Brevet FR2498703A1 — publié le 19820730

L'invention se rapporte à un moteur à combustion | interne monocylindrique comportant un vilebrequin, une J bielle et un piston, ainsi qu'un dispositif de contrepoids j qui sert à équilibrer les forces centrifuges résultant des { masses tournantes et des forces centrifuges du premier ordre résultant des masses oscillantes des éléments du moteur. È Dans les moteurs à combustion interne de ce type i qui sont déjà connus, on utilise, en dehors des contrepoids fixés sur le vilebrequin, des poids d'équilibrage supplé- mentaires entraînés par le vilebrequin et qui tournent en sens inverse l'un de l'autre pour obtenir un équilibrage 4 des forces centrifuges oscillantes. Dans cette construction, on dispose le plus souvent les poids d'équilibrage au-des- sous ou à côté du vilebrequin, de manière à maintenir leur | trajectoire en dehors du cercle de la trajectoire du vile-; brequin ou de la bielle.. Toutefois, le fait de placer les poids d'équilibra- j ge au-dessous du vilebrequin exige un abaissement du car- t ter du vilebrequin pour que les poids d'équilibrage ne soient pas contraints de plonger dans l'huile de lubrifica- tion qui s'y trouve. Cette disposition est désavantageuse en raison de l'accroissement de l'encombrement du moteur qui y est lié. En outre, la chaîne cinématique servant à 1, l'entraînement des poids d'équilibrage est plus compliquée en raison de l'abaissement du carter. t Le fait de placer les poids d'équilibrage latérale- j ment, à côté du vilebrequin, conduit inévitablement à un élargissement considérable du carter du vilebrequin, et il t est donc également désavantageux en raison de l'accroisse- - ment de l'encombrement du moteur. Pour ces raisons, on a également proposé des cons- tructions qui utilisent des poids d'équilibrage qui tour- nent autour des manetons du vilebrequin. Ces constructions d'équilibrage sont toutefois d'une construction particuliè- rement compliquée et exigent en outre un allongement consi-. dérable du vilebrequin ou de son maneton dans la direction axiale, ce qui est à nouveau très désavantageux. La présente invention a pour but d'éliminer les inconvénients précités des modes de construction connus et de créer un dispositif d'équilibrage qui d'une part garantisse une élimination totale des effets indésirables, connus en soi, des forces d'inertie du premier ordre, et, d'autre part, permette une construction compacte du dispo- sitif, en utilisant le minimum d'éléments de construction. Suivant l'invention, ce problème est résolu par le fait qu'au vilebrequin sont reliés directement ou indirectement des poids d'équilibrage qui possèdent outre la masse de balourd nécessaire pour l'équilibrage des forces centri- fuges tournantes, la moitié de la masse de balourd néces- saire pour l'équilibrage des forces centrifuges oscillan- tes du premier ordre, et par le fait qu'il est prévu deux arbres d'équilibrage entraînés par le vilebrequin, paral- lèles à celui-ci et qui tournent dans le même sens l'un que l'autre mais en sens inverse du vilebrequin, chacun de ces arbres portant un autre poids d'équilibrage qui représente un quart de la masse de balourd nécessaire pour l'équilibrage des forces centrifuges oscillantes du premier ordre. Suivant une autre caractéristique de 1'in- vention, on obtient un vilebrequinde dimension axiale très ramassée et, par conséquent, également une configuration de forme ramassée du moteur à combustion interne, en dépit de l'utilisation des poids d'équilibrage, par le fait que chaque arbre d'équilibrage porte un poids d'équilibrage qui coopère avec des évidements ménagés dans le vilebrequin de telle manière que, pendant la rotation du vilebrequin, les évidements de ce vilebrequin passent alternativement au droit du poids d'équilibrage de chacun des deux arbres' d'équilibrage. Dans cette construction, -les évidements sont avantageusement ménagés entre le palier principal du vilebrequin et le maneton du vilebrequin. Dans cette disposition, on obtient un équilibrage total des