Brevet FR2139206A1 — publié le 19730105

L'invention a pour objet un vilebrequin pour moteurs à pistons, les vitrequins classiques comportent des coudes en fonction du nombre de cylindres et de pistons et de la course des pistons et ils présentent au droit des coudes des manetons servant de paliers pour les bielles portant les pistons. Un même problème essentiel se pose donc dans tous les cas, à savoir celui d'une fabrication compliquée nécessitant un grand nombre d'opérations successive. De plus, la précision exigée pour la fabrication des vilebrequins aboutit à des difficultés conssidrables. La difficulté majeure réside dans la formation des tourillons des paliers et surtout des paliers principaux. Ces tourillons ne doivent en aucun cas se trouver excentrês par rapport à l'axe longitudinal théorique des vilebrequins.Si les tourillons principaux présentent l'un par rapport à l'autre une certaine excentricité, il n'est plus possible de centrer exactement le vilebrequin dans son carter si l'on veut procéder à un réglage sélectif très fin. Cette difficulté majeure signifie pour la fabrication des vilebrequins des tâches délicates pour la machine servait à leur usinage avec l'inconvénient supplémentaire d'une production relativement importante de rebuts. La fabrication des vilebrequins devient ainsi très onéreuse. Une autre difficulté dans la fabrication des vilebrequins se présente pour les coussinets de pied de bielle. Etant donné que leur diamètre est généralement inférieur à celui des paliers principaux, ils sont endommagés ou mis hors de service beaucoup plus tôt que ces derniers. Cgest pourquoi on a déjà proposé de leur donner le même diamètre qu'aux paliers principaux ; mais une telle disposition nta donné jusqutà présent aucun résultat satisfaisant. Un autre inconvénient dû aux coussinets de pied de bielle consiste en ce qu'ils effectuent souvent des courses de longueur différente et présentent de plus entre eux un décalage angulaire. Ces inégalités de course et ces décalages angulaires igni- fient donc une détérioration notable du fonctionnement du système à tête compressible utilise généralement à heure actuelle sur les moteurs à combustion interne. Une produc tion en série de fentes de compression extrêmement é droites devient pour ces raisons impossible. Ln autre inconvénient grave s > y ajoute en ce sens qu'un flux de forces ininterrompu passe à l'intérieur du vilebrequin d'un cylindre à l'autre. La résistance à la torsion du vilebrequin laisse d'ailleurs à désirer, étant donné qu'il arrive communément que le vilebrequin subit de la part du couple appliqué par le moteur des torsions de quel- ques degrés. Ceci entraîne à son tour un décalage angulaire des tourillons de pied de bielle, ce qui accroit encore leur. convénients rappelés ci-dessus. Il s'y ajoute les problèmes d'ohcillation du fait que l'on ne peut s'opposer ou que l'on ne s'oppose que difficilement aux oscillations angulaire. Un autre inconvénient acore est dû aux mauvaises conditions de graissage des pa liers principaux et des coussinets de pied de bielle. Le cheminement du lubrifiant doit,en effet, être assuré à l'en- contre de la force centrifuge à l'intérieur du vilebrequin coudé. On connaît aussi une forme d'exécution particulière du vilebrequin, constituée par le vilebrequin dit à disques. Cette forme d'exécution ne présente pas de coudes et, au contraire, le diantre des paliers principaux y devie supérieur au rayon de manivelle, ces paliers comportant des disques. Les manetons portant leS bielles sont montés entre deux disques successifs. On obtient ainsi, il est vrai, uL grand diamètre pour les paliers principaux, de telle sorte que l'on peut prévoir dans ce cas, un palier à billes et que l'on peut introduire l'ensemble du vilebrequin par le côté dans le carter du moteur.Mais tous les inconvénients mentionnés ci-dessus pour les vilebrequins connus Eeurent pour ces vilebrequins à disques. Enfin, ce vilebrequin à disques provoque un accroissement du prix de revient de la fabrication. La présente invention a pour objet de résoudre le problème consistant à éliminer les Inconvénients ci-dessus et à établir une nouvelle forme de