Etude préliminaire
Notre cahier des charges pour le moteur est : compact, robuste, facile à usiner et à maintenir. On donne la préférence à la fonction sur l’esthétique. Nous avons arrêté notre choix sur une conception déjà existante dans le modélisme vapeur et dont nous allons détailler notre façon de l’interpréter.
Note préliminaire : attention car dans les moteurs les chaînes de cotes liées sont particulièrement étendues. Donc si pour une raison ou pour une autre vous modifiez des dimensions étudiez bien toutes les conséquences avant de vous lancer.
Comme l’original équipant le camion, pour nous ce sera un bicylindre calé à 90° qui démarre en toute position et permet de s’affranchir d’un volant d’inertie.
Le moteur Purrey original
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Extrait du brevet pris par Purrey en 1901 sous le n° 271-205
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Vue du moteur installé dans le châssis.
La cylindrée du moteur modèle sera déterminée d’après les performances de la chaudière. Quelques autres éléments seront fixés lors de la fabrication du prototype, comme la course du piston et la longueur de la tige de bielle.
Les vues d’ensemble extraites du modèle 3D donnent une bonne idée de l’architecture générale. Une recours important à l’aluminium et au laiton explique une certaine massiveté des pièces. L’utilisation de ces matériaux est conditionnée par les capacités d’usinage de nos machines amateur.
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Ensemble bloc Moteur
Bloc moteur
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C’est un bloc alu à chemises rapportées. Cette disposition a le mérite de permettre les réalésages successifs ou le changement d’une seule chemise si celle-ci a été endommagée par un grippage piston. Le débord de la chemise qui s’insère en haut dans la culasse et en bas sur le guide de tige de piston n’oblige pas à réusiner ces deux pièces lorsque l’on intervient sur chemise.
Distribution
Les blocs de distribution se fixent sur les côtés du bloc moteur dans des rainures d’alignement. La distribution vapeur est contrôlée par un piston et non un tiroir. Le système à tiroir est plus complexe à usiner et à cette échelle n’augmente pas notablement la précision ni le rendement du moteur. On opte pour une bielle d’excentrique articulée de géométrie simple à usiner à partir d’un plat laiton standard d’épaisseur 5mm. Le pied de bielle d’excentrique est démontable. L’usure est faible et le laiton ayant un faible coefficient de frottement à ce stade il ne nous paraît pas nécessaire de l’usiner en alu et d’y adjoindre une bague bronze. De toutes façons par conception ce pied de bielle peut être changé à la demande.
Le bloc de distribution vapeur est ainsi simple à usiner. Il sera en laiton, la lubrification est amenée par l’huile contenue dans la vapeur. Par contre le pied de bielle d’excentrique doit être lubrifié manuellement.
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Régulateur/Inverseur
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La conception du régulateur-inverseur est du type à boisseau tournant. L’usinage est simple et plusieurs géométries de boisseau pourront être testées. La conception garantit une bonne étanchéité. Si l’axe s’avère fuyard on pourra rajouter un joint torique. Le boisseau étant mis en mouvement par un servo radiocommandé la fermeté de manœuvre ne sera pas un obstacle.
Pistons et bielles motrices
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Le piston est guidé par glissières pour annuler les risques de rotation autour de l’axe du cylindre ce qui fait que la bielle motrice travaille dans de bonnes conditions. Les glissières sont fixées et réglées sur la platine porte bloc-moteur. Celle-ci est en aluminium de 4mm ce qui assure un rigidité suffisante. La glissière est en alu usinée dans la masse. On peut aussi envisager de partir d’une fonderie. Les guides sont en rond rectifié.
La bielle motrice est de facture classique à pied démontable et bague bronze rapportées. Elles sont usinées en aluminium à partir d’un plat d’épaisseur 8mm. Ce matériau est léger et suffisamment résistant car il ne s’agit pas d’un moteur à explosion et les bielles sont trapues.
Le pied de bielle motrice sera probablement un peu retravaillé : amincissement pour pouvoir usiner une bague bronze avec des épaulements servant à la fois à son propre centrage lors du montage de pied de bielle et de bague latérale d’appui prompte à réduire les frottements.
Les axes seront usinées dans de l’acier d’outillage puis trempés. Pour des pièces de cette taille une simple torche à gaz suffit.
Vilebrequin
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Le vilebrequin est à trois paliers. Le quatrième palier sert à diminuer le porte à faux de l’arbre de sortie. La longueur de cet arbre de sortie est conditionnée par le pignon de sortie et l’entraînement de la pompe alimentaire de la chaudière. Ce quatrième palier n’est réglé que lorsque les trois paliers porteurs du vilebrequin le sont eux-mêmes.
Cette conception est très tolérante sur le mode de construction du vilebrequin : taillé dans la masse, mécano-soudé (brasé à l’argent) avec reprise au tour, assemblé par collage et goupilles coniques. La seconde méthode, mécano-soudure, est celle qui a souvent la préférence des modélistes. Il est plus que probable que c’est celle que nous choisirons pour le prototype.
Ci-dessus, sur la photo de droite, on voit un éclaté du vilebrequin en conception collé-goupillé.
Le montage collé-goupillé demande une grande précision si l’on veut un assemblage qui dure et qui tourne rond. En cas de ratage, avec cette méthode la reprise au tour demande du doigté et des nerfs à toute épreuve car la flexibilité est quand même plus grande. En plus des goupilles coniques on doit prévoir l’achat de l’alésoir conique adapté aux goupilles et il est assez coûteux.
En mécano-soudure seules les goupilles coniques sont absentes. On prévoira pour cette méthode de mécano-soudure les surcotes d’usinage mais aussi la fabrication du mandrin de reprise.
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Dans le cas du vilebrequin collé-goupillé on voit des solutions de paliers monobloc non démontables. Nous avouons être quelque peu soupçonneux sur les problèmes d’ajustage. Si sur ce moteur trois des paliers sont extractibles le palier médian devra être démontable.
L’image précédente montre le principe de ce palier indémontable dont le corps est en alu et les deux bagues bronze pressées en place. Ces deux bagues bronze sont moins longues que l’épaisseur du palier ce qui laisse une réserve d’huile de lubrification au centre.
Pour notre part nous envisageons une version à paliers démontables et bague rapportée en demi coquilles. Cette solution est plus longue à usiner . Si on utilise des fonderies le corps de palier pourra faire l’objet d’un travail esthétique pour les moteurs destinés à être exposés. Ce n’est pas le cas de ce moteur.
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Bâti
Le bâti est très simple car réalisé en tôles d’aluminium de bonne épaisseur. Il est composé de quatre pièces assemblées par boulons freinés à la Loctite faible ce qui nous paraît suffisant car les efforts ne sont quand même pas colossaux et le niveau vibratoire devrait demeurer modéré.
Sur ce bâti vont se fixer la roue intermédiaire du premier étage de démultiplication et la pompe alimentaire.
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La pompe alimentaire est de conception classique à clapets à billes à levée réglable. Elle sera détaillée dans la section qui s’ouvrira lors de l’étude de détail de la chaudière.
Il en sera de même pour le train d’engrenages de sortie lorsque la chaîne complète de transmission sera finalisée.