contraire, une valeur de J la plus faible possible.
On s'aperçoit que l'écart entre Re positif et Re négatif diminue avec le jeu et atteint un palier pour un jeu d'environ 10 mm. Le choix de J détermine la valeur de l'angle α1, puisque l'angle α1 varie presque linéairement en fonction du jeu J pour des valeurs de J supérieures à 1 mm (voir figure 5).
En pratique, pour déterminer le jeu J ou l'angle α1, on choisit sur la figure 5 une plage des angles α1 correspondant au rendement souhaité. Pour des raisons de résistance des matériaux mentionnées précédemment, on choisira α1 supérieur à 20°, ou mieux, supérieur à 30°. Pour connaitre les forces réactives positives et négatives auxquelles seront soumis les matériaux, on tracera des diagrammes des efforts, selon la figure 4 pour chacune des valeurs choisies de l'angle α1. On tiendra compte, d'une part, de la valeur maximum de la force réactive Re positive à laquelle pourront être exposés les matériaux et, d'autre part, de la valeur maximum de la force Re négative, car plus elle est importante, plus importants devront être les moyens élastiques de compensation à utiliser avec un seuil limite qui représente les possibilités extrêmes de compensation par emploi de ressorts en raison de leur résistance mécanique. Ainsi, on choisira la courbe où la valeur Re positive et la valeur Re négative sont acceptables pour des raisons mentionnées.
Aux figures 9, 10 et 11 sont représentés les diagrammes de forces pour différents angles de manivelle w s'exerçant dans un compresseur, où l'angle de calage α1 est de 32°64' et le jeu de 5 mm.
Ces diagrammes correspondent, respectivement, en ce qui concerne la figure 9, à un angle de manivelle w quelconque situé entre 0° et w, (figure 4), c'est à dire où la force Re est positive, en ce qui concerne la figure 10, à un angle d'équilibre w, (point 45, figure 4) juste avant le décollement du piston de son chemin de roulement et, en ce qui concerne la figure 11, à un angle situé entre w1 et w2 (point 47, figure 4) dans la zone de décollement où la force Re négative est maximum.
Selon ces figures,
Dans le cas de la figure 9, le piston est en équilibre pour un angle de manivelle w compris entre 0° et w1 (figure 4). Il est soumis à un couple résultant de la force FPc positive qui représente la force de pression régnant dans la chambre HP et passant par le centre du piston 02. La lettre a désigne le bras du levier qui permet de calculer le couple agissant sur l'axe O3 du tourillon et qui maintient le piston appliqué sur son chemin de roulement pour une rotation du vilebrequin correspondant à un angle de 0° à w1 en radians.
La figure 10 représente le piston en équilibre pour un angle w égal à w1 c'est à dire juste avant le décollement du piston.
La figure 11 représente un diagramme de forces pour un angle w compris entre w1 et w2, c'est à dire dans la zone de décollement. Après avoir franchi l'angle w1, la force Re devient négative et atteint son maximum pour un angle w2. Cette force s'exerce par lintermédiaire du bras de levier b et forme un couple tendant à décoller le piston de son point de contact E avec le cylindre. Pour éviter le décollement du piston, l'effet de la force négative Re est compensé par laction d'un ou de plusieurs ressorts 30 (figures 11 et 12), dont le couple FR x O1O3cos a3 est égal au couple Re x b.
La face d'appui 62 du ressort 30 sur la couronne est parallèle à la droite 25 reliant les centres du piston 02 et du tourillon O3 et sa droite d'action 23 passant par le centre 01 de l'arbre est perpendiculaire à la droite 25.
Le calcul de la force du ressort doit tenir compte de plusieurs facteurs, tels que la pression de travail dans la chambre HP et des dimensions de la chambre et du piston.
Le ressort 30 est disposé en amont du point de contact E par rapport au sens du roulement du piston (figure 2), son axe 67 passe par l'axe O1 de l'arbre et est perpendiculaire à la droite 25. Il est logé entre un plot de centrage 65 fixé à la couronne et un logement cylindrique avec lamage 64 ménagé dans la manivelle et dont le fond 66 est parallèle à la droite 25 (figure 12).
Le dispositif utilisant un ou plusieurs ressorts pour maintenir le piston appliqué sur son chemin de roulement et compenser la force Re négative représente une première solution de calage du piston. D'autres moyens de compensation et de calage consistent à utiliser des cales à pentes coniques sollicitées par un ou plusieurs ressorts et permettent un ajustage progressif de calage.
Selon la forme de réalisation représentée aux figures 13 et 14, entre la manivelle 3 et la couronne 6 est ménagé un logement concave formé par deux méplats longitudinaux inclinés 58 pour loger une paire de cales 55 à pentes coniques 58 de sens opposé. A cette fin, le bloc de la manivelle présente à l'endroit du logement deux pentes, l'angle d'orientation de chacune correspondant à la pente de la cale qui s'y trouve logée. Les pentes coniques du logement et des cales sont inclinées à angle a4 par rapport à l'axe O1 de l'arbre 4. Aux deux extrémités transversales du logement sont logées les cales 55. Les faces de cales opposées aux faces à pente d'angle a4 et prenant appui sur un méplat 62 ou sabot que présente la couronne 6 à cet endroit sont convexes et arrondies, de façon à ce que les cales prennent appui sur leurs sabots selon une génératrice désignée par K. Le plan de symétrie 63 longitudinal de cales passe par le centre 01. Les deux cales 55 sont sollicitées en sens inverse par un ressort 57 travaillant à la compression dont l'axe de centrage 61 est logé aux deux extrémités dans les cales. La poussée des cales 55 exercée contre le sabot 62 de la couronne est perpendiculaire à la droite reliant l'axe du piston 02 et l'axe du tourillon 03.
Une autre forme de réalisation de cales est représentée aux figures 15 et 16. Au lieu d'être orientée à angle a4 par rapport à l'axe 01 de l'arbre 4, la pente 71 de la cale 70 est inclinée transversalement par rapport à l'axe 01 et notamment d'un angle a5 par rapport à la droite reliant le centre 03 du tourillon et le centre O2 du piston. A cette fin, le logement ménagé pour la cale est compris entre le méplat longitudinal 71 de la manivelle 3 et le méplat 72 que présente l'alésage de la couronne 6. La cale 70, dont une face longitudinale est en pente d'angle a5, est percée sur une face latérale des deux logements borgnes 73 pour loger les extrémités des deux ressorts 74 travaillant à la compression, dont les extrémités opposées sont retenues par des plots de centrage 75 placés sur un méplat de la couronne 6.
L'action de cales s'exerce selon une droite transversale par rapport à l'axe de l'arbre 4 et a pour effet de repousser la couronne 6 de la manivelle en direction perpendiculaire à ladite droite.
L'application présentée de la machine selon l'invention dans le domaine de compresseurs n'exclut nullement d'autres applications selon le principe exposé, telles que dans les domaines de moteurs à explosion, de pompes à vide, de récupérateurs d'énergie ou de freins pneumatiques ou hydrauliques.