recherches pour la conception de moteurs à tiroir plan  : 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 au moteur à tiroir plan ... Gif trouvé sur le Web)

étude théorique pour un moteur à tiroir plan


La suite logique des premières études sur les moteurs à tiroir cylindrique.
Celle-ci sera cependant limitée à celle du tiroir et aux coulisses de Stephenson qui devraient assurer la marche avant, la marche arrière, l'arrêt, le démarrage et ... le ralenti !
Pour la structure même du moteur, les trucs développés avec le OLI 321 seront conservés voire améliorés.

documentation


Finalement, elle est assez rare et une fois de plus c'est Adrien Sentz qui m'a fourni le plus de données.
Dans les revues ou sur le Web, quelques plans que l'on peut disséquer. 
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AL5 de André LECOMTE
"Brochure CAV"
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JLS 13-2 de JL SOUMARD
sur son site
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D2 - 5 de Yves DIEBOLD
MRB 560
Cliquez pour agrandir l'imageSans compter mon premier moteur bi-cylindre à tiroir plan construit il y a quelques années et qui est une adaptation de celui dessiné par René LEFEVRE.

Je l'ai sorti de son étagère, tout poussiéreux et, sans trop de conviction, ai procédé à un essai au compresseur ... Il tourne du premier coup. Certes le ralenti n'est pas évident avec un seul côté de la coulisse répondant, un peu, à la sollicitation ... des réglages à revoir .

Un espoir : rendre ce moteur plus performant et pouvoir en construire un autre à la fin de cette étude ...

Pour mieux en saisir le fonctionnement, il vient d'être entièrement démonté. Bientôt les plans au fur et à mesure du remontage.
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le tiroir


Principe de fonctionnement : le tiroir se déplace dans une boîte à vapeur fixée sur le bloc de distribution à l'aide du poussoir qui servira à le déplacer verticalement mais aussi à le régler face aux trous de la distribution.
La vapeur arrive dans la boîte à vapeur fermée par un couvercle et sa pression va plaquer le tiroir contre la glace.
On retrouve alors le schéma classique de l'admission et de l'échappement selon les positions prises par le tiroir.

Avantage sur le tiroir cylindrique : il n'y a aucun jeu à craindre !
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Différentes façons de traiter le tiroir : largeur des lèvres et recouvrement (relevés effectués sur divers plans)

A - recouvrement extérieur de 0.5 et intérieur de 0.25

B - recouvrement extérieur de 1

C - recouvrement négatif à l'échappement qui est ouvert avant que le tiroir soit à mi-course

D - idem

E - tiroir sans recouvrement

F - recouvrement de 0.5 à l'extérieur et 0.1 à l'intérieur
Les calculs de Léonard Suykens : cas d'un excentrique prévu à 2 mm

Les relations établies sont les suivantes.
Il est admis que R (rayon de l'excentrique est égal à 4/3 de h , que e = 1/4 de R et que i = 1/20 ème de R.
On obtient alors :
h = 1.5 mm ,e = 0.5 mm et i = 0.1 m
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coulisses de Stéphenson




Un lien indispensable : http://www.tassignon.be/trains/Sauvage/Sauvage.htm#_86._Coulisse_de où on trouvera tout ce qui concerne les mécanismes de nos petites machines. Certes il concerne les locomotives mais un moteur à vapeur est un moteur à vapeur !
Un ouvrage qui date de 1889 (3ème édition) par Edouard SAUVAGE : LA MACHINE LOCOMOTIVE.

J'en ai extrait 4 documents qui répondent à beaucoup de questions qu'on peut se poser concernant le fonctionnement du tiroir et des coulisses : fichier PDF en cliquant sur le croquis.
1 - tiroir et distribution
2 - commande du tiroir
3 - coulisse de Stéphenson
4 - marche arrière

dessin d'un moteur à tiroir plan

méthode pour tracer une première ébauche  : un dessin en 4 étapes

Cliquez pour agrandir l'imagechoix du tiroir avec une excentricité de 2 mm :
Il est tenu compte des données de L. SUYKENS avec, pour l'instant, une petite différence : pas de lèvre intérieure de 0.1.Lors de l'usinage, il faudra essayer d'obtenir la cote de 5.8 au lieu de 6 actuellement.
A noter que le montage du poussoir est "flottant" pour permettre le bon placage du tiroir sur la surface de distribution et ce, même si une usure se produit. De plus, on sera assuré d'un guidage parfait à travers la boîte à vapeur.
En pointillés rouge, la course du tiroir (un peu exagérée) à laquelle il faut penser pour le dessin de la boîte à fumée.

le dessin du coulisseau :
Le rayon de courbure du coulisseau est égal à la distance entre le centre de l'axe moteur et la position extrême du déplacement du coulisseau; la distance entre les positions extrêmes est égale à 12 x l'excentricité choisie, soit 24 au maximum.
L'observation des différents moteurs permette d'envisager un rayon de courbure de 42 mm (la plus longue possible - voir étude n° 1) et à une distance entre les extrêmes de 22.

