Moteur à vapeur - base Cygnet Royal de Edgar Westbury

[will47]

Bonjour et bienvenue sur ce petit sujet qui, je l'espère, saura retenir votre attention. La réalisation que je m’apprête à vous présenter a vu le jour dans le cadre d'une année de Licence Professionnelle Techniques Avancées d'Usinage, dispensée à l'IUT Génie Mécanique de Bordeaux Gradignan.
C'est le fruit de plusieurs mois de travail pour moi et quatre camarades de promo, en collaboration avec l'équipe pédagogique de l'IUT GMP, notamment Monsieur Thierry Bombardier, formateur en tout ce qui à trait à l'électrique et électromécanique, et surtout passionné de motorisation propre et / ou hybride.
Le moteur ici présenté est un prototype tout alu, simplifié et tiré des plans du "Cygnet Royal", de Edgar T. Westbury.

-- Mer 19 Sep 2012 10:52 -- [edit automatique] ce message a été fusionné automatiquement avec le précédent [/edit]

Ce moteur est prévu, pour les prochaines promos de Licence, pour être reconçu avec un dimensionnement des matériaux et à une plus grande échelle, dans le but d'équiper un véhicule qui participera à l'Eco Marathon Shell.
Voila pour la partie présentation du projet mené à bien par nos soins.
Je vous présenterai ensuite les choix que nous avons fait en termes de fabrication avec les différents montages que nous avons du fabriquer par exemple, les moyens à notre disposition, le tout illustré avec des photos prises tout au long de la fabrication, jusqu'à l'assemblage final.

-- Mer 19 Sep 2012 11:06 -- [edit automatique] ce message a été fusionné automatiquement avec le précédent [/edit]

LES PIECES DONT MON GROUPE DE PROJET AVAIT LA CHARGE:

Nous étions 3 personnes. Nous devions fabriquer :
- Les 3 culasses
- Les 3 cylindres
- Les 3 bielles ( 1 centrale et 2 latérales)
- Le carter moteur
- Le rotor distributeur (galet central)
- Le stator distributeur
- Le couvercle de distribution
- Le coussinet de bielle

[Malevthi]

Cela promet d'être passionnant !

[maximus]

Bonjour,

+ 1

[will47]

Bonjour !!
Aujourd'hui, nous allons entrer dans le vif du sujet : fabrication des bielles. Cette partie n'est pas la plus simple, même si la géométrie des pièces n'est pas complexe. En effet, toute la difficulté réside dans les dimensions. A savoir, le moteur complet à une cylindrée d'à peine plus de 7 cm³ !
Donc, voici le plan des bielles à réaliser :

Pour ce faire, nous avons conçu et fabriqué le montage suivant :

A savoir, ce montage permet de fabriquer deux modèles de bielles : La centrale et la latérale. La latérale justement est légèrement diffférente de celle que vous pouvez voir sur l'extrait de dessin de définition, voyez plutot les différences :

3D Bielle centrale :


3D Bielle latérale :


Concernant la fabrication, ces pièces ont été réalisées en commande numérique, sur un centre d'usinage 3 axes ROSILIO équipé d'une commande HEIDENHAIN iTNC 530. J'ai réalisé un programme paramétré permettant de fabriquer les deux modèles avec le même montage et le même programme.

Demain : le reportage photo de l'usinage des bielles...affaire à suivre

[Pif]

Bonjour

Bien venu sur Bloooo !

Vivement demain !

Il y a toujours quelqu'un, sur Bloooo, pour aiguisé ma curiosité.

@+ pif

[ZAPJACK]

Purée!! si on additionne le nombre de cylindres en cours d'usinage actuellement sur Bloooooooo,
on se croirait dans une usine de production !!!
Gloire à Blooooo & à ses passionnés
LeZap

[maximus]

De plus il y en a pour tous les gouts, extras

[will47]

Bonjour,
Aujourd'hui, comme convenu, le reportage photos de la fabrication des bielles. Je comptais le faire ce matin mais c'était sans compter sur un empêchement de dernière minute....je dois m'absenter pour la journée... Je vous demande encore un peu de patience, je les posterai ce soir à mon retour.

