Les moteurs pneumatiques Lego (LPE)

Pour expliquer certains fonctionnements, principes et fondements.
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Nico71
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Messagepar Nico71 » Sam Sep 27, 2008 7:39 pm

voici enfin le topic sur les LPE : lego pneumatic engine.

On peut en parler en long, en large en travers.

Je vais rapatrier quelque info pour présenter sommairement la chose, après y'a beaucoup de chose à dire et je pense qu'on rééditera ce post avec gyro pour faire un truc bien propre ;)

EDIT 1 : voici pour le fonctionnement trés basique :

Le moteur pneumatique présentée ici est un modèle à un vérin et un inverseur avec volant d'inertie. Pour le fonctionnement, le vérin pousse et rentre sa tige alternativement. Le bout de la tige est connectée à une bielle qui est elle même connectée au vilebrequin. Lorsque celui ci est lancé le système bielle manivelle permet de transformer la translation de la tige du vérin en mouvement de rotation.

Image Image

Le switch contrôle la destination de la pression, alternativement, il doit commuter pour envoyer la pression dans la chambre arrière du vérin puis dans la seconde. Cette commutation est effectuée par un système de bielle manivelle qui actionne la came du switch.

Image

Le volant d'inertie est là pour donner de l'inertie au moteur en lui conservant une certaine énergie. Ainsi lorsqu'il est lancé, et que la pression diminue, le volant du fait de son poids tend à faire tourner encore le vilebrequin. Dans notre cas c'est utilisé pour réussir à passer les "point mort" du switch. En effet le point sont la position neutre du switch qui interdit tout déplacement d'air dans les tuyaux : en position neutre, le vérin ne bouge plus du tout. C'est pour cela que le volant d'inertie est là, lorsque le vérin tend à ne plus bouger, le volant le force à bouger encore un petit peu pour passer le point mort du switch. Cela se fait rapide est et on peut réduire les points morts de l'ordre de quelques dixième de seconde.

Enfin sachez que pour guider le vérin droit (vu qu'il est articulé sur ses deux points de fixation) j'ai utilisé non pas de guides parallèles comme des poutres mais une bielle qui permet de garder le point d'attache dans un cercle de rayon 4 tenons (pour que se soit simple et studless). Le débattement est de 3 tenons, le vérins reste assez droit. On voit la bielle de 4 tenons utilisé symétriquement ici :

Image


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Messagepar Nico71 » Dim Sep 28, 2008 10:37 am

Post edité plus haut avec le fonctionnement basique d'un LPE.

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Clément
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Messagepar Clément » Dim Sep 28, 2008 2:29 pm

L'idée générale du LPE est de coller à la réalité des moteurs thermiques :



Moteur Thermique :

Une force (surpression due à la combustion rapide de carburant dans la chambre de combustion) est imprimée au piston (poussé par la force, il descends dans un cylindre) et agit sur une bielle qui donne un mouvement de rotation à un axe. Arrivé en bout de course, le piston remonte grâce à l'action d'autres pistons positionnés en quinconce (je connais pas de moteurs à 4 temps à 1 cylindre) et expulse les gaz brulés. Puis le cycle recommence. Un arbre à cames (relié à l'axe du vilbrequin par une chaine généralement) permet une synchronisation des entrées et sorties de gaz de la chambre de combustion.

Pour plus d'info, http://fr.wikipedia.org/wiki/Moteur_%C3%A0_explosion et toutes les ressources du net.



LPE :

En LEGO, l'ensemble Piston+Cylindre+Bielle est représenté par le Vérin Pneumatique. Les vérins étant à double action (pour la génération la plus récente), une force de pression est d'abord apportée par l'air comprimé (à la main ou avec un compresseur externe) pour étendre le vérin. En bout de course, on passe sur l'autre sortie du swiche et l'air comprimé permet de rétracter le vérin. Les swiches sont synchronisés aux vérins par une chaine ou des liftarms et représentent l'arbre à cames.