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On commence, sur la même feuille, par allonger et tracer les axes des orifices d'admission et d'échappement.

1 - Pour le cylindre et les pistons : pour une cylindrée d'environ 4 cm", les dimensions suivantes sont retenues : piston de 5 mm d'épaisseur dans un cylindre de 10 mm de diamètre; course de 14 mm.

2 - Le sabot aura 6 mm d'épaisseur et sera soudé sur le cylindre comme celui du OLI 321 : rainures qui partent des trous d'admission pour déboucher à la hauteur des PMH et PMB.

3 - Passer au dessin de la boîte à vapeur avec de l'espace ménagé en haut, en bas et en arrière. Vérifier qu'il n'y a aucun problème entre la hauteur de la boîte et la position des couvercle.

4 - Dessiner les couvercles et prévoir le positionnement du bloc-moteur sur son pied.
Cliquez pour agrandir l'image4 - Une autre possibilité pour le bouchon inférieur : ajout d'un presse-étoupe ... mais, si on on a un bouchon de 6 d'épaisseur, c'est suffisant pour limiter les fuites : 3 fois le diamètre de la tige !
L'avantage, outre la simplicité, est que, même en mettant 8, on réduit la hauteur du moteur et son apparence sera plus massive ...

5 -Ajouter le manchon du poussoir : il sera vissé sous la boîte à vapeur. On peut aussi lui ajouter un presse-étoupe simplifié ...

6 - Reporter les axes de la coulisse (l'axe supérieur à 42 de l'arbre moteur) et préparer le coulisseau.
Ici, pour un réglage facile du poussoir, prévision d'une vis qui recevra sa tige puis la bloquera en place.

7 - Le montage des biellettes de distribution devra être décalé de part et d'autre de la coulisse. Ces biellettes ressembleront à celles du OLI mais les têtes vont demander un bon usinage ou de la soudure ..

8 - Implanter les excentriques séparés par un disque de 1 d'épaisseur et de 20 de diamètre. Même fabrication que précédemment.

9 - Dessiner le vilebrequin. Le roulement central sera placé sur un axe situé entre les 2 cylindres.

10 - Tracer, en partant de la liaison des bielles du piston et du maneton, une tangente à la rotation du maneton. Porter la largeur de la bielle du maneton et dessiner le support (il faut se réserver un petit jeu avec le pied de la glissière même si on peut la biseauter.)

11 - Il reste à tracer l'arc de cercle du support. 
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On peut enfin procéder au dessin d'une vue d'ensemble.

Tous les détails ne sont pas portés, d'ailleurs beaucoup devront être affinés en vue de la réalisation.

Pour ce moteur, beaucoup d'options du Oli sont retenues pour lui donner un petit air "rétro". Mais, Sur la droite, une solution plus rapide en utilisant des jambettes pour soutenir les cylindres ...

Il reste cependant un problème à résoudre, celui de la commande des biellettes. Comme j'ai eu quelques difficultés avec mon premier moteur pour ce réglage, il va falloir vérifier par le dessin avant de passer à la réalisation.
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commande des biellettes

En partant du point fixe, déplacement alternativement de l'excentrique de droite vers le haut, puis de l'excentrique de gauche. On obtient ici les positions extrêmes avec inversion de marche.
Les proportions de de la biellette de commande et de son levier paraissent bonnes ...



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la distribution d'un moteur à tiroir plan

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distribution


Pour ce dessin, les cotes retenues sont celles de l'étape de dessin - 3 - .
Il est probable que c'est, encore une fois, un peu simpliste, mais cela permet de voir si ce moteur peut fonctionner ...

1 - Position de démarrage : piston au PMH et tiroir à ras de la lumière supérieure.
Ce tiroir pour être dans cette position a dû descendre de 0.5 mm (recouvrement extérieur) et la variation angulaire est de 8° : ce sera le début de l'admission.

2 - Le maneton a opéré 1/4 de tour, l'admission est totale, le piston est à mi-course.

3 - Un cas particulier: à la fermeture de l'admission, le piston atteint presque le PMB.

4 - Le cycle va recommencer avec cette fois la course du piston vers le haut.

Le total de l'admission pour une course est de 180° - 8° = 172° ; croquis établi sans tenir compte d'une quelconque avance à l'admission.
Si on voulait en mettre, 5° par exemple, cela nécessiterait des réglages plus complexes que je ne me sens pas encore capable d'assumer et surtout de prendre en compte pour mes dessins.
> à noter que bien des moteurs présentés par ailleurs et fonctionnant bien ne tiennent pas compte de cette avance ...
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une petite idée du ralenti


Si la course du tiroir diminue, la période d'admission de la vapeur diminue également ; si la course du tiroir est trop faible, il n'y a plus d'admission et le moteur ... s'arrête !
La couse du tiroir est maximum aux extrémités de la coulisse, quasiment nulle au milieu et réduite entre les deux.