Sinon, demain je vous présenterai le principe d'admission/échappement de ce moteur. Vous verrez, c'est pas mal du tout et assez révolutionnaire quand on sait qu'il ne date pas d'aujourd'hui...

[Malevthi]

Étant un bon élève, tu n'auras pas de sanction pour cette fois.

[ZAPJACK]

je les posterai ce soir à mon retour.

Ben, on est soir ??????,
LZ

[Malevthi]

Il a jusqu'à minuit comme Cendrillon, après c'est

[will47]

Bonjour à tous et mille excuses pour hier, je suis rentré du travail à 23h passées...j'ai pas eu le courage de rallumer le pc....

Bref, nous allons faire deux étapes en une ! Tout d'abord, les photos de la fabrication des bielles.

La première prise est réalisée en étau. On part d'un bloc en aluminium serré sur une hauteur maxi de 5mm (passage de fraise et hauteur utile oblige ).


Cette phase consiste donc à usiner dans la masse tout le profil extérieur, les plans de référence (faces planes de la tête et du pied de bielle) ainsi que le perçage en dimensions d'ébauche pour les deux alésages.

Voici à quoi ressemble la pièce après usinage de la Phase 1 :


Ceci est la phase la plus conventionnelle de la fabrication des bielles. Passons maintenant à la Phase N°2 !!

Comme vous avez pu le voir sur les prises de vues 3D postées un peu plus haut, les deux modèles de bielles sont un peu différents. Pour des raisons pratiques, j'ai voulu concevoir un petit montage suffisamment astucieux pour pouvoir y réaliser les deux modèles de bielles, mais qui soit aussi assez simple à fabriquer. De la même manière, ne voulant pas passer un temps fou à monter et démonter les éléments de la machine, je voulais qu'il puisse être lui aussi pris en étau, ce qui me permettait de laisser cet étau à demeure sur la table de la machine. Cependant, avec ce principe, il faut recourir a quelques changements de bridage au fur et à mesure de l'avancement du programme...

Voici le principe de fonctionnement du montage :


Et voici maintenant la pièce mise en position.



Bon, telle que vous la voyez ici, elle est en position de bridage N°1. Il faut imaginer le gros talon de matière qui est encore existant de par et d'autre de la bride. Sur la photo, la mise à épaisseur de la tête et du pied de bielle est déjà réalisée. Le plus important cela dit est que vous visualisiez bien le processus de fabrication.
Récapitulons :
1- On met en place le montage dans l'étau et on vérifie son bon dégauchissage.
2- On positionne la bielle issue de la phase 1 d'usinage sur le montage, comme sur la photo.
3- On met en place la 1ère bride en position centrale
4- On démarre le programme d'usinage jusqu'à la commande de changement de bridage (On en est à cette étape sur les deux photos précédentes).
Vous suivez toujours ? ...parfait !! Continuons...

Le bridage évolue : on met en place une petite bride sur la tête de bielle, et une petite vis BTR + rondelle sur le pied de bielle, puis on retire la bride centrale. IMPORTANT : respecter cet ordre pour ne pas que la pièce puisse bouger en cours de manip.... isostatisme, quand tu nous tiens...


Vous voyez ainsi le résidu de talon qu'il va falloir faire sauter maintenant, en petites passes bien sur !
La crainte majeure que nous avions, c'est le risque important de déformation de la pièce après relâchement des contraintes résiduelles du matériau après usinage. Pour les limiter, nous avons décidé un usinage par prise de passes réduite (1mm maxi), et un relâchement de la pièce avant finition. A noter cependant que les spécifications importantes ici sont les diamètres alésés et surtout le bon parallélisme des axes des 2 alésages, pour éviter que ça contre-tire en fonctionnement...

Trêve de bla bla, la suite des photos...Nous voici rendus à la dernière étape :


Ici, une fois le talon retiré, on relâche la pièce (et ses contraintes), puis on la repositionne pour finir l'épaisseur le la tête et du pied, puis des 2 alésages.
Celui de la tête est réalisé avec un alésoir, celui du pied est réalisé à la fraise, en interpolation hélicoïdale. Je préfère personnellement cette dernière solution car on peut maîtriser la côte plus facilement (ça n'engage que moi...).

