Traction Engine - Moteur

Dans ce projet de la Traction Engine, nous n’avons d’autre ambition que de montrer les démarches que nous suivons et cela dans une simple volonté de partage de l’information. Dans ce chapitre, nous allons aborder l’étude de quelques pièces du moteur sur lesquelles nous avons dû faire des choix de réalisation. 

A - Caractéristiques du moteur

Le moteur est un mono cylindre à double effets et tiroir cylindrique. Il est à double sens de marche avec un système de distribution du type "slip". Le moteur a un diamètre de 12 mm et une course de 16 mm, ce qui nous donne une cylindrée de 3,6 cm³. 

Nomenclature du moteur

Vue en élévation et coupe au niveau du cylindre

Distribution type "Slip"

C'est une distribution manuelle permettant de lancer le moteur dans le sens de rotation que l'on désire. Un plot est callé sur le villebrequin entrainant un excentrique "glissant" de 180°, permettant de permuter le tiroir est ainsi le sens de marche.

Au niveau du cylindre, VAPEUR 45 a proposé implicitement une méthode efficace et expéditive pour réaliser le corps de cylindre par brasure à l’étain des deux brides usinées sur le corps de cylindre lui aussi usiné. Dans une deuxième partie, on propose  une gamme d’usinage alternative, assez "laborieuse" il est vrai, mais au fond facile à mettre en œuvre.

B - Cylindre mécano soudé

Schéma et pièces de la version mécano soudé en 4 éléments.

C’est une très bonne option, mais il ne faut pas sous-estimer la difficulté de positionnement parfait des pièces entre elles. La face des brides doit être strictement orthogonale à l’axe du cylindre. Il ne faut pas se leurrer, le joint d’étanchéité Téflon ne reprendra que partiellement de très faibles erreurs d’orthogonalité Bride-Axe cylindre. Une grande précision est donc nécessaire dans l'usinage et le montage avant et pendant le soudage. 

 Avantages :

Le cylindre est tiré dans du rond de bronze de 20 mm de diamètre (au lieu de 28 mm pour la version C), diminuant anisi le coût de l'opération d'une part, et permettant, d'autre part, d'avoir deux matières différente entre le piston (en laiton) et le cylindre (bronze) ceci, afin d'obtenir un coefficient de glissement optimum. Les ébauches des brides sont découpées en CNC, et réalésées au tour. 

1. Ebauche cylindre :

• On tourne un rond au diamètre D = 19 mm sur une longueur de 43 mm
Retournement avec reprise sur mandrin 3 mors. Mise à la cote théorique L = 42 mm ; Ébavurage
• Perçage traversant et mise à l’alésage D_int = 12 mm H7
• Usinage de l'épaulement D = 16, profondeur 2 mm

Repérage par un coup de pointeau, coté référence fond presse étoupe.

• Retournement en mandrin 3 mors. Usinage de l'épaulement D = 16, profondeur 2 mm coté chapeau de cylindre.
• Réalisation sur fraiseuse du plat et perçage des deux trous d'admission/échappement.
• Passer l’alésoir D = 12H7 dans le cylindre pour nettoyer les bavures de perçage.

2. Ebauche des brides :

• Découpe en CNC dans de la tôle laiton ép : 2 mm au diamétre ext 26 mm et diamètre int 15,8 mm
• Reprise sur tour en mandrin 3 mors pour alésage au diamétre 16 mm.
• Reprise en plateau diviseur pour execution des 8 trous diamètre 1,6 mm.

C - Cylindre usiné

On propose dans ce qui suit un gamme d’usinage alternative, assez « laborieuse » il est vrai mais au fond facile à mettre en œuvre. C’est cependant beaucoup plus compliqué à l’imaginer en lisant qu’à faire. Il faut des pinces ER25, accessoire courant dans les ateliers amateurs.

Préparation des ébauches

1. Ebauche cylindre :

• On tourne un rond au diamètre D = 26 mm sur une longueur de 43 mm + épaisseur de l’outil à tronçonner ; Dressage de la face ; Ébavurage (chanfrein)
• Retournement avec reprise sur mandrin 3 mors; vérification au comparateur que l’ébauche tourne rond
  Mise à la cote théorique L = 42 mm ; Ébavurage
• Perçage traversant et mise à l’alésage D_int = 12 mm H7

Si vous avez un marbre et un trusquin de traçage, marquez les deux cercles limites pour le diamètre réduit du corps.