vilebrequin permettant une fabrication très précise, tout en étant simple et n'entraînant que peu de rebuts, de telle sorte que la fabrication en est économique. En premier lieu, ce nouveau vilebrequin est destiné à rendre possible un centrage précis des tourillons des paliers principaux, ce vilebrequin résis- tant à la torsion de manière à empêcher les oscil'ations angulaires. De plus, ce vilebrequin assure 'obtention L meilleures possibilités de graissage, grâce à quoi tout dommage au coussinet de pied de bielle à la suite de sollicitations excessives devient impossible.On arrive à ce résultat, conformément àl'invention, en donnant au vilebrequin la forme d'un arbre rectiligne continu monté dans le carter du moteur et solidaire des disques excentriques portant les coussinets de pied de bielle. En même temps, on assure l'é- quilibrage statique et dynamique défini par les trois conditions suivantes : la première consistant à équilibrer caque piston par rapport à l'axe de ce piston, la seconde à uili- brer la aomme des masses du piston et de son axe ajoutées aux masses de la bielle et de son coussinet de pied de bielle avec un contrepoids correspondant par rapport à l'axe de l'excentrique et la troisième à équilibrer l'ensemble des masses équilibrées, conformément aux deux condition précédentes, y compris le disque excentrique avec un autre contrepoids par rapport à l'axe de l'arbre vilebrequin continu. Suivant une autre caractéristique de l1inventitn, l'arbre continu peut être avantageusement creux et porter de plus à l'intérieur un organe amortisseur connu tel qu'un tube en fer doux pour 8'opposer complètement aux oscillations de torsion gênantes qui peuvent se produire. Indépendamment du fait que l'on utilise un arbre plein ou tubulaire, une telle constitution du vilebrequin par un arbre à excentriques assure une précision maxima pour l'usinage des tourillons principaux et pour leur centrage précis à l'intérieur du carter du moteur. les coussinets de pied de bielle peuvent également être obtenus avec une précision maxima.De plus, le vilebrequin conforme à lSinven- tion peut être fabriqué très simplement en faisant coulisser sur un élément d'arbre continu, indifféremment creux ou plein comme il a été dit, les différents excentriques quP lUn assujettit suivant l'orientation prévue, de telle sorte que les emplacements des paliers de vilebrequin soient parfaitement centrés en toutes circonstances, du lait qu'ils se trouvent sur un arbre continu. le deuxième avantage important de ce nouveau vilebrequin consiste dans la précision que l'on peint obtenir pour les différents manetons. ,sors que dans les vilebrequins classiqueb1 les manetons r celant 5 les bielles devaient être usinés d'une manière très précise, on a affaire dans le cas de l'invention à des disques circulaires, de même diamètre, présentant l'un par rapport à l'autre une très faible tolérance de finissage et comportant un simple alésage excentrique. Cet alésage excentrique est disposé avantageusement avec une très faible tolérance de finissage et sert à recevoir l'arbre continu constituant le vilebrequin.Ainsi, l'on peut former aussi bien les tourillons principaux que les coussinets de pied de bielle avec une très grande précision et en utilisant des matériaux économiques. On supprime aussi pratiquement de ce fait les rebuts. les frais de fabrication d'un 1 vilebrequin s'élèvent au plus à un cinquième ou à un quart des frais à envisager pour un vilebrequin classique qui subit, de plu8 ,les effets des manques de précision rappelés ci-dessus. Les vilebrequins conformes à l'invention présentent de plus le grand avantage de transmettre un flux de forces continu et de résister à la torsion. Etant donné qu'un équilibrage poussé devient possible, les oscillations angulaires sont réduites à une fraction des oscillations constatées dans les vilebrequins antérieurs. En ce qui concerne les conditions d'équilibrage, on peut se suffire avec une disposition très simple dans le cas des moteurs à quatre cylindres horizontaux opposés ou davantage, du fait que les contrepoids exigés par la troisième condition d'équilibrage sont remplacés par la disposition des