forces d'inertie du premier ordre. Pour pouvoir équilibrer également les mQoments résultant de ces forces, la grandeur et la direction des poids d'équilibrage montés directement ou indirectement sur le vilebrequin et leurs distances à l'axe du cylindre doivent être calculées de manière que le moment résultant par rapport à l'axe du cylindre soit nul. Pour assurer l'équilibrage encore nécessaire des moments issus des forces d'inertie exercées sur les deux arbres d'équilibrage, chaque poids d'équilibrage au droit duquel passe l'évidement du vilebrequin est calculé, et un poids d'équilibrage additionnel est monté sur chaque arbre d'équilibrage, à l'extérieur par rapport au coude du vile- brequin, de telle manièée qu'il agisse sur l'arbre d'équi- librage en antagonisme par rapport au poids d'équilibrage et, dans cette action, annule le moment résultant de ces deux poids d'équilibrage par rapport à l'axe du cylindre. Pour la construction du dispositif d'équilibrage suivant l'invention, on veillera particulièrement à ce que le montage des masses de balourd sur le vilebrequin n'en- traine pas un accroissement excessif des dimensions et du poids de ce vilebrequin. Pour cette raison, dans une cons- truction qui est avantageuse à ce point de vue, dans le cas des moteurs qui sont équipés d'un volant entraîné par le vilebrequin, on adoptera une disposition dans laquelle la masse de balourd reliée au vilebrequin et nécessaire pour l'équilibrage est composée d'un poids d'équilibrage relié directement au vilebrequin et d'au moins un autre poids d'équilibrage qui est prévu sur le volant indirecte- ment relié au vilebrequin. Dans cette construction, on peut limiter à une valeur particulièrement faible la masse de balourd du poids d'équilibrage directement relié du vilebrequin lorsque la partie restant de la masse de ba- lourd qui est encore nécessaire pour assurer l'équilibrage complet est remplacée ou représentée par un accroissement de l'autre poids d'équilibrage monté sur le volant. Etant donné que l'on peut former la fraction des masses d'équi- librage qui est portée par le volant d'inertie d'une façon simple en ménageant un ou plusieurs perçages dans la zone de ce volant, on peut conserver dans ce cas une configura- tion de volant de forme ramassée. Suivant une autre caractéristique de l'invention, la masse de balourd du poids d'équilibrage porté par le volant d'inertie est composée d'un gros poids et d'un pe- tit poids qui, en combinaison avec le poids d'équilibrage porté par le vilebrequin, sont calculés en grandeur, orien- tation et éloignement de l'axe du cylindre de manière ap- propriée pour garantir l'obtention de l'équilibrage complet des forces et moments qui a été mentionné plus haut. Un autre but de l'invention est de pouvoir réaliser le mécanisme d'entraînement des arbres d'équilibrage avec un nombre extrêmement réduit d'éléments de construction. A cet effet, il est prévu une roue dentée motrice montée sur le vilebrequin et qui coopère directement avec une contre-roue montée sur chacun des deux arbres d'équilibrage. - On obtient une autre simplification de la construc- tion des mécanismes de transmission lorsqu'avec cette roue dentée motrice montée-sur le vilebrequin coopère également une contre-roue servant à l'entraînement de l'arbre d'ac- tionnement des soupapes. D'autres caractéristiques et avantages de l'inven- tion apparaîtront au cours de-la description qui va suivre. Aux dessins annexés, donnés uniquement à titre d'exemple, - la figure 1 est une vue en coupe d'un moteur à combustion interne suivant l'invention; - la figure 2 est une coupe longitudinale prise suivant la ligne 1-1 de la figure 1, avec coupe partielle prise suivant la ligne II-Il de la figure 1; - les figures 3 à 7 montrent plusieurs positions relatives du vilebrequin et des poids d'équilibrage portés par les arbres d'équilibrage; - la figure 8 représente le vilebrequin à plus grande échelle, en élévation et en coupe partielle; et - la figure 9 est une coupe transversale du vile- brequin prise