2. Ébauche fond presse-étoupe :

• Mise au diamètre D = 26,2 mm. La surcote de + 0,2 mm permettra d’avoir une finition parfaite à la fin.
• Usinage du bossage D = 12mm L = 4 mm.
• Tronçonnage avec surcote d’au moins 0,5 mm.
• Reprise au tour en Pince ER par le bossage.
• Mise au cotes définitives. Le perçage et le taraudage seront réalisés ultérieurement
• Reprise sur fraiseuse en porte-pince hexagonal.
• Perçage des trous des boulons à D = 1,6 mm

Assemblage et finition

1. Finition fond presse-étoupe

• Coller à la Super glue l’ébauche cylindre et celle du fond presse-étoupe. Mettre un coup de pointeau léger sur chaque pièce à proximité du joint pour repérage.
• Percer le corps de cylindre en se servant des trous du fond presse-étoupe comme guide.
• Démonter le fond presse-étoupe en chauffant avec une micro-torche gaz ou un décapeur thermique
  Taraudage à M2x40 du cylindre.
• Prendre en mandrin 3 mors. Vérifier au comparateur qu’il n’y a pas de faux rond
• Faire un chariotage de finition pour mettre le fond presse-étoupe à l’arase du cylindre.
• Percer et tarauder M5x50 selon plan. Attention à bien prendre en compte la hauteur du cône du foret de D = 4,5 mm sous peine de percer. On utilise un taraud machine à entrée courte.
• Placer les boulons et serrer raisonnablement

2. Finition du chapeau de cylindre

• Faire un placement à vue pour aligner les trous des boulons avec ceux du fond presse étoupe suffit, sinon on pourra fabriquer un petit étrier de positionnement. Faire une marque repère.
• Procéder de manière analogue au fond presse-étoupe.

3. Défonçage du cylindre

• Monter le fond presse-étoupe et le chapeau de cylindre sur le corps de cylindre.
• Montez le tenon à visser. Ajustez la contre-pointe tournante. Une contre-pointe tournante est préférable pour les métaux tendres comme le laiton.
• Avec un outil pelle réalisez un défonçage étagé en partant de la contre-pointe jusqu’à 0,1mm de la cote théorique.
• ffectuez la mise à la cote par chariotage avec l’outil pelle.

4. Finition du cylindre

• Fabriquez deux goujons dont une extrémité est filetée M2x40. Les monter à la place de deux boulons comme représenté sur la photo. Placez en étau. Réglez l’horizontalité.
• Montez une fraise D = 6 mm. Alignez l’axe de broche avec l’axe du cylindre par la méthode de votre choix.
• Recherchez l’apex (point de plus haut) du cylindre.
• Réalisez le méplat à la cote finale.
• Pointer et percer pour ouvrir les deux lumières vapeur.
• Logement téton de centrage : pointer et avec un foret de D = 1,6 mm percer sur 1,5 mm maximum le trou de positionnement du téton de centrage du bloc de distribution. Veiller à ne pas traverser.

5. Finition du chapeau de cylindre

• Démontage du chapeau. Reprise au tour en pince sur 6-8 mm par le tenon pour laisser le passage de l’outil à tronçonner. La longueur de prise étant assez faible serrer fermement mais sans excès.
• Avec un foret à centrer usiner le logement de la pointe tournante qui va reprendre une partie importante de la poussée de l’outil. Tronçonner au ras de la brise.
• Retourner la pièce. Prendre par le bossage de 4 mm d’épaisseur. Attention car c’est une prise un peu « légère ».
• Dresser la face afin d’obtenir la cote théorique d’épaisseur. Casser l’angle vif de la bride par un petit chanfrein.
• Enlever par ponçage les traces d’usinage. Exécuter un léger lamage (0,5 à 0,8 mm) estéthique par un fraise D = 14 mm avec coupe au centre.

6. Assemblage Bloc distribution – Corps de cylindre

• Percer le logement du téton de centrage sur le bloc de distribution sur environ 4-5 mm.
• Le téton de centrage est fabriqué dans une queue de foret de D = 1,6 mm avec l’aide d’un outil de type Dremel.
• Vérifier par essais-erreurs la bonne longueur en assemblant à blanc bloc de distribution avec le corps de cylindre.
• Etamez chaque pièce avec de la pâte à étamer de plomberie. Veillez à essuyer la soudure encore liquide avec un chiffon (coton, lin mais pas de synthétique) à peine humide. L’idée est d’avoir un film de soudure uniforme et extra-mince.
• Assembler les deux pièces en ajoutant un peu de soudure en fil de faible diamètre.
• Si par malheur un évent vapeur se bouchait, simplement dessouder, nettoyer et ressouder. Cela ne serait pas possible avec de la brasure à l’argent.
• Passer l’alésoir D = 12H7 dans le cylindre pour nettoyer les bavures de perçage.