paires de pistons en opposition. Un autre avantage encore du vilebrequin,que l'on vient de décrire, consiste en ce que les coussinets de pied de bielle eux-mêmes peuvent être formés par une seule pièce.Il est donc possible de les enfiler par le côté sur les disques excentriques correspondants. Les conditions de graissage sont également très améliorées, étant donné que le lubrifiant peut être introduit suivant l'axe ie l'arbre central pour être distribué de là, sous l'effet de la force centrifugeà l'alésage de la bielle recevant-l'axe du piston en passant par un canal radial traversant le disque excentrique.Quant aux forces subies, le vilebrequin présente l'a- vantage d'une transmission des forces explosives des gaz et par suite de la pression des gaz en provenance du piston, de son axe et de la bielle, non plus à un coussinet ou palier étroit et par suite de faible diamètre, mais,au contraire, à un disque excentrique de grand diamètre, de telle sorte que la pression superficielle de l'huile répartie sur un plus grand diamètre devient plus faible que pour les coussinets habituels et cela, dans la proportion définie par le rapport des diamètres. On réduit ainsi considérablement l'usure de ces coussinets dont la durée deutilisation se trouve donc notablement accrue. kn a représenté à titre d'exemple aux dessins ci-joints, uniforme d'exécution particulière de l'invention. Sur ces dessins : La fig. 1 représente d'une manière très simplifiée le principe de l'invention. La fig. 2 est une coupe schématique de l'arbre et du disque excentrique vus en direction axiale. La fig. 3 est une coupe dans un plan perpendiclaire à la fig. 2 La fig. 4 représente schématiquement la position des différents disques excentriques et des pistons dans un moteur à quatre cylindres en ligne. la fig. 5a représente schématiquement la position vue en direction axiale des disques excentriques et des pistons dans un moteur à quatre cylindres opposés deux à deux. la fig. 5b est une vue correspondant à la fig. Sa prise perpendiculairement à cette dernière. Lx fig. 6a représente schématiquement la position des différentes excentriques dans le cas d'un moteur en r à 45 avec 4 cylindres en ligne. la fig. 6b représente les excentriques de la fig. 6a vus en superposition dans la direction de l'axe. La fig. 6c est une vue latérale correspondant à la fig. 6b. La fig. 7a représente schématiquement la position des différents excentrique dans le cs d'un moteur en V à 30 avec 4 cylindres en ligne. La fig. 7b représente les excentriques de la fig. 7a vus en superposition dans la direction de l'axe. La fig. 7c et une vue latérale ccrrespcndant à la fig. 7b. La ;ig. 1 représente l'arbre central continu 1 dont l'axe est ddsigné par D. On a représenté en traits mixtes l'axe Z d'un cylindre dirigé perpendiculairement à l'ar- bre. bur cet arbre continu 1 est fixé le disque excentrique 2 portant le coussinet de pied de bielle 3. Ce coussinet et solidaire de la bielle 3 aboutissant à l'axe 5 du piston, portant le piston 6. On décrira ci-après l'arbre central continu t et son mode de montage dans le carter du moteur. Pour satisfaire aux conditions d'équilibrage, il faut d'abord équilibrer le Piston 6 par rapport à son axe 5. le centre de gravité SK se trouve donc sur l'axemême du piston. Ensuite, la masse du piston et son axe, considérée comme concentrée au point SK et à laquelle s'ajoutent les masses de la bielle et du coussinet de pied de bielle 3, doit être équilibrée par rapport au centre SX de l'excentrique par un contrepoids 7. Ce contrepoids dont la masse peut être considérée comme concentrée en G, est égali à la somme des masses du piston,de son axe, du coussinet de pied de bielle et de la bielle.On peut considérer comme concentrée au centre de gravité Sx au centre de l'excentrique 2, la masse totale du piston, de la bielle, du coussinet 3, du contrepoids7et de l'excentrique 2. La masse totale des masses ainsi si considérées comme concentrées au centre de gravité Sx de l'excentrique et formant un système satisfaisant aux deux premières conditions d'équilibrage, doit à son tour être équilibrée statiquement et dynamiquement, conformément à la troisième