Brevet FR2688563A1 — publié le 19930917

DISPOSITIF POUR EOUILIBRER UN ARBRE D'ENTRAINENENT DE MOITEUR A COMBUSTION INTERNE La présente invention a pour objet un dispositif pour équilibrer les efforts s'exerçant sur un arbre d'entraînement, utilisé notamment dans un moteur à combustion interne. L'invention vise plus particulièrement l'équilibrage des efforts dynamiques cycliques s'exerçant sur les arbres à cames de moteur à combustion interne. L'arbre à cames d'un moteur à combustion interne a pour rôle d'opérer la levée des soupapes, commandant l'entrée des gaz dans chaque cylindre du moteur en début de cycle et leur sortie en fin de cycle, contre la force des ressorts de rappel appuyant chacune des soupapes contre son siège. Or la levée de chacune des soupapes provoque une variation de type sinusoïdale du couple dynamique instantané s'exerçant sur l'arbre sous l'action du ressort de soupape, dans l'intervalle de rotation correspondant à la levée. En effet pendant la phase d'ouverture proprement dite, le ressort exerce un couple résistant s'opposant à la rotation de l'arbre à cames, tandis que pendant la phase de fermeture le ressort exerce alors un couple moteur accompagnant la rotation. Il en résulte que l'arbre à cames est soumis de façon cyclique à des variations de couple qui peuvent être très importantes. De telles variations cycliques du couple sont fortement préjudiciables au fonctionnement de l'arbre à cames. Ces variations engendrent tout d'abord un surdimensionnement du système d'entraînement qui doit être adapté à résister aux valeurs maximales du couple s'exerçant sur l'arbre à cames et non pas à la valeur moyenne du couple à transmettre. De plus ces variations sont une source de résonnance du système d'entraînement qui se trouve être excité par la fréquence des variations, cette résonnance provoque d'une part de l'usure et la fatigue des pièces et d'autre part participe à la bruyance du moteur. Enfin le renversement du couple dynamique instantané, passant d'une valeur positive à une valeur négative, génère également de l'usure et du bruit par de brusques rattrapages de jeux. Classiquement on a cherché à atténuer ces variations cycliques en augmentant le couple d'entraînement moyen, de manière à éliminer le renversement de couple, par exemple en rajoutant des poids d'équilibrage comme cela est décrit dans la publication-Fr-A 2.558.232, ou encore en faisant entraîner directement par l'arbre à cames des accessoires tels que la pompe à essence ou la pompe à huile ou encore le distributeur d'allumage. Ces approches par augmentation du couple moyen n'est pas très satisfaisante car elle n'élimine pas l'excitation générée par la variation de couple, additionnellement elle augmente encore plus le couple maximum et d'autre part elle perturbe le régime de rotation des accessoires. Le but de la présente invention est donc de proposer un dispositif pour équilibrer les efforts s'exerçant sur un arbre d'entraînement de façon à éliminer toute ou partie des variations cycliques du couple dynamique appliqué à ce dernier. Le dispositif selon l'invention pour équilibrer les efforts s'exerçant sur un arbre rotatif d'entraînement concerne plus particulièrement les arbres rotatifs, équipant notamment les moteurs à combustion interne, soumis à des variations cycliques de couple de la part des organes commandés. Selon l'invention le dispositif pour équilibrer les efforts s'exerçant sur un arbre d'entraînement est caractérisé en ce qu'il comprend des moyens générateurs de couple aptes à exercer sur ledit arbre un couple cyclique, de même amplitude que le couple de fonctionnement généré par les organes commandés mais en opposition de phase, de manière que le couple résultant s 1exerçant sur ledit arbre soit sensiblement exempt de variations. Selon une autre caractéristique du dispositif pour équilibrer les efforts s'exerçant sur un arbre d'entraînement, les moyens générateurs de couple sont aptes à absorber et à régénérer de l'énergie pendant la rotation de l'arbre. Selon une autre caractéristique du dispositif pour équilibrer les efforts s'exerçant sur un arbre d'entraînement, les moyens générateurs de couple comportent des moyens élastiques de rappel. Selon un mode de réalisation privilégié de l'invention le dispositif pour