Récapitulons l'ensemble :
1- On met en place le montage dans l'étau et on vérifie son bon dégauchissage.
2- On positionne la bielle issue de la phase 1 d'usinage sur le montage, comme sur la photo.
3- On met en place la 1ère bride en position centrale
4- On démarre le programme d'usinage jusqu'à la commande de changement de bridage
5- Changement de position des brides
6- Ebauche et finition de la zone centrale (talon)
7- Relâchement des contraintes et remise en position de la bielle avec bridage central
8- Finition des épaisseurs de tête et de pied de bielle
9- Alésages
10- ...euh... la c'est fini, la pièce est prête !

JE SENS VENIR UNE QUESTION ....
" Vous aviez parlé de différentes géométries de bielles...en plus on voit sur les captures 3D au début que les pieds et têtes de bielles sont différents d'un modèle à l'autre...comment le gérez vous ????"
Bien vu !!! je vous explique l'astuce

Comme vous avez pu le constater, la grosse différence se situe au niveau de la tête de bielle. Cependant, le pied diffère aussi un peu.
Concernant le pied, c'est vite expédié : sur chacun des modèles, il y avait une face identique avec un ressaut de 0.5mm par rapport à la face de l'âme centrale de la bielle (=la partie de 2.5mm d'épaisseur). Pour ne pas être embêté, il suffisait donc de faire le bon choix pour la première phase d'usinage et commencer par terminer le coté où on avait le même ressaut... pour le pied de bielle, le tour est joué, le montage de phase 2 s'adapte aux 2 modèles...

Reste le cas de la tête : elle change complètement d'un modèle à l'autre.
Pour la phase 1 d'usinage : pas de problème ! avec un petit paramétrage, il n'y a que l'altitude suivant l'axe Z de la machine (axe vertical) à faire varier pour surfacer la tête. A l'aide d'une variable programme à laquelle on attribue la valeur 0 ou 1, le programme est capable d'aller chercher la bonne sous partie permettant d'usiner le bon modèle à la bonne altitude...
Pour faire simple : si variable = 0 je fabrique la bielle centrale / si variable = 1 je fabrique la bielle latérale. Le reste, c'est un jeu de calcul réalisé par le programmeur (alias moi même, j'adore me triturer l'esprit... )

En phase 2, avec le montage, c'est le même topo, avec le même principe de variables... mais il y a une subtilité sur le montage !!!

Eh oui, vous avez pu voir qu'à un moment donné il faut brider sur les extrémités pour usiner la partie centrale... Lorsque je fabrique la bielle latérale, pas de souci, chaque partie de la pièce porte bien sur le montage


Alors que la bielle centrale, elle...c'est pas la meme histoire :


L'astuce, ici, c'est de réaliser un petit cimblot amovible, permettant d'assure un bon appui pour le bridage, et qui vient se loger facilement dans le montage:


Le montage équipé du cimblot :


Et la Bielle centrale en position, le tour est joué !!


-- Sam 22 Sep 2012 11:11 -- [edit automatique] ce message a été fusionné automatiquement avec le précédent [/edit]

Voici les photos des pièces finies :
- La bielle centrale, finie et équipée (en avant première pour vous) de son coussinet


La bielle centrale, finie et ajustée :


-- Sam 22 Sep 2012 13:00 -- [edit automatique] ce message a été fusionné automatiquement avec le précédent [/edit]

Parlons maintenant du second sujet, celui que j'avais prévu de traiter aujourd'hui, initialement. Le système d'admission / échappement !!