suivant la ligne III-III de la figure 8. Dans l'exemple de réalisation, on a représenté un moteur à combustion interne monocylindrique refroidi par air. Ce moteur comprend un carter de vilebrequin 10, un cylindre 12, une culasse 14 et un couvre-culbuteurs 16. Ces éléments de construction sont assemblés entre eux à 1 l'aide de vis non représentées. Le piston 18, qui est animé d'un mouvement alternatif dans le cylindre 12, est I accouplé d'une façon connue par une bielle 20 au vilebre- quin 22 qui tourillonne dans le carter de vilebrequin 10. Sur le vilebrequin 22 est fixé un volant 24 qui, dans le cas représenté, est réalisé sous la forme de là roue de soufflage du ventilateur de refroidissement et qui refoule l'air de refroidissement vers le cylindre 12 et la culasse 14 par un canal de guidage 26. La face fron- tale du volant d'inertie 24 qui est à l'opposé du moteur peut être utilisée d'une façon connue pour l'entraînement d'appareils. Il est connu que, pendant le fonctionnement d'un moteur à combustion interne à piston alternatif, il s'exerce sur le mécanisme d'entraînement du vilebrequin des forces d'inertie qui doivent nécessairement être absor- bées par un dispositif d'équilibrage afin de ne pas agir sur le support du moteur sous la forme dé forces ou de mo- ments libres et de ne pas pouvoir engendrer des vibrations ou ébranlements indésirables. Parmi les fsrces d'inertie, on doit compter: la force d'inertie des éléments rotatifs (tournants) du moteur (comme les bras de manivelle, le maneton, la partie tournante de la bielle) ainsi que les forces d'inertie des éléments alternatifs (oscillants) p (comme le piston, la partie oscillante de la bielle). La force d'inertie issue des éléments tournants se présente sous la forme d'une force centrifuge (Frot) qui I tourne, est constante, agit en permanence vers l'extérieur et dont la grandeur est donnée par la formule F rot = mrot-.rM O mrot est la masse des éléments rotatifs l X est la vitesse angulaire l r est le rayon du vilebrequin 3 La force d'inertie des éléments oscillants est une l force centrifuge qui agit constamment suivant l'axe du cylindre et qui est périodiquement variable. Sa grandeur maximale dans le premier ordre est donnée par la formule Fosc =mosc' 2'.r(N), O mosc est la masse des éléments oscillants w est la vitesse angulaire' r est le rayon du vilebrequin Sur les figures 1 et 2, le piston 18 se trouve au point mort haut (PMH) et les forces centrifuges agissant vers le haut sont portées sur la figure 2 sous la forme de deux grandeurs Frot et Fose situées sur l'axe du cylindre et désignées par des flèches. Lorsqu'on veut obtenir un équilibrage parfait des effets indésirables des forces d'inertie du premier ordre, on doit produire à l'aide du dispositif d'équilibrage une force antagoniste de même grandeur. Dans cet équilibrage, on ne doit pas produire de moments libres, -en particulier autour d'axes horizontaux. Le dispositif d'équilibrage suivant l'invention comprend donc un poids Gi monté sur le flasque gauche du vilebrequin et dont la force centrifuge est désignée par une flèche Fi sur la figure 2. Par ailleurs, on a prévu sur le volant 24 deux autres poids9G2 et G3 dont les forces centrifuges sont indiquées par des flèches F2 et F3 (les poids d'équilibrage G2 et G3 indiqués en traits mixtes sur., le dessin sont représentés en réalité par des perçages B2 et B3 ménagés dans les régions opposées du volant 24). Le dispositif est agencé de manière que les poids d'équilibrage Gi, G2, G3 qui sont directement ou indirec- tement solidaires du vilebrequin 22 représentent, en dehors de la masse de balourd nécessaire pour équilibrer les for- ces d'inertie tournantes Frot' la moitié (1/2 Fo.c) de la grandeur oscillante Fosc nécessaire pour l'équilibrage (l'autre moitié de Fosc) est obtenue à l'aide d'un dispo- sitif d'équilibrage qui sera décrit dans la suite). On doit obtenir: 1/2 F +Frot =F1 + F2 - F3 ou 1/2 F + Frot -Fl - F2 + F3 = 0 (1/2 Fosc + Frot). 