condition d'équilibrage par rapport à l'axe D de l'arbre continu 1. A cet effet, l'on prévoit pour équilibrer la masse concentrée en SX un contrepoids 8 dont le centre de gravité se trouve en 8M La combinaison des trois conditions d'équilibrage aboutit à un ensemble parfaitement équilibré qui ntest susceptible d'aucun mouvement oscillatoire. Sur les figs. 2 et 3 se référant à une forme d'exécution simplifiée du vilebrequin, les chiffres de référez ce demeurent les mêmes que pour la fig. 1. On y retrouve immédiatement l'arbre principal continu 1 monté dans le carter du moteur par l'intermédiaire des paliers 9. Le part et d'autre du disque excentrique 2, sont disposés à une distance a de ce dernier deux contrepoids 8 de madse égale dont les centres de gravité sont désignés par SM. Ces deux ase égale s 8 formant ensemble le contrepoids pour la masse centre en ssX sont solidarisées avec l'arbre continu 1.D'après la troisième condition d'équilibrage, les centres de gravité et et SX doivent se trouver à la même distance r de l'axe D de l'arbre continu 7. A l'intérieur de l'arbre continu 1 constitué dans le cas représenté par un arbre creux, on a disposé un tube 13 en fer doux servant à l'amortissement. le lubrifiant nécessaire est introduit axialement dans l'arbre continu 1. Le lubrifiant parvient de là, par les perçages radiaux 10' traversant la paroi de l'arbre t, dans le canal 10 s'étendant à l'intérieur de l'excentrique 2. Ce canal de graissage 10 débouche dans la rainure en arc de cercle 11 à la surface intérieure du coussinet de pied de bielle 3, cette rainure assurant le graissage du jeu 3' dans l'appui de ce coussinet. De plus, un alésage 12 à l'intérieur de la bielle 4 relie cette rainure tl à l'alésage transversal 5' recevant l'axe 5 du piston. L'écoulement de l'huile de graissage se fait ciclteivittent dans le sens centrifuge et non à l'opposé de la force centrifuge. Ceci simplifiée et améliore considéra- blement le graissage. comme le montre aussi le dessin, on peut utiliqze des coussinets de pied de bielle 3 en une seule pièce et les enfiler tels quels sur l'excentrique par un mouvement transversal. L'assemblage du piston sur l'arbre à escentrique et la bielle se trouve ainsi grandement facilité. Ster la fig. 4, on a représenté à côté l'un de l'autre les quatre cylindres I à IV d'un moteur à quatre cylindres montés en série. L'arbre continu porte encore la référence I et l'axe du cylindre, dessiné en traits mixtes, la référence Z. On y a reproduit le disque excentrique 2 avec son centre de gravité SX ainsi que le contrepoids 8 ayant son centre de gravité en ÙM et la bielle 4. On voit d'aprbs les quatre positions prises par les pistons des cylindres I à IV qu'il est possible d'obtenir un équilibrage parfait de l'ensemble. On a représenté les différents pistons dans les positions qu'ils Frennent chacun à environ 450 par rapport à la position de fin de course supérieure ou inférieure.Chaque piston et chaque excentrique est équilibré par lui-même, conformément aux conditions d'qui librage énoncées ci-dessus. Ainsi à chaque piSbn correspond son propre contrepoids 8. Sur les figs. 5a et 5b, on a représenté dsune manière simplifiée le fonctionnement dans un moteur à quatre cylindres disposés par paires opposées. Les deux paires de cylindres ont été dessinées à côté l'une de l'autre. La vue par côté de la fig. 5b laisse clairement reconnaître l'arbre principal continu t ainsi que les excentriques 2 qu'il porte. Cet arbre continu j repose dans les paliers 9a, 9b,.9c. Comme déjà indiqué ci-dessus, on obtient ainsi un centrage précis des paliers principaux. Grâce à la disposition par paires opposées des pistons dans les moteurs horizontaux - cylindre s opposés, il n'est pas nécessaire dans ce cas particulier de prévoir des contrepoids 8 pour les différents pistons et, au contraire, les pistons en regard assurent l'équilibrage mutuel de leurs masses. La même construction simplifiée est, bien entendu, applicable aussi aux moteurs à six ou à huit cylindres opposés ou même aux moteurs à plus de huit cylindres en série. On ne doit pas exclure cependant, l'application complète dventuelle des conditions