recherches pour la conception de moteurs à tiroir cylindrique : théorie

Passer du moteur oscillant au moteur à tiroir est une étape intéressante. Avec un bon plan, on s'en sort aisément. Mais pourquoi ne pas le concevoir ?  Du moteur à tiroir  cylindrique à simple effet au moteur à tiroir plan ...

une étude en 3 épisodes

1  - moteur à tiroir cylindrique horizontal ou vertical à simple effet et recouvrement
2   - moteur à tiroir cylindrique à double effet et recouvrement
3  - moteur à tiroir cylindrique vertical à double effet sans recouvrement

1 - moteur à tiroir cylindrique à simple effet : étude théorique, principes à respecter

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le coup de coeur

Il y a longtemps que dort dans mes cartons ce plan d'origine anglaise. Le problème est que certaines dimensions manquent. Ainsi, nos amis donnent le diamètre du tube servant à confectionner la tête de bielle, mais pas le diamètre intérieur !
Alors, pourquoi pas un nouveau défi ?

Cela commencera par un essai de compréhension du fonctionnement. Deux sources : celle d' Adrien SENTZ (MRB n° 244) et celle d'André LECOMTE ( 4 moteurs à vapeur - CAV).

Un album entièrement revu à la suite de quelques déboires connus avec mon second moteur à tiroir : finalement rien ne vaut l'expérience pour comprendre et progresser !


Dans un moteur à tiroir, le piston se trouve à la verticale de l'arbre mais il n'oscille pas, la distribution est alors assurée par un tiroir qui se déplace et commande l'arrivée et la sortie de la vapeur. Ce tiroir est actionné par une bielle montée sur un excentrique.

Pour l'étude présente, les données recueillies s'appliquent à un moteur à tiroir plan ou cylindrique à double effet. Mais les principes restent les mêmes pour un moteur à simple effet plus rapide à usiner ...

quelques principes à respecter pour la réalisation de tiroirs cylindriques : relevé des lectures


quelques principes à respecter : relevé de lectures

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diagramme de distribution
En A, diagramme concernant une machine lente. Dans ce cas, tous les orifices sont fermés au voisinage des PMH et PMB.
En B, le diagramme à éviter car il est impossible de fermer l'Admission et d'ouvrir l'Echappement en même temps : risque de fuites
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influence de la longueur de la bielle de l'excentrique :
Pour que son oblicité soit négligeable, il est nécessaire que sa longueur soit très supérieure à la course donnée par l'excentrique. Ce qui permet donc de considérer que l'excentrique est à 90° de l'arbre moteur !

Avec des déplacements de l'ordre de 2 à 3 mm, il n'y a aucun problème.
Cliquez pour agrandir l'imagecalage de l'excentrique
Cas retenu : excentrique de 2.5; arrivée vapeur de diamètre 2; recouvrement de 0.6.
En fait, pour ce moteur de faible cylindrée, j'ai repris les données du Simplex en portant à 0.6 la "fermeture" totale au lieu de 0.5.

C'est probablement ici que se trouve mon "erreur" découverte avec la réalisation du moteur à double effet, mêlant gaiement "calage de l'excentrique" et "avance à l'admission" : 2 angles, n'est-il pas ! De plus, on ne parle plus de "fermeture" comme chez les oscillants, mais de "recouvrement" ! Le recouvrement (r) - certains tiroirs n'en offrent pas - est déterminé par la course supplémentaire qu'on impose au tiroir . Pour ce moteur à simple effet, la course supplémentaire sera de 0.6 mais elle devrait être de 0.5 : excentrique de 2.5 - ouverture de 2 = 0.5. Et si on voulait mettre 0.6, il faudrait que l'excentrique soit de 2.6 ! Mais pas d'inquiétude, ce moteur tourne parfaitement.

Si le 1/10ème n'a aucune conséquence pour ce moteur, il n'en sera pas de même pour le moteur à double-effet qui ne voudra bien tourner qu'à partir de 2 bars ...




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sens de rotation

Il est déterminé par l'Admission qui doit se faire pendant la partie descendante du piston

En calant l'excentrique à 180° de la position première, on obtient un moteur tournant dans le sens inverse.
Déterminer le recouvrement qui va déterminer le calage de l'excentrique .

Ici, le tiroir va descendre pour atteindre le début d'ouverture à l'admission et cette descente correspond à un angle de rotation.