Ebauches de gauche à droite : Fond presse-étoupe,
Corps de cylindre, Chapeau de cylindre avec son tenon. 

Perçage des logements de boulons du fond presse-étoupe. Notez le porte-pince hexagonal.

Finition du fond presse-étoupe après son montage sur cylindre.

Prise en pince ER par le tenon du chapeau de cylindre.
Le logement dans l’écrou pour la pointe tournante est exécuté en place.

Cylindre usiné avec un outil pelle de 4 mm de large.

Vue de l’ensemble avec les deux goujons montés à la place des vis.
Ils servent à poser la cale pour vérifier l’horizontalité.

Vérification du réglage d’horizontalité avec un inclinomètre digital.

Vérification de l’horizontalité longitudinale avant usinage du méplat. 

Tronçonnage chapeau de cylindre.

Lamage de finition du chapeau.

Ensemble des pièces moteurs.

Rodage du cylindre

Pour le rodage du cylindre, nous utilisons un rodoir "maison", constitué d'un rondin de bois en hétre de diamètre correspondant à celui du cylindre et d'une longueur d'environ 250 mm. Le rondin est scié longitudinalement en son milieu sur la moitié de sa longueur. Sur le coté scié, on intercal une tôle de laiton, ou autre, de l'épaisseur du sciage. Une bague maintient l'ensemble.

On fixe le rodoir coté bague dans les  mors du mandrin du tour, on enduit le rondin de pate à roder, on enfile le cylindre sur le rodoir et on maintient l'autre extrémité du rodoir par une pointe tournante. On démarre le tour avec une vitesse de 150 tr/mn environ et on maintient le cylindre tout en le déplaçant de gauche à droite pendant environ 3 à 5 mn.

Extrémité du rodoir

Sur la photo de doite, nous pouvons voir la différence entre les deux cylindres.

C - Réalisation du piston

La difficulté est d’obtenir une parfaite colinéarité entre l’axe du corps de piston et l’axe de la tige de piston. Pour le corps de piston on partira d’un diamètre de rond brut égal au diamètre théorique augmenté de 0,5 à 1 mm.

• 1. Prise du brut en pince ER au tour. Dressage face. Casser l’angle vif extérieur. Pointage, perçage à D = 2,5 sur 14-15 mm. Taraudage M3. Lamage d’entrée avec fraise D = 3mm sur 3 mm pour un meilleur centrage de la tige de piston. Tronçonnage à la cote théorique + 1mm
• 2. Fabrication de la tige de piston dans du rond en inox usinable de D = 3 mm. Montage à blanc du corps de piston. Vérification que les cotes de longueur sont dans les tolérances. Si tout va bien montage définitif Corps de piston- Tige à la Loctite forte.
• 3. Reprise en pince ER par la tige de piston. Avec un outil pelle de faible épaisseur dresser la face arrière. Une fois cela terminé, diminuer au maximum le porte à faux de la tige de piston hors de la pince ER en veillant à bien appliquer la face arrière du piston sur la face de la pince. Mise à la cote d’épaisseur par usinage de la face avant. Usinage du logement de pointe tournante.
• 4. La prise en pince va être complétée d’un supportage par un pointe tournante afin de reprendre la poussée transverse. Façonnage des rainures d’étanchéité. Chariotage jusqu’au diamètre théorique.

Montage à blanc du piston et de sa tige. Vérification de la longueur de tige par déplacement longitudinal du chariot et lecture sur la bague du volant de manœuvre.

La pointe tournante sert à reprendre l’effort de l’outil. Elle est desserrée dès que la profondeur de gorge de tronçonnage atteint les 4/5 ème du diamètre.

L’ébauche du piston est montée collée sur sa tige. La tige est prise en pince et on veille à ce que le corps du piston appuie uniformément sur la face de la pince. Mise à la longueur théorique, exécution des rainures. Glaçage à l’huile au papier émeri. Contrôle définitif du diamètre.

 D - Réalisation de la fourche de tige de piston

Comme c’est souvent le cas en modélisme, de part leur petite taille le problème est l’ablocage des pièces et la gestion des interférences entre le porte-outil et le montage porte-pièce. Une modification utile est de rallonger le corps de 6 mm et d’usiner un lamage de 3 mm de profond. Ce lamage permet un bien meilleur centrage de la tige de piston avec sa fourche.

 Fabrication des ébauches

1. Ebauche de la fourche

• Prise d’un rond D = 6 mm en pince ER. Dressage face. Mise au diamètre. Perçage D = 2,5 mm sur 9 mm. Taraudage M3 à refus. Lamage d’entrée avec une fraise D = 3 mm sur 3 mm. Ebavurage par chanfrein. Polissage pour supprimer les traces d’outils.
• Tronçonnage. Retournement et prise en pince ER. Dressage de la face. Mise à la cote de longueur.