Le montage le plus simple représente l'ensemble Piston+Cylindre+Bielle par un vérin. Dans ce cas, le vérin est attaché au châssis et directement au vilbrequin.

Image

Il est toutefois possible d'ajouter une bielle au bout du vérin (si l'on veut). Ainsi le vérin reste immobile, mais il faudra le sécuriser (ce montage plus volumineux ...) (dans l'exemple la bielle de 5 le contraint à peu prés droit).

Image Image

position tige rentré et tige sortie

Note : dans un moteur thermique, le piston en remontant expulse les gaz présents. Les pistons n'agissent sur la rotation que 50% du temps.
En Lego par contre, lorsqu'on change la position du swich, l'air comprimé est expulsé à travers le petit trou qu'on peut voir derrière les swiches. Ainsi, les vérins sont actifs 100% du temps.


Difficultés :

La principale difficulté consiste à synchroniser les arrivées d'air (swicht) au mouvement du vérin.

D'autre part, il est important de réaliser un montage avec des pièces en bon état et si possible un vérin le plus neuf possible (moins de frottements lors du déplacement du vérin).

La génération d 'air comprimé doit être réalisée à la main par des pompes. En effet, les pompes lego alimentées par moteur électrique ne sont pas assez puissantes. Une autre possibilité consiste à utiliser un compresseur non-lego bien sur ...

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Messagepar Nico71 » Dim Sep 28, 2008 2:37 pm

han! je te dis bravo clement :loveyes: j'étais en train de faire des images pour expliquer les deux grand type de fixation et toi tu m'épargne le taf d'expliquer :D

Donc je te dis merci beaucoup, j'édite de ce pas ton post pour rajouter les petites images que j'avais fait ;)

Encore merci à toi.

Si d'autre gens veulent contribuer, ils sont le bienvenus, c'est un topic collectif, pas seulement informatif ;)

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Messagepar cybermaster » Dim Sep 28, 2008 2:41 pm

Je me permet d'ajouter mon grain de sel, car je trouve ces deux flashs très bien réalisés donc je vous en fait profiter, aussi pour éclaircir les choses si certains (si si ça peut :lol:) n'auraient pas bien compris le fonctuonnement d'un moteur) :

[video]http://www.brickshelf.com/gallery/Conchas/TechnicBRICKs/Flash/camshaft-sohc.swf[/video]

[video]http://www.brickshelf.com/gallery/Conchas/TechnicBRICKs/Flash/camshaft-pushrod.swf[/video]
Image

Le jour où on mettra les con* sur orbite, j'en connait qui n'ont pas fini de tourner

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Messagepar Nico71 » Dim Sep 28, 2008 3:04 pm

Trés bonne idée, comme vous le voyez on peut coupler plusieurs vérins entre eux.

L'exemple du simple vérin possède deux points morts mécaniques : un en position haute et un en position basse. Plusieurs couplages existent pour minimiser ces points morts.

On a le couplage à 180°, deux vérins qui poussent en opposé, quand l'un pousse l'autre tire. Cependant à 180° exactement on a quelque problème pour les points morts donc soit on les met à 170° ou alors on crée un déséquilibre au niveau des switchs.

Image

On a le couplage toujours à deux vérins mais avec un angle différent, comme sur le moteur thermique vu plus haut. Cette application à l'avantage de présenter une courbe de charge vraiment homogène et de minimiser les points mort (il n'y en a qu'un au lieu de 2 pour le couplage 180° ou en simple vérin). C'est un couplage en V.

Image

On peut encore rajouter des cylindres. Par exemple 3, l'avantage et que à tout moment, il y a un vérins qui pousse est un autre qui tire. Du coup l'axe de rotation est toujours mis en rotation. Il n'y a plus de points morts (mais il reste les point morts des switch).