0 = Fl.e + F2.f - F3.g = 0 Sur les dessins, on a indiqué en e, f et g les bras de leviers des poids Gi, G2, G3, ou distances séparant ces poids de l'axe du cylindre. Ainsi qu'on l'a mentionné plus haut, la deuxième moitié de Fosc est obtenue au moyen d'un autre dispositif d'équilibrage qui comprend deux arbres d'équilibrage iden- tiques 28 qui tourillonnent dans le carter 10 du vilebre- quin ainsi que dans un flasque palier 30 à la même distance) du vilebrequin 22 et parallèlement à ce dernier. Dans le cas représenté, les arbres 22 et 28 sont donc contenus dans un même plan. Une roue motrice 32 calée sur le vilebrequin 22 engrène avec une contre-roue 34 portée par chacun des ar- bres d'équilibrage 29 et entraîne ainsi les deux arbres 28 tous deux dans le même sens mais en sens inverse du vilebrequin 22. La roue motrice 32 montée sur le vilebre- quin 22 engrène également avec une autre contre-roue 36 qui est calée sur un arbre de distribution 38 dont la came sert à l'entraînement des poussoirs 40 qui actionnent les culbuteurs des soupapes. Sur chaque arbre d'équilibrage 28'est monté un poids d'équilibrage G4 qui s'engage dans la région de rota- tion du vilebrequin entre le palier principal droit et le maneton du vilebrequin 22. Pour permettre cet engagement, un évidement intérieur 22a et un évidement extérieur 22b sont ménagés dans le flasque droit de ce vilebrequin. Pendant les mouvements de rotation du vilebrequin 22, les évidements 22a et 22b passent en alternance au droit des deux poids d'équilibrage G4. De cette façon, les mouvements de rotation des poids G4 et le mouvement de rotation du vilebrequin 22 peuvent se dérouler sans se gêner mutuelle- ment, ainsi que le laissent voir les positions de travail des éléments précités qui sont représentés sur les figures 3 à 7. - Chaque arbre d'équilibrage 28 porte encore sur l'ex- O trémité dirigée vers le flasque 30 un petit poids d'équili- brage supplémentaire G5 qui est antagoniste sur l'arbre d'équilibrage 28 au gros poids G4 et équilibre le moment de ce poids. L'équilibrage de la deuxième moitié de Fosc est garanti aussi bien en ce qui concerne les forces d'inertie qu'en ce qui concerne les moments lorsque les équations suivantes sont remplies: 1/2 Fosc =2 (F4 - F5) ou 1/2 Fosc + 2 F5 - 2 F4 = 0 (1/2 Fosc) = 2 (F4.h - F5.i) = O Ici également,- h et i représentent les bras de le- viers des poids G4 et G5, c'est-à-dire les distances sépa- rant ces poids de l'axe du cylindre. Dans la disposition des poids d'équilibrage Gi, G2, G3 et G4, G5 qui a été décrite et avec le calcul de ces poids qui a été indiqué plus haut, on obtient un dispositif d'équilibrage qui garantit, -avec une configuration ramassée de vilebrequin et, en conséquence, également avec une forme de construction peu encombrante du moteur, un équilibrage total des forces d'inertie du premier ordre et de leurs moments. Il convient encore de mentionner que, dans les mo- teurs à combustion interne dont il S'est pas nécessaire d'équilibrer totalement les forces d'inertie et les mo- ments, on supprime simplement les deux arbres d'équilibrage 28 et leurs poids G4 et G5, tandis que les autres éléments restent conservés dans la configuration décrite plus haut. On obtient ainsi un type de base de moteur qui comporte comme éléments le vilebrequin 22 avec son poids Gi, le volant 24 avec ses poids G2 et G3 ainsi que le carter de vilebrequin 1O et le flasque palier 30 avec les logements de paliers destinés à recevoir les éléments 28. Ce type de base n'est pas entièrement équilibré mais il peut être complété en cas de besoin par simple addition des deux arbres d'équilibrage, munis des poids G4 et G5, dans les logements de paliers déjà présents, pour former un moteur entièrement équilibré. Cette possibilité de transformation conduit à une simplification considérable de la technique de fabrication et, de cette façon, à une construction par- ticulièrement économique du moteur. Pour conclure, on peut encore indiquer que, dans certains cas de fonctionnement, les deux poids d'équili- brage additionnels G5 peuvent être supprimés parce que les deux poids d'équilibrage G4 restants qui coopèrent avec les évidements du vilebrequin sont tellement rapprochés de l'axe du cylindre que le moment qui subsiste après la suppression des poids GS est très faibie et peut être né- gligé en pratique. 