dessiner un moteur oscillant à simple effet

C'est un petit retour en arrière que je vous propose , retour à un moteur très simple de conception et de fonctionnement et devant servir à une expérience .
De ce fait, il s'appellera SIMPLEX avec un souci : obtenir un démarrage à la moindre sollicitation !

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On peut avoir envie de dessiner un moteur pour plusieurs raisons : afin d'en mieux comprendre le fonctionnement, pour répondre à un besoin personnel (cylindrée ou encombrement), ou pour reprendre un plan anglais et vérifier son fonctionnement (sur le papier ) avec des cotes décimales.
Une méthode qui peut-être intéressera les débutants et pourquoi pas d'autres amateurs de vapeur.

c'est tellement mieux quand ça bouge : image trouvée sur le Web
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Pour dessiner ce moteur, j'ai ressorti mon premier, celui du " week-end " de Bernard RETIF. Avant de passer à un moteur à double effet, il est bon de commencer par l' ABC, le moteur oscillant à simple effet.



la vapeur ????

Une illustration pour les débutants et qui montre le fonctionnement d'un moteur à vapeur (MRB 260, dessin de B. RETIF
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Cliquez pour agrandir l'imageAu risque de passer pour un radoteur, voici un autre croquis montrant " pas à pas " le fonctionnement de cet engin.
On oscille un peu en faisant tourner le volant, le trou du sabot arrive en (A) - Admission -,  la vapeur pousse le piston qui entraîne le maneton et le trou du sabot se retrouve de l'autre côté en (E) - Echappement - et Pfff… sortie de la vapeur  … et ça continue ainsi. Pour ce type de moteur, le volant d'inertie est indispensable.
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la cylindrée : la déterminer


Ce moteur devant servir à une expérience, un moteur de 1 cm3 sera suffisant.
. en partant d'un tube de laiton de 8 x10, on obtiendra S = 0.5 cm2
. le déplacement  du piston pour obtenir  1 cm3 sera de 2 cm
. la course du maneton entraînant la chape se représentera sur un cercle de R = 10mm
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piston, tige et chape

Dans ce moteur, le piston est guidé uniquement par le cylindre et il faut le prévoir assez long : 17 ou 18 mm semblent correct, ici, choix de 17.

Dessiner le piston en position haute (PMH = point mort haut) et en position basse (PMB  = point mort bas) accompagné de sa tige et de la chape.
Entre le PMH et le PMB, on aura notre déplacement de 20 mm.
On déterminera ainsi la distance maximum entre le trou du sabot et l'axe moteur : ici, 60 mm.
A noter qu'au PMH, le piston devra s'arrêter à 1 mm du bouchon soit, avec un trou dans le sabot de 2 mm, en son milieu.
En chanfreinant un des bords du piston, on obtiendra une admission totale de la vapeur.
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Admission et Echappement

En A, position théorique : au centre  -1- le trou du sabot de diamètre 2 ; de part et d'autre - 2- qui sont les trous de (A) et (E) et percés sur le bâti à 2 mm.
Entre eux, la fermeture totale ramenée à 0.5 mm, soit 0.25 de chaque côté.
Généralement, sur les plans proposés, on trouve 0.5.

En B, position pratique. En augmentant le diamètre des trous de (A) et (E) à 3.5, on assure un meilleur échange avec le trou du sabot. Le débattement va changer, mais pas la fermeture.

Déplacer les axes de (A) et (E) permet aussi d'obtenir des cotes de traçage aisées.
On peut d'ailleurs porter (A) et (E) à d'autres dimensions, les forets aux diamètres de 1/10ème en 1/10ème le permettent facilement et ce sera utile pour le dessin de moteurs oscillants à double effet.
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Le fait de réduire à 0.25 donnera un moteur prêt à démarrer à la moindre sollicitation - en le poussant un peu bien sûr ! - et diminuera  les angles morts, donc la contre - pression, source de fuites.
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axe d'oscillation


Ce croquis sera effectué à la plus grande échelle possible afin de limiter les risques d'erreur.
Il permettra de déterminer l'emplacement de l'axe d'oscillation.
Il suffit de tracer les deux tangentes au cercle de diamètre 20 en partant des centres de (A) et (E) : tangentes qui représentent le débattement maximum de part et d'autre.