Image

On est pas obliger de faire un couplage en étoile, on peux mettre les cylindres en ligne et faire le couplage avec des axes et des bielles. L'important est l'angle entre chaque bielle d'un vérin. Le placement du vérin n'a pas d'incidence sur la performance, seul l'angle du décalage compte.

Comme ici les vérins sont en ligne mais décalé sur le vilebrequin de 120° :

http://www.brickshelf.com/cgi-bin/gallery.cgi?f=272005

Image

Beaucoup de combinaison existe, on retiendra qu'il faut penser à deux choses :

-le placement de mes vérins (en direct sur une bielle ou par l'intermédiaire d'une autre bielle ?)
-le couplage des vérins pour supprimer au max les points mort du moteur(avec quel angle les bielle sont décalés? 180°? 45 °? 120 °?)

Et on retiendra que comparé à un vérin, le fait d'en mettre plus permet d'avoir au moins un vérin qui pousse tout le temps et donc de faciliter le démarrage du moteur. Par exemple avec 3 vérins couplés à 120°, il n'y a pas besoin de volant d'inertie.

;)

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Messagepar Clément » Dim Sep 28, 2008 4:28 pm

Nico, je comprends comment fonctionnent tes schémas (les 2 MLCad avec les petits vérins édités sur mon post) mais je parlais pas de ça :
je pensais plutot à la sécurisation des vérins par des briques (ou liftarms), et non pas comme tu as fait.

cf. le site Nicjasno et les instructions : le Inline 4 et le Mustang V8 sont intéressants

de plus, les vérins à 180° sont acceptables si on en mets au moins 4 au total, chaque paire étant à 90° l'une par rapport à l'autre.
Dernière édition par Clément le Dim Sep 28, 2008 4:32 pm, édité 1 fois au total.

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Messagepar Nico71 » Dim Sep 28, 2008 4:32 pm

Oui c'est une possibilités, c'est vrais que j'ai mal illustré, j'ai mis de dessin parce qu'a l'origine c'était pour mon LPE d'ailleurs, je crois que je suis le premier à mettre ce liftarm. Je vais chercher une autre photo pour mieux illustrer le blocage avec des poutres (mais les deux techniques restent valables) ;)

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Messagepar Polo » Lun Sep 29, 2008 7:46 am

Clém', des moteurs à quatres temps monocylindres existent, les chinois font des scooters à quatre temps ;)
Ces quatres temps sont admission, compression, explosion, échapement ( cours de thermodynamique :D )

Sinon moi j'utilise une pompe à vélo couplée à mon maxi air tank fait dans une bouteille : Ca me permet de moins galérer, mais sans aller dans l'extrème comme avec un compresseur, et j'ajoute que l'embout pour gonfler les ballons s'adapte parfaitement aux durites lego, alors pourquoi s'en priver?

Après il faut parler optimisation, et la je crois qu'il faut par exemple mettre des durites les plus courtes possibles entre le switch et le vérin pour optimiser la pression.

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Messagepar maxlemalade » Lun Sep 29, 2008 9:20 am

Polo a écrit:Clém', des moteurs à quatres temps monocylindres existent, les chinois font des scooters à quatre temps ;)
Ces quatres temps sont admission, compression, explosion, échapement ( cours de thermodynamique :D )



j'allais le dire :)
pour un moteur thermique, certe il y a une belle explosion dedans a un moment du cycle, mais il ne faut pas se tromper, ce n'est pas l'explosion en elle meme qui est reellement importante ;) elle n'est qu'une partie du cycle ;)
la finalité d'un moteur thermique n'est que de changer l'energie thermique de la combustion (essence dans notre cas) en une energie mecanique utilisable pour une machine (ici, on fait tourner un axe)
bref, la puissance d'un moteur n'est pas due a la violence de l'explosion mais plus a la qualité du cycle thermodynamique qu'il utilise ;)
au passage, on ne s'ennuirait pas a "perdre" de l'energie en comprimant/refroidissant(sisi, c'est pour cela qu'il y a de grosse ailettes ou des chambre d'eau+gros radiateur) le melange avant explosion si ca n'avait pas une importance capitale dans le fonctionnement du moteur ... et donc, la realisation du cycle thermodynamique ;)
( http://fr.wikipedia.org/wiki/Cycle_de_Carnot , http://fr.wikipedia.org/wiki/Image:Carn ... iagram.svg )