4. REVENDICATIONS 1. Moteur à combustion interne monocylindre compor- tant un vilebrequin, une bielle et un piston ainsi qu'un dispositif de contrepoids qui sert à équilibrer les forces centrifuges résultant des masses tournantes et les forces centrifuges du premier ordre résultant des masses oscillan- tes des éléments du moteur, caractérisé en ce qu'au vile- brequin (22) sont reliés directement ou indirectement des poids d'équilibrage (Gl, G2, G3) qui possèdent, outre la masse de balourd nécessaire pour l'équilibrage des forces centrifuges tournantes (F rot) la moitié (1/2 Fos) de la masse de balourd nécessaire pour l'équilibrage des forces centrifuges oscillantes du premier ordre (FosC), et en ce qu'il est prévu deux arbres d'équilibrage (28) entra!nés par le vilebrequin (22), parallèles à celui-ci et qui tour- nent dans le même sens l'un que l'autre, mais en sens in- verse du vilebrequin, chacun de ces arbres d'équilibrage portant un poids d'équilibrage (G4, G5) qui représente un quart (1/4 F0sc) de la masse de balourd nécessaire pour l'équilibrage des forces centrifuges oscillantes du premier ordre (Fosc)* 2. Moteur à combustion interne suivant la revendica- tion 1, caractérisé en ce que chaque arbre d' équilibrage (28) porte un poids d'équilibrage (G4) qui coopère avec des évidements (22a, -22b) ménagés dans le vilebrequin (22) de telle manière que, pendant la rotation du vilebrequin, les évidements de ce vilebrequin passent alternativement au droit du poids d'équilibrage (G4) de chacun des deux arbres d'équilibrage (28). 3. Moteur à combustion interne suivant la revendi- cation 2, caractérisé en ce que les évidements (22a, 22b) sont ménagés entre le palier principal du vilebrequin et le maneton du-vilebrequin. 4. Moteur à combustion interne suivant la revendi- cation 2, caractérisé en ce que sur chaque arbre d'équili- brage (28) est monté, à l'extérieur par rapport au coude du vilebrequin, un poids d'équilibrage supplémentaire (G5) - qui agit sur l'arbre d'équilibrage en sens inverse du poids d'équilibrage (G4) et qui équilibre le moment de l celui-ci par rapport à l'axe du cylindre. 5. Moteur à combustion interne suivant la revendi- t cation 1, équipé d'un volant d'inertie entraîné par le vi- i lebrequin, caractérisé en ce que la masse de balourd reliée au vilebrequin (22) et nécessaire pour l'équilibrage est I composée d'un poids d'équilibrage (Gi) relié directement au vilebrequin et d'au moins un autre poids d'équilibrage (G2) qui est prévu sur le volant (24) indirectement relié! au vilebrequin.. 6. Moteur à combustion interne suivant la revendi- De cation 5, caractérisé en ce que la masse de balourd du poids d'équilibrage (Gi) directement relié au vilebrequin I (22) peut itre limitée à une faible valeur lorsque la par- t tie restante de la masse de balourd encore nécessaire pour t assurer l'équilibrage complet est représentée par un accrois- sement de l'autre poids d'équilibrage (G2) prévu sur le volant d'inertie (24). 7. Moteur à combustion interne suivant la revendi- ( cation 6, caractérisé en ce que sur le volant d'inertie (24) est prévu un autre poids d'équilibrage (G3) qui agit t en sens inverse des poids d'équilibrage (a1, G2) et équi- libre le moment résultant par rapport à l'axe du cylindre. 8. Moteur à combustion interne suivant la revendi- cation 1, caractérisé en ce que sur le vilebrequin (22) est montée une roue dentée motrice (32) qui coopère avec une contre-roue (34) montée sur chacun des arbres d'équi- librage (28). t 9. Moteur à combustion interne suivant la revendi- cation 8, caractérisé en ce que sur un arbre de distribu-. tion (38) servant à l'actionnement des soupapes est montée | une contreroue (36) qui coopère également avec la roue | dentée motrice (32) montée sur le vilebrequin (22). |