A l'intersection, on trouve l'axe d'oscillation : ici, à l'oeil, 46,5 de O.
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vérifications par le calcul


Deux questions peuvent se poser :
1 - la position de cet axe obtenu par le croquis est-elle fiable ?
2 - le tracé de (A) et (E) fait sur une droite perpendiculaire au lieu d'un arc de cercle n'a-t-il pas des incidences sur le fonctionnement du moteur ?


1 -  vérification du point C par le calcul :
Dans ABC, triangle rectangle
BC² = AB² + AC² ;  donc AC² = BC² - AB² = 2162.5 - 100 = 2062.25
et AC = 45.41
la tangente ACB = AB / AC = 10 / 45.21 = 0.2202

Dans EDC, triangle rectangle
Tangente DCE = DE / DC = 0.2202 (opposition)
et DC = 3 / 0.2202 = 13.62

De l'ordre du 1/10ème c'est acceptable … Mais on peut aussi se soucier d'une légère erreur de traçage : 0.5 mm avec 3 traits qui se croisent, si fins soient - ils, c'est possible !

Si on essaie avec BC = 46, on obtiendra AC = 44.899 ; tangente = 0.22276 et DC = 13.467.
Si on essaie avec BC = 47, on obtiendra AC = 45.923 ; tangente = 0.21775 et DC = 13.777

CONCLUSION : on retiendra BC = 46 et DC = 13.467 = 13.5

...

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2 - incidences sur (A) et (B)

Le diagramme a été établi par le tracé perpendiculaire de (A) et (E) alors que les trous seront sur un arc de cercle de rayon 13.5.
Par le tracé, on voit que l'incidence est insignifiante.

Et par le calcul ?
Je vous en fait grâce des calculs fastidieux qui font appel cette fois aux sinus et cosinus ! ! !. On obtiendra environ  2.9 mais, comme le disait André Lecomte, travailler au 1/10ème , c'est déjà très bien !


CONCLUSION : on tracera les centres de (A) et (E) sur un arc de 3 mm à partir de l'axe de symétrie.

les angles morts

**Encore une petite simplification : on trace les " tangentes " au cercle O  à partir du ½ diamètre du trou du sabot ( 1 mm) augmenté de la fermeture (0.25 mm), soit 1.25 mm et on continue à conserver le centre de (A) et (E) sur une perpendiculaire.

OA, marque l'ouverture à l'Admission et FA la fermeture.
OE marque l'ouverture à l'Echappement et FE la fermeture.

Il est important que les angles morts (en grisé) soient les plus faibles possibles. Plus ils seront importants et plus la remontée du piston en contre - pression sera longue (tout est évidemment relatif) et plus les fuites seront importantes.

Des angles morts trop importants se caractérisent par un sabot qui se soulève : on pense que le moteur est mal appliqué sur le sabot, on serre, et … ça ne change rien ! ! !

Si on ne considère que le croquis, il semblerait que :
  • l'angle mort à l'Admission total soit d'un peu plus de 40°
  • l'angle mort à l'Echappement totalsoit d'un peu plus de 65°
  • et que x** , la remontée du piston pour atteindre la bord du trou d'Echappement  (Pfff …),  soit de l'ordre de 1.5 mm, plutôt correct !
  • quant à la distance entre OA et FA, elle est insignifiante.
Les croquis redessinés par Eric ont mis fin à ces approximations : OA/O/FE = 43°14 ; FA/0/OE = 67°16

On verra  au fonctionnement… et, depuis; il n'y a plus de suspense : c'est tout bon !

traçage sur le bâti


On prendra donc les cotes de 46 et de 13.5 , avec un écartement de (A) et (E) de 3 ; le trou du sabot sera de 2 et celui de (A) et (E) de 3.5.