Avec les Sinus, on a vite fait de calculer cette descente et on voit que, si on veut augmenter le recouvrement, il faut aussi augmenter dans les mêmes proportions la valeur de l'excentrique.
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Cliquez pour agrandir l'imageOn se pose souvent des questions concernant l'excentrique et il est vrai qu'à le voir tourner, on peut se demander comment ça fonctionne. Des heures sur Internet sans rien trouver ... Aussi un petit croquis montrant la transmission par la bielle et la transformation d'un mouvement rotatif en mouvement longitudinal

L'excentrique se déplace autour d'un cercle de R égal à la valeur de l'excentricité souhaitée et dont le centre se trouve sur l'arbre moteur.

Le déplacement donné au piston (x) est égal à celui de la perpendiculaire issue de son centre jusqu'à l'horizontale passant par l'axe moteur. Pas bien fort comme explication, le dessin parle mieux !


le tiroir :

sa réalisation pose problème pour son usinage mais aussi pour qu'il coulisse parfaitement. Quelques solutions :

les plans projetés


Cliquez pour agrandir l'imageOn reporte , par étapes, les données obtenues ou celles décidées :
1 : dessiner l'excentrique
2 : report de la longueur entre position de l'excentrique quand le tiroir ferme juste l'Echappement : on obtient ainsi la position du tiroir à des endroits caractéristiques ( le plus haut et le plus bas)
3 : détermination des dimensions du tiroir après avoir dessiné la bielle de l'excentrique en prévoyant une petite marge en hauteur. Il est possible, si la bielle n'est pas assez longue, de revenir au point 2
4 : dessin de l'arbre moteur et du maneton
5 : en fonction de 3, dessin du cylindre, du piston en position haute et basse, d'une bague de guidage du bouchon,  de la bielle ...

A, B etC : voir ci-dessous  les idées pour les réglages.

Il reste bien sûr pas mal de petits détails à peaufiner, mais l'épure obtenue devrait "tenir la route" !

Petit rappel : il n'est pas dans mon intention de fournir des plans, mais de montrer qu'en suivant quelques règles simples, on peut concevoir son propre moteur et l'adapter à ses besoins. Ainsi, se ce type de moteur vous intéresse, vous pouvez le concevoir mais en portant la cylindrée à 1,5 cm3 et les cotes d'implantation changent ... ou encore lui prévoir une destination précise et ... le support est à modifier...





A ce stade, on peut imaginer l'implantation du moteur :

  • positionnement du bloc
  • espaces entre les supports des roulements en pensant aux épaisseurs du disque d'entraînement, de la largeur de l'excentrique
  • écartement de l'axe moteur et du bloc en fonction des bielles
  • hauteur du bloc en fonction du diamètre du volant

et la dessiner.
des idées pour les réglages...

...le problème étant que, contrairement au moteur à tiroir plan, on ne peut pas soulever le couvercle pour voir ce qui se passe !
Petits trucs :
  • réglage du piston en PMH grâce à un foret de 1 qu'on glissera dans le trou percé à deux et sur le quel vient se plaquer le piston
  • réglage du tiroir pour qu'il vienne en position d'Echappement juste fermé grâce à un petit téton situé en bas d'une vis M3 pénétrant dans une empreinte de diamètre 1 sur le tiroir
  • réglage de l'excentrique en bloquant le tiroir ...
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une idée de la distribution
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réglage de la position du piston en PMH
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Ce réglage vise à déterminer la longueur exacte de la bielle à fabriquer. On est ainsi certain que le piston en position haute (PMH) viendra tangenter le trou d'admission de vapeur.
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Même chose pour le tiroir et un peu plus délicat. Mais le petit "outil" fabriqué bloque le tiroir à sa bonne position et on peut ainsi déterminer et régler la longueur de la bielle quand elle est calée à 90°.
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réglage de la position du tiroir
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réglage final
Cliquez pour agrandir l'imageVue de dessus : à droite, le tiroir est bloqué. On tourne l'excentrique jusqu'à ce qu'il soit à 90° du maneton. Il ne reste plus qu'à serrer les vis de part et d'autre de la tête de bielle.

Et si le moteur ne tourne pas dans le bon sens , il suffit de bloquer l'excentrique à 180° de cette position ...
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Et finalement ... ça fonctionne.


2 - moteur à tiroir cylindrique à double effet

On trouve finalement peu de documents pour ce type de moteur pourtant particulièrement répandu. La véritable source se trouve sur Internet et dans les sites consacrés aux locomotives. Mais c'est terriblement ardu pour un novice comme moi alors, ... en avant pour la simplification !