d'équilibrage suivant la fig. t aux moteurs horizontaux à cylindres opposés. les figs. 6a à 6c représentent un moteur à quatre cylindres en série dont les cylindres I à IV sont disposés en r avec une inclinaison de 450. Les pistons ont été dessinés dans leur position de fin de course supérieure ou inférieure. L'équilibrage se fait suivant le principe exposé en se référant à la fig. 1, en utilisant un contrepoids particulier 8 pour chaque piston ou encore, des cpntrepoids subdivisés en deux parties. les figs. 7a à 7c représentent un moteur à quatre cylindres en V en série inclinés à 300. Dans la position représentée, les pistons sont décalés d'environ 150 par rapport à leurs fins de course supérieure et inférieure. Dans ce cas encore un contrepoids 8 est associé à chaque piston ou à chaque excentrique, ce 'contrepoids étant supposé subdivisé ai deux parties. On reconnaît sur ces figures l'arbre continu 1 avec ses paliers principaux 9a, 9b, 9c. l'arbre à excentriques conforme à l iavention présente par rapport aux vilebrequins antérieurs, en dehors de l'avantage d'une plus grande précision et de meilleures possibilités d'équilibrage, l'avantage essentiel consistant en ce que sa fabrication ne nécessite aucun train de transport ni aucune machine d'usinage compliquée, alors qu'il suffit d'un petit nombre de machines-outils. On atteint finalement à une précision de fabrication telle qu'elle n'a été possible jusqu'à présent qu'avec de très grands frais dans la fabrication des vilebrequins. le vilebrequin à excentriques préconisé par l'invention présente ddnc par rapport aux vilebrequina antérieurs un progrès très important tant au point de vue de sa fabrication qutà celui du fonctionnement. R E V E N D I C A T I O N S 1. Vilebrequin à coussinets de pied de bielle pour machines à pistons, caractérisé par le fait qu'il est constitué par un arbre rectiligne continu monté dans le carter du moteur et portant des disques excentriques qui en sont so lidaires et reçoivent les coussinets de pied de bielle, l'qui librage statique et dynamique étant assuré en satisfaisant à trois conditions dont la première est l'équilibrage de la masse de chaque piston autour de l'axe de piston correspondant, la deuxième, l'équilibrage, autour du centre du disque excentrique par un contrepoidsde la somme des masses du piston, de son axe et du coussinet de pied de bielle ainsi que de troisième. l'équilibrage de la somme totale des masses équill- brées suivant les deux premières conditions, y compris le disque excentrique, par un autre contrepoids autour de l'axe de l'arbre continu. 2. Vilebrequin suivant la revendication 1, carac térisé par le fait que l'arbre continu est un arbre tubulaire creux. 3 Vilebrequin suivant la revendication 2, caractérisé par le fait que l'on dispose à l'intérieur de l'arbre creux un élément amortissant les oscillations de torsion, tel qu'un tube en fer doux, comme connu en soi. 4. Vilebrequin suivant l'une quelconque des revendications î à 3, caractérisé par le fait que le contrepoid répondant à la troisième condition d'équilibrage est constitué par deux parties semblables disposées de part et d'autre du disque excentrique à égales distances de celui-ci. 5. Vilebrequin suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3 pour moteurs horizontaux à quatre cylindres opposés ou davantage, caractérisé par le fait que la troisième condition d'équilibrage est satisfaite par le remplacement du contrepoids par la disposition par paires des pistons. 6. Vilebrequin suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que le graissage se fait par des passages radiaux continus partant de l'arbre et traversant le disque excentrique pour se continuer par un alésage ménagé dans la bielle et se terminant dans ''a'ésabe recevant l'axe du piston. 7. vilebrequin suivant la revendication 6, caractérisé par le fait que l'alésage radial ménagé dans la bielle part d'une rainure en arc de cercle s'étendant sur au moins une partie de la périphérie intérieure du coussinet de pied de bielle. 8. Vilebrequin suivant l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé par le fait que le cous signet de bielle est en une seule pièce.