Commencer par tracer un axe puis :
  • pointer -1-
  • pointer -2-  à 46
  • tracer arc -3-  de rayon 13.5
  • tracer -4-  avec un rayon de 3

Percer à 4  en -1-  et -2- , et à 3.5 en  - 4 -




Il n'y a plus qu'à habiller ce croquis. Attention, le choix de 13.5 entraîne une légère modification : la hauteur du piston du PMB à l'axe moteur passe de 50 à 49.5
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un peu plus de précision

en déterminant l'écartement maximum de l'oscillation et permettre de trouver, en fonction du trou du sabot et de la fermeture de 0.25, les axes des trous de la glace.
Méthode valable pour un oscillant simple effet ou double effet.

nouvelle méthode de dessin


Pour déterminer la distance entre les axes, une nouvelle méthode est décrite dans l'album cité ci-dessous : plus de tâtonnements et on trouve directement la longueur permettant de respecter un angle total de fermeture inférieur à 90°.
moteur futé : nouvelle méthode de dessin
une aventure à poursuivre
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On peut aussi se faire plaisir simplement en plaçant 3 moteurs les uns à côté des autres ,
image trouvée sur le Web.

un petit complément

Une discussion récente sur le forum de Blooo montre que le principe de l'oscillant n'est pas toujours compris et, en me relisant, je me rends compte que mes explications doivent être complétées.
On parle du cylindre et du piston qui s'y déplace mais on ne précise pas que deux mouvements sont conjugués :
. le premier, un mouvement vertical, celui du piston, qui va se déplacer de bas en haut dans le cylindre, déplacement transmis par le maneton sur le volant de l'axe moteur et avec une course égale au déplacement de ce maneton
. le second, un mouvement latéral ou oscillant autour d'un axe de rotation,  transmis aussi par le piston quand il se déplace dans le cylindre, ce dernier étant son guide.

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Voici le moteur (piston-bielle) de M. Masseran - MRB d'avril 1983 - dont s'inspire le 3ème croquis.

En A, le montage le plus connu.
Pour obtenir le guidage latéral en oscillation, il faut un piston long qui se déplacera sans problème dans le cylindre qui sert de guide.

En B, des pistons courts que l'on peut réduire à une simple rondelle ou, plus élaboré, à des coupelles de téflon.
Si on ne fait rien, le piston va se promener comme bon lui semble car il ne sera pas guidé dans le cylindre.
Pour obtenir le guidage, deux solutions : ajouter en bas du cylindre une bague amovible qui va guider la tige du piston et le maintenir parallèle au cylindre, ou utiliser le système de Monsieur Monsieur MASSERAN qui prolonge le cylindre par une coulisse.

un peu de documentation rare sur les moteurs oscillants grâce à Paul FONLUPT


Les machines oscillantes sont caractérisées par la disposition du cylindre et on en rencontre 5 variétés :
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1 - machine oscillante verticale droite :


la tige du piston est en position verticale lors de la position moyenne d'oscillation qui correspond à l'instant des points morts. La tige sort par le dessus du cylindre.

Très utilisée sur les bâtiments à roues, on la trouvait aussi sur des navires à hélices avec engrenage.
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2 - machine oscillante verticale renversée ou à pilon :


la tige du piston est encore verticale lors de sa position moyenne d'oscillation mais elle sort par le dessous du cylindre.

Surtout pour les petits bateaux de rivière.
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3 - machine oscillante inclinée droite :


la tige du piston occupe, lors de sa position moyenne d'oscillation, une direction généralement inclinée à 45° et sort par le dessus du piston.

Utilisée sur les paquebots à roues anglais ou américains. 
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4 - machine oscillante inclinée renversée :


la tige du piston fait, lors de sa position moyenne d'oscillation, un angle de 45°, mais elle sort par le dessous du cylindre.

Utilisation rare et seulement sur les navires à hélice du commerce.
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5 - machine oscillante horizontale :


la tige du piston est horizontale lors de sa position moyenne d'oscillation.

Utilisée sur quelques navires de guerre à hélice avec ou sans engrenage.
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Un croquis qui me plaît beaucoup et qui montre tout le savoir-faire de nos anciens : le cylindre, en oscillant sur une "glace" courbe, assure sa distribution !
Une réalisation technique surprenante.
 

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album terminé ...

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