Bien des cas sont à considérer :
  •   machine rapide = avance à la distribution ;  machine très rapide = début de l'admission avant le PMH ; machine ayant du rendement = détente ... et ce ne sont pas les cas étudiés.
  • ici on obtiendra une machine plutôt lente et facile à régler.
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tiroir cylindrique à distribution extérieure
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tiroir cylindrique à distribution intérieure
documents extraits du site : http://www.voisin.ch/dlok/index-1_f.html  qu'on ne peut pas ne pas consulter


Mes autres sources restent celles d'Adrien Sentz et de André Lecomte.
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inspiration pour la position médiane
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Il y a donc plusieurs façons d'envisager un tiroir cylindrique :
Tout d'abord, il faut que les parties extrêmes du tiroir aient une largeur égale à celle du déplacement de l'excentrique.

Dans les croquis qui suivent, (x) est la largeur de chaque extrémité, (l) représente la lumière d'admission ou d'échappement, (r) le recouvrement que l'on peut souhaiter donner.
A : ici pas de complication puisque (x) est (égal à (l), mais ce tiroir sera source de fuites
B et C : tiroirs avec recouvrement mais  (x) est toujours égal au déplacement de l'excentrique !

* A noter que si vous allez sur le site de M Voisin, vous vous rendrez compte que "nos" petits moteurs sont terriblement simplifiés : taper "recouvrement" dans le glossaire !



Cliquez pour agrandir l'imageDans l'étude théorique qui suit, il y aura donc un recouvrement et, pour que l'admission se fasse juste au PMH, il sera nécessaire de déplacer le tiroir de la valeur de ce recouvrement (0.5 soit un angle de 11°30 arrondis à 12) et on obtiendra ce déplacement en donnant une avance de l'excentrique.
On en revient donc au calage de l'excentrique avec ce  croquis.

Il s'agit donc de mettre en position la lèvre du tiroir alors que le piston est au PMH. Tout comme pour le moteur précédent, il est prévu un trou de positionnement dans le tiroir.

Le piston étant réglé au PMH (on peut utiliser une petit cale sous le maneton pour maintenir ce réglage), on bloque le tiroir  pour être en début d'admission. Il ne restera plus, l'excentrique étant calé à 90° du maneton, qu'à régler la longueur de la bielle.
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Une autre donnée à prendre en considération : on supposera que le tiroir se déplace symétriquementdevant les lumières qui seront découvertes ou recouvertes également.

 
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Prendre en compte les trous d'échappement dans le cylindre qui reçoit le tiroir : il faut permettre le déplacement maximum du tiroir en position haute ou basse et faire en sorte qu'il vienne tangenter le trou d'échappement s'il est de 2. On peut prévoir si nécessaire un léger débordement du tiroir sur le trou si on l'a porté à 3.
Pour l'échappement, il est d'usage de prévoir un diamètre supérieur à celui de l'arrivée de vapeur ...
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Le choix de la cylindrée détermine l'écartement des trous d'Admission et d'Echappement (les lumières !).

Pour le fonctionnement, les données essentielles sont les suivantes: recouvrement de 0.5 pour un angle de 12°, axe d'excentrique à 2.5 de celui de l'axe moteur.

Prévision également du même système de réglage avec le téton amovible qui a fait ses preuves.


En partant de ce premier croquis, on peut dessiner le tiroir

. si, en position médiane, on déduit 2 fois le recouvrement de 0.5, on obtient la cote de 15 entre les arêtes intérieures des têtes du tiroir
. prévoir l'échappement de part et d'autre, 4 mm semblant  assez large pour accueillir les têtes lors des déplacements extrêmes de l'excentrique
. prévoir un bon guidage d'au moins 8 mm ; on pourra améliorer l'étanchéité du tiroir par un presse-étoupe (quelques millimètres de prévus pour le dépassement)
. prévoir une longueur suffisante pour que la bielle ne vienne pas cogner
. déterminer la longueur du bâti

On peut aussi continuer (c'est facile) en ayant les deux premiers éléments sous les yeux, à dessiner le cylindre et tout ce qui ira avec : les bouchons sans oublier les joints, le guide, ... et la longueur de la tige de piston.

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Il est temps de vérifier si, théoriquement, cela peut fonctionner. Pour cette étude recommencée, j'ai choisi une autre méthode, plutôt simpliste , je le concède !
Deux études : la descente du piston et sa remontée (double - effet)
  • la descente du piston :
En haut, report du tiroir en position médiane, les têtes en face des trous (traits verticaux fins), les recouvrements à l'intérieur. "On suppose que le tiroir se déplace symétriquement devant les lumières."
Au-dessous, la position de départ la plus importante : le piston est au PMH alors que la lèvre du tiroir est juste au niveau de la lèvre de la lumière ... prêt pour L'admission !