pour les phases echappement, admission et compression d'un moteur 4T, celles ci sont executées grace a l'energie stockée dans le volant moteur (merci l'inertie) et non pas grace a la poussée des autres pistons (meme dans un multicylindres); pour des exemples de monocylindre 4T, je te renvois, par exemple, a la moto Yamaha 500/600 XT ;) ( http://fr.wikipedia.org/wiki/Yamaha_XT_600 )
membre fantôme en cure de désintoxication d'internet ludique :p

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Messagepar Clément » Lun Sep 29, 2008 1:17 pm

nickel, merci pour les infos de moteur monocylindre 4 temps

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Messagepar Nico71 » Mar Sep 30, 2008 7:43 pm

Le cap est franchis : un LPE sans volant d'inertie avec un mouvement fluide.

La technique : 3 vérins à 120 degré chacun, voici le principe :

Image

Et pour les valves :

Image

Je me suis basé sur ça avec ma sauce en studless :

Image


En fonctionnement :

Chaque vérin prend le relais à tour de rôle, on remarque quand même qu'il y a un moment ou un vérin veut pousser et l'autre tirer en même temps, heureusement ce moment est très court et comme l'air est compressible, il absorbe les déformations donc aucun risque pour les vérins (pour ceux qui ont peur ^^).

Aussi la technique pour switcher permet de diminuer le temps morts, comme chaque roues touchent à son tour la came du switche et s'en va tout de suite, on a un temps mort réduit sur un tour de cycle (bien meilleur que le système bielle manivelle standard puisqu'il n'y a pas de retour).

Comme je n'ai que 4 pompes je ne peux pas vraiment savoir à combien il peut aller au maximum en rpm. Mais avec 2 pompes, le moteur démarre, tourne et à le couple de 3 vérins sur le vilebrequin donc c'est très encourageant, surtout sans volant d'inertie. Donc beaucoup plus de couple (enfin on a un truc puisant) et pour la vitesse j'estime à 60-80tr/min avec 4 pompes. Largement suffisant pour mouvoir quelque chose vu le couple disponible ;)

Par ailleurs comme il y a 3 vérins à coordonner, j'ai bien pu régler le décalage entre le vilebrequin et le switch : pour faire simple, il faut qu'il y ai un décalage pour compenser le jeu de fonctionnement et diminuer les points mort, on déséquilibre les positions neutre. Pour que ça marche bien, il ne faut surtout pas aligner les positions basses du vilebrequin et du switch.

Je suis en train de m'occuper d'un vidéo pour que vous compreniez mieux ;)

En tout cas, un moteur L3 sans volant d'inertie et qui démarre et tourne avec 2 pompes, c'est une première pour moi :D

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Messagepar Tutur1994 » Mar Sep 30, 2008 8:44 pm

on attend plu que la vidéo :lol:
juste une question serait-t-il possible qu'un moteur pneumatique entraine ces propre pompe sans qu'il s'arrête :?:

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Messagepar Polo » Mar Sep 30, 2008 8:56 pm

Non, le mouvement perpétuel n'existe pas, et c'est nottament du aux frottements.

Sinon bien joué, nico ;)

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Messagepar Clément » Mar Sep 30, 2008 9:10 pm

photos ! videos !
ah et t'as pas eu de probleme avec les dents des 16t ? les liftarms devant etre en phase, un des axes est un peu en avance sur l'autre non ? ça te gene pas (existence de points morts ...) ?


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