Celui-ci se compose de plusieurs éléments en interaction les uns avec les autres, à savoir :

Le carter moteur, support de tout l'ensemble :


Le stator distributeur, interface entre le rotor et le carter :


Le rotor distributeur, pièce maîtresse si l'on peut dire :


Le Carter de distribution, qui englobe le mécanisme :


Le couvercle de distribution, pour fermer l'ensemble :


Le vilebrequin, entrainant le mouvement de rotation:


Et enfin, la manivelle, permettant d'excentrer la rotation du rotor et "solidaire" du vilebrequin :


Le tout mis ensemble donne cela :


Bon, comme cela on ne voit pas forcément bien, je vais détailler le tout:

La manivelle est assemblée avec le vilebrequin comme ceci :


Le gros diamètre de la manivelle est ajusté avec l'alésage du stator de distribution, de manière à être assemblé comme ceci:


Sur la manivelle, vous pouvez voir un petit doigt excentré par rapport à l'axe du gros diamètre. Ce doigt se loge dans l'alésage central du rotor distributeur, ce qui donne ceci:


Le carter de distribution, quant à lui, voit son diamètre intérieur ajusté de manière à favoriser le mouvement de rotation du rotor mais aussi d'assure son rôle de chambre d'admission de vapeur (ou d'air comprimé). voici l'assemblage de celui ci:



A noter, l'axe du gros diamètre de la manivelle est coaxial avec l'axe de rotation du vilebrequin. La rotation de celui ci, entrainant avec lui la manivelle dont la rotation sera guidée par l'alésage du stator distributeur, permettra la rotation excentrique du rotor, lui même entrainé par le doigt excentré de la manivelle.

Cela parait compliqué, mais avec un minimum d'esprit mécanique et un peu de visualisation des différents éléments dans l'espace, et on y arrive


Point important : L'étanchéité du bloc distribution / échappement. Celle ci est conditionnée au jeu fonctionnel de l'ensemble mis en mouvement.
Le schéma ci après explique comment celui ci est défini :


JF est le jeu fonctionnel à obtenir pour que l'"étanchéité" du système soit acceptable : ici 0.01mm
a = épaisseur de l'épaulement à réaliser sur le couvercle de distribution
b= épaisseur du couvercle de distribution, usinée en fonction des dimensions des autres éléments au fur et à mesure de leur réalisation. ceci implique que le carter distri sera fait en tout dernier.
c= épaisseur de la collerette du stator de distribution
d= épaisseur du rotor

FONCTIONNEMENT DU MÉCANISME:
La vapeur est admise par le coté du carter distri, via un élément vissé dans le taraudage latéral. Elle passe par l'extérieur du rotor distributeur et rejoint les conduits vers le cylindre via la lumière oblongue usinée sur le stator et le carter moteur. Elle entre dans le cylindre par le dessus (côté culasse). Lorsque le piston la comprime, elle repasse par le même conduit qu'à l'aller, sauf qu'en arrivant dans le mécanisme distributeur, la position du rotor ayant changé, la lumière oblongue communiquant avec le conduit du cylindre étudié se retrouve en face des perçages de la partie centrale du rotor, ce qui permet à la vapeur de s'évacuer par le trou taraudé au centre du couvercle de distribution.
Sur le schéma suivant, les flèches vertes symbolisent l'admission et les rouges l'échappement.



Si j'arrive à trouver le moyen, je mettrai une petite animation vidéo du mécanisme en mouvement, ce sera plus parlant...
J'essaie d'être le plus clair possible mais ce n'est pas facile d'expliquer un mécanisme un peu complexe, même si celui ci est compisé de pièces géométriquement simples.

[homodelphinus0]

Bonjour,
Il me tardait de vous lire... C'est enfin commencé.
Moi qui connais la suite, il me tarde de lire le reste...

"Bien piètre est l'élève qui ne dépasse pas le maître..." à défaut de dépasser E. Westburry, vous l'avez rejoint dans ses astuces pour re-concevoir ce moteur.

Bravo et bonne route pour la suite…

Bien cordialement
T.B.

[maximus]

Magnifique exposé et fort bien imagé ce qui facilite grandement la compréhension du fonctionnement

[Georges Villette]

Purée!! si on additionne le nombre de cylindres en cours d'usinage actuellement sur Bloooooooo,
on se croirait dans une usine de production !!!
Gloire à Blooooo & à ses passionnés
LeZap

Attend Zap !
Je me réveille !
J'ai attaqué moi aussi un bout de fer !!!!
Je vous ferai un petit suivi !
.
En tous cas will47 , chapeau de nous faire participer à ton projet !
( Au passage , j'apprécie ta maitrise du français , çà devient rare aujourd'hui chez les jeunes ).
Georges