Petite vérification sur le croquis : "Si l'excentrique est réglé pour que l'Admission se fasse juste au PMH, l'Echappement de l'autre côté est déjà ouvert." Ce qui est le cas ...

Et, on place les têtes du tiroir dans les autres positions : admission totale et ensuite la fin de l'admission
Retour à la position de départ ...

  • la remontée du piston :
Même opération.
Au fur et à mesure, on note sur le cercle représentant le déplacement de l'excentrique les positions obtenues.

Lors de la course descendante :
L'Admission commence en 2 et, l'Echappement  débute au même moment  en 1 a
. pas d'Admission entre 1 et 2
. fin de l'Admission en 4
Lors de la course montante::
L'Admission commence en 7et l'Echappement débute en 6 a
. pas d'Admission entre 6 et 2
. fin de l'Admission en 9
En superposant les deux diagrammes et en dessinant le piston,  on verrait que les lumières sont obstruées au voisinage des PMH et PMB.
Ce diagramme convient à un moteur lent ...et, pour qu'il soit plus rapide, il faudrait donner une avance à la distribution ...
Objet d'une autre étude ?

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une petite idée de la distribution dans le bâti :

. au centre, un trou de diamètre 5 qui recevra le tiroir : des trous de 2 vers le cylindre dans le même axe, 1 trou sur le dessus pour l'admission vapeur
. au-dessous un trou de diamètre 3 dont la sortie ira vers l"Echappement;  deux trous perpendiculaires de 2 débouchant dans le trou précédent

3 ouvertures seront à boucher : taraudage à M 3, petit bouchon et soudure étain ; le 4ème sera fermé par une vis et recevra aussi le petit téton pour le réglage.
Cette manière de procéder évite les perçages en biais qui m'ont autrefois posé bien des problèmes !

les résultats pratiques :


Ils sont désormais très satisfaisants. Voir les commentaires sur ces essais avec la réalisation pratique :
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La lecture de différents documents est toujours intéressante. Mon ami Eric GAUTHIER a écrit un article passionnant sur la vapeur et un petit tour sur son site pour découvrir ses explications ne peut qu'être bénéfique :
http://maquettes.ge.pagesperso-orange.fr/article/pages/page7n11.htm

3 - un dernier essai avec le tiroir cylindrique

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Il m'arrive bien sûr de regarder ce qui se fait ailleurs. Et je suis tombé sur un moteur à tiroir cylindrique où il n'existe aucun recouvrement. Avec, comme avantage, un dessin simplifié puisqu'on cale tout simplement l'excentrique à 90°.

Pourquoi pas un essai ?
D'autant que, pour éviter le gaspillage de matières premières et le "temps perdu", il existe une solution : si le résultat n'est pas satisfaisant (fuites importantes par exemple et elles sont prévues dans mes lectures), le tiroir sera remplacé par un autre avec recouvrements. Il suffira de changer d'excentrique ... et pourquoi pas, une petite idée déjà, prévoir un tiroir interchangeable !



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le projet

Il est né pendant le dernier cyclone auquel on avait attribué le nom d'OLI, et comme cela se produisit le 03/02/2010, il sera baptisé "OLI 321" !

Les petits problèmes à résoudre :
1 : largeur du corps du moteur pour placer sans inconvénient le tiroir et les arrivées d'admission et d'échappement
2 : réduction de la hauteur du cylindre et, pour éviter le perçage de trous en biais, procéder comme avec le moteur du Gulnare
3 : tracer un diagramme pour le tiroir (celui-ci est prévu sans recouvrement)
4 : pour pouvoir changer ce tiroir, prévoir un système de guidage amovible
5 : il faudra alors usiner deux excentriques qu'on utilisera en fonction du tiroir
6 : pour les plans définitifs, descendre l'axe moteur de 5 mm pour allonger la bielle du tiroir
7 : prévoir le montage aisé du bloc-moteur sur un support spécial
8 : pour cette fois, prendre le temps de réaliser un support "à l'ancienne"
9 : et bâtir un support qui ressemblera à de la fonderie ...