2. Tenon de reprise

C’est un simple rond avec un tenon fileté M3. On ira y visser à bloc l’ébauche de la fourche de piston. En effet il est impossible sans ce stratagème de la reprendre en pince ER pour terminer les usinages

Finition de la fourche

• Montage du tenon fileté sur l’ébauche . Montage en pince ER sur porte-prince carré
• Perçage traversant D=2mm puis taraudage M2.5. Sur-perçage d’un des côtés de la fourche à D=2,5mm
• Fente de la fourche avec une fraise-scie d’épaisseur e=2mm. Penser à régler la vitesse de broche de manière à avoir une vitesse périphérique de 10 à 15 m/s sur les dents, sans dépasser 30m/s. En général pour D=63mm on prendra environ 2000-2500 trs/mn. Les fraise-scies grand public d’origine chinoise présentent assez souvent des voiles et/ou des décentrages. En tenir compte pour les réglages. La vitesse d’avance doit être d’autant plus faible que la profondeur de passe est importante⁽¹⁾.
• Reprendre en pince ER au tour pour ébavurage et polissage.

(1) Sur les petites machines d’établi, dans le laiton ou l’aluminium, une profondeur de passe de 0,5 à 0,8 mm est un bon compromis. Le laiton fait des copeaux fins et courts, on pourra prendre un lame à denture fine. Pour l’aluminium c’est le contraire.

Ebauche fourche avant tronçonnage.

Porte pince carré pour reprise sur fraiseuse. Tenon fileté et ébauche fourche.

Perçage du logement de l’axe.

Taraudage

 Voir guide tarauds : http://vapeur45.fr/usinage/guide-tarauds

Sur-perçage à D = 2,5 mm. On notera la "sonnette" en fil de cuivre qui évite de tout traverser par "vissage" du foret dans le laiton. En posant légèrement son doigt dessus on sens immédiatement les vibrations dès que le foret touche le fil.

Fente de la fourche avec une fraise-scie d’épaisseur e = 2 mm

 E - Axe de bielle motrice

Plusieurs solutions sont possibles dont les goupilles élastiques, mais la solution la plus communément adoptée est celle de l’axe à bout fileté et tête fendues. Le filetage n’a pas d’autre fonction que d’empêcher le coulissement de l’axe. La largeur de fente sera adaptée à celle de votre tournevis et par voie de conséquence vous devrez posséder une fraise scie de la bonne épaisseur. Il existe cependant une normalisation de ces fentes.

Remarque :

Pour les essais et réglages on pourra utiliser une vis du commerce. Cependant l’utilisation permanente d’une vis standard, filetée sur toute la longueur, pose des problèmes car le filetage agit comme une râpe sur l’alésage de la bielle motrice. En effet le métal de la vis est plus dur que celui de la bielle. Pour se simplifier la vie on pourra adopter un filetage M2,5.

Gamme de fabrication

• Prendre en pince ER un rond en inox usinable et le mettre au diamètre D = 2,5 mm. Prévoir une surlongueur pour tenir compte de la longueur d’entrée de la filière M2,5 du tronçonnage et de la finitiion. Eliminer les traces d’usinage car après ce ne sera plus possible.
• Retournement et prise en pinces ER. Fileter à M2.5 sur une longueur de 3mm + longueur d’entrée filière (environ 3mm). Réduire par chariotage la longueur filetée à 3mm effectifs. Chanfreinner l’entrée. Tronçonner.
• Retourner et prendre en pince ER. Attention la portée de la prise est très faible. Ne pas serrer trop fort sous peine d’endommager la pince et à coup sûr d’avoir une pièce non centrée. Mettre à la longueur théorique par passes légères, ébavurer par chanfreinage.
• Prise en pince ER sur porte-pince carré. Placement en fraiseuse sur étau. Fente de la tête de vis selon votre choix
• Avec un chute en rond de D = 6 mm on fabrique un outillage pour araser la partie filetée de l’axe à la bonne cote. Sur fraiseuse on perce centré et traversant à D=2mm. Avec une fraise de D = 2.5 mm on sur-perce sur un longueur de 4 mm. Enfin on exécute de filetage M2,5
• Monter l’axe sur son outillage. On peut réduire la surlongueur soit par fraisage soit plus simplement à main levée à l’aide d’une petite ponceuse à bande d’établi. On réalisera sur le tour un léger chanfrein d’entrée sur le filetage de l’axe.

Vue du filetage avant d’être mis à la longueur

Tronçonnage

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