A gauche, position de repos, pas d'action sur le tiroir, donc arrêt du moteur.
Au centre, en position extrême (on a déplacé le centre de l'excentrique), le déplacement du tiroir est au maximum et le moteur tournera à plein régime.
A droite, position intermédiaire, la course du tiroir est réduite et le moteur recevant moins de vapeur tournera au ralenti .

montage des biellettes


Il existe deux solutions : à bielles ouvertes ou à bielles croisées.
Appellation bizarre car, après un 1/2 tour de l'arbre, les bielles ouvertes se ferment et les bielles fermées s'ouvrent ...
Dessins de Adrien Sentz (MRB 244)
Cliquez pour agrandir l'image les deux systèmes quand on déplace le coulisseau à partir d'une extrémité :

. pour les bielles ouvertes , l'angle d'avance augmente fortement et la puissance diminue ; la course change peu et il devient difficile voire impossible d'obtenir le ralenti car la période d'admission reste pratiquement la même

. pour les bielles fermées, la course diminue rapidement donc le temps d'admission ; l'angle d'avance change peu et on garde la puissance. En plaçant la coulisse dans une position intermédiaire, la machine peut tourner au ralenti.

C'est ce second montage qui est préférable pour nos bateauxpuisqu'un seul servo permettra de commander la mise en route, l'inversion de marche , la plaine vitesse ou le ralenti ...
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un essai
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A droite, le montage à bielles ouvertes qui était le premier choix : à peine un soupçon de ralenti !

A gauche, le montage que je viens d'essayer : position à bielles croisées pour faire les réglages et ... un ralenti superbe. On peut pratiquement compter les tours.

réglage


Il faut déjà s'en préoccuper. Voici 2 croquis. Le premier reprend la méthode traditionnelle, le second n'est qu'une idée que d'aucuns trouveront farfelue ... à essayer cependant !
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Dessin de Bernard Rétif paru dans le MRB 235.

Méthode de René Lefèvre que j'ai testée avec succès (MRB 287) :

"Positionner un piston au point mort haut. Décaler l'excentrique concerné de 90°. Régler l'écrou du tiroir (en découplant la tige poussoir de sa coulisse) pour que celui-ci couvre systématiquement les lumières (les 3 lumières).
Par rotation le tiroir doit découvrir d'abord la lumière d'admission supérieure. Puis, le piston au point mort bas, recouvrir les 3 lumières, ensuite découvrir la lumière inférieure, etc...  Sinon décaler l'excentrique de 180°. En gardant le même sens de rotation, faire le même réglage pour l'autre cylindre."

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réglage d'un moteur à tiroir plan :


Placer le moteur face à soi (côté cardan).

1 - le piston est en position haute (maneton vers le haut)
2 - l'excentrique est calé à 90°, les biellettes sont croisées**.

Le levier d'inversion a été desserré.
Cliquez pour agrandir l'imageOuverture de la boîte à vapeur que l'on coince avec une vis. On peut en placer une autre pour maintenir la boîte bien d'aplomb.
Principe :
On fait tourner le moteur, par exemple, vers la droite.
Le tiroir doit d'abord recouvrir les 3 lumières (piston au PMH) puis, en tournant le volant, il doit découvrir la lumière supérieure.
Quand le piston est au PMB, le tiroir doit recouvrir à nouveau les 3 lumières.
En continuant à tourner,, toujours dans le même sens, on découvre la lumière inférieure.

Si ce n'est pas la lumière supérieure qui se découvre en premier (piston au PMH), inverser les excentriques de 180°.
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Placer la biellette de gauche en position haute (2).

Le réglage se fait en découplant la tige du poussoir (1) de la coulisse et en tournant plus ou moins le poussoir engagé dans le plat fileté placé au centre du tiroir. On peut aussi mettre un écrou à la place de ce plat et faire le réglage en le serrant plus ou moins (c'est plus précis mais plus difficile). Il faut aussi desserrer le levier de commande pour avoir du débattement et libérer la chape du poussoir.

Tourner le volant dans le sens de la flèche pour que le moteur tourne à droite.
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Retourner le moteur et procéder aux mêmes opérations : le moteur doit tourner dans le même sens ; cette fois c'est la coulisse de droite qui sera mise en position haute.
Ensuite ... on referme et ... on passe aux essais.

Ce moteur a tourné du premier coup au compresseur puis à la vapeur. 


un résultat satisfaisant


Cette fois le ralenti est bien marqué et du coup je ne pense plus monter de vanne-vapeur.

Démarrage à 1.5 bars, puis stabilisation à 1. Pour l'instant le ralenti fonctionne mieux en position de marche arrière (dommage). Il va falloir reprendre les réglages car il doit y avoir, d'un côté ou de l'autre un petit 1/10ème de différence qui provoque cela.

Mon film, comme à l'accoutumé n'est pas très bon, mais, en étant attentif, on perçoit bien le changement de régime.
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documentation 



Voici un document à consulter et offert par Jean-Marie TRIVIDIC:

Extraits d'un cours destinés aux officiers marine marchande :
http://jm.trividic.perso.sfr.fr/Modelisme_et_vapeur/Machines_alternatives_Regulation



album terminé ...

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