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Paul vient de me faire parvenir ces croquis qui vont m'aider et - j'ai dû trop regarder d'images -  ressemblent étrangement à ce que j'ai esquissé ... 
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de l'étude théorique au dessin


Tout commence par le choix du tiroir : celui-ci sera sans recouvrement et, avec des trous d'Admission de 2, la tête aura 2 mm de large et l'excentrique sera de 2. Si on se réserve une longueur de 8 pour l'arrivée de la vapeur, le tiroir fera 12 mm de longueur et entre les trous on aura 10.
Si l'Admission est de 2, par contre, pour l'Echappement, il est conseillé de porter le diamètre à 3. La position des axes des trous de 3 par rapport aux têtes sera de x + 1, soit 3 et entre les axes de ces trous on aura 18.

croquis préliminaire
. on commence par dessiner le tiroir en position médiane, puis  aux positions extrêmes (déplacement de 2 mm vers le haut ou le bas).
. on peut ainsi déterminer les cotes du tiroir de diamètre 5 en prévoyant (pas de presse-étoupe) un guidage de 3 x 5 de diamètre = 15 pour l'étanchéité ; compter aussi 2 mm pour que le tiroir ne vienne pas cogner.
. pour le cylindre, la course étant de 14 et le piston faisant 5 d'épaisseur (coupelles de téflon), il faut 14 + 5 = 19 entre les positions du piston en PMH et PMB

choix pour l'admission de vapeur et l'échappement du cylindre
Pour éviter les perçages obliques, reprise de l'idée utilisée pour le moteur  pour roues à aubes : percer à 90° suivant l'axe des trous d'admission (voir tiroir soit à 10); effectuer deux rainures à la fraise dans le bloc de distribution en partant de ces trous; fraiser en haut et en bas après la soudure pour assurer l'admission ou l'échappement.

impératifs
a - se réserver 1 mm pour le bouchon qui fermera le passage du tiroir
b - compter 1 mm (moitié des 2 mm de l'admission) entre le PMH ou PMB et le fond des chapeaux du cylindre
c - compter 9 mm pour le guide de la tige de piston ( 3 mm) sur le chapeau inférieur ( 3 x 3 mm) pour assurer l'étanchéité

réglages
Comme pour les autres moteurs, il faut que, le piston étant au PMH, l'Echappement soit juste fermé. Dans ce cas, le tiroir est à mi-course et l'excentrique est à 90° de l'arbre moteur.

. tiroir : prévision d'une vis comme sur les autres moteurs
. piston: plus de possibilité pour le passage d'une pige de 1 mais celle de se fabriquer une pige en alu qui viendra remplacer,  le temps du réglage, le chapeau supérieur, pige dont la hauteur sera augmentée de 1 mm.


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Les croquis se suivent et on affine ... Voici celui  qui servira pour les plans de détails.

L'intérêt du dessin est qu'on finit par se rendre compte de certaines difficultés et qu'il faut bien trouver des solutions. Même pour un plan "tout fait", je passe toujours par une préparation dessinée ...


Quelques remarques :

1 - plutôt que de percer un trou pour le réglage du tiroir et de boucher l'autre, il est plus simple de fermer les deux trous par des vis M3
2 - le chapeau prévu au départ devra être agrandi pour boucher en même temps celui du tiroir et celui de l'échappement
3 - petit problème avec une tige de bielle de diamètre 3 : où on en met une de diamètre 2 ou on évase l'extrémité du pied
4 - traçage pour le perçage de 5 trous pour le chapeau supérieur : fiche avec le lien
5 - petits bouchons à souder
6 - il ne va pas être facile de s'arrêter lors du perçage à 1 mm du fond; en diminuant le diamètre du guide du tiroir à 8, on peut, en cas d'erreur, prévoir un bouchon
7 - lors du plan définitif il faudra prévoir l'épaisseur du joint de téflon, soit 0.25 de plus
8 - difficile de visser après le perçage du trou d'échappement, il faudra ajouter un plat percé à M2, et pour que ce soit plus équilibré, faire la même chose de l'autre côté


Et, il est probable que d'autres petites choses seront à modifier ...
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La partie pratique est terminée, et il faut dire que le choix du tiroir sans recouvrement a été un succès ... Toute la construction et les essais en cliquant sur le lien :

ce n'était pas le dernier ...



Un nouveau moteur à tiroir cylindrique avec beaucoup de nouveautés dans la construction et surtout un double échappement qui permet d'obtenir un régime particulièrement rapide ... Cliquer sur l'image pour accéder à l'album : plans et construction.

des compléments offerts par Patrick LECLERE

Il s'agit du moteur d'Elmer's ...  , l' Una-Flow Engine
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gros plan sur la distribution
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les plans de ce moteur sont disponibles en cliquant sur ce lien :
http://www.john-tom.com/ElmersEngines/48_unaFlow.pdf

album terminé ...

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