équilibrer les efforts s'exerçant sur un arbre rotatif d'entraînement est destiné plus particulièrement à un arbre à cames de moteur à combustion interne du type comportant une première série de cames de manoeuvre pour actionner les soupapes d'admission et/ou d'échappement dudit moteur contre l'action de ressorts de rappel. Selon une caractéristique du dispositif selon l'invention pour équilibrer les efforts s'exerçant sur un arbre à cames de moteur à combustion interne, l'arbre à cames est équipé d'au moins une came de compensation coopérant avec des moyens élastiques de rappel de raideur prédéterminée. Selon une autre caractéristique du dispositif selon l'invention pour équilibrer les efforts s'exerçant sur un arbre à cames de moteur à combustion interne, les moyens élastiques sont formé par un poussoir comprenant un ressort hélicoïdal de rappel, en appui contre ladite came de compensation. Selon une autre caractéristique du dispositif selon l'invention pour équilibrer les efforts s'exerçant sur un arbre à cames selon l'invention, la came de compensation comporte un flanc concave associé au flanc de la zone de levée d'une came de manoeuvre. Selon une autre caractéristique du dispositif selon l'invention pour équilibrer les efforts s'exerçant sur un arbre à cames selon l'invention, la came de compensation présente autant de flancs concaves que l'arbre à cames présente de cames de manoeuvre. On comprendra mieux les buts, aspects et avantages de la présente invention, d'après la description donnée ci-après d'un mode de réalisation de l'invention, donné à titre d'exemple non limitatif, en se référant au dessin annexé, dans lequel la figure 1 est un diagramme précisant l'évolution du couple induit sur un arbre à cames par l'entraînement d'une soupape la figure 2 présente un schéma de principe d'un dispositif pour équilibrer les efforts s'exerçant sur un arbre d'entraînement ; la figure 3 présente une vue partielle d'un moteur à combustion interne équipé d'un dispositif pour équilibrer les efforts s'exerçant sur l'arbre à cames. La figure 1 montre l'incidence sur le couple d'entraînement dynamique d'un arbre à cames, de l'ouverture et de la fermeture d'une soupape de moteur à combustion interne appliquée classiquement contre son siège par un ressort hélicoïdal de rappel. Il apparait clairement que le couple dynamique (qui est mesuré expérimentalement au banc d'essai à partir d'un capteur piézoélectrique) évolue de façon très importante de part et d'autre de la valeur du couple moyen d'entraînement de l'arbre. Cette variation d'amplitude est considérable, par exemple à un régime de 1500 tr/mn et par rapport à un couple moyen à transmettre de 4 mN, on a pu noter que le couple dynamique de la distribution varie d'environ + ou - 10 mN. Une telle variation d'amplitude implique donc un dimensionnement adapté de l'arbre, c'est à dire un surdimensionnement par rapport au couple moyen à transmettre. La figure 2 illustre schématiquement le principe de l'invention : pouvoir générer un couple de compensation (Cs) cyclique, de même amplitude que le couple (Cp) de fonctionnement généré par les organes de distribution mais en opposition de phase, de sorte que le couple résultant (Cr), Cr=Cs+Cp, s'exerçant sur ledit arbre (5) soit sensiblement exempt de variation cyclique. Pour ce faire l'arbre à cames 25 est muni d'une came supplémentaire ou came de compensation 252 sur laquelle vient en appui un poussoir 26 appliqué par des moyens élastiques tels qu'un ressort hélicoïdal de rappel 27. Le profil de la came ainsi que l'inertie et la raideur du ressort sont optimisés au banc d'essai pour réduire et si possible supprimer les variations du couple dynamique résultant appliqué à l'arbre à cames 25. L'ensemble came de compensation - poussoir a pour objet de produire un couple de même amplitude mais en opposition de phase que le couple dynamique engendrés par les organes de distribution commandés et notamment les ressorts de rappel de soupapes. Dans le cas d'un arbre à cames 25 portant quatre cames disposées à 90" d'intervalle, la came de compensation 252 doit produire un couple correspondant à la somme des quatre couples élémentaires produits par les ressorts de chacune des soupapes. Pour ce faire la came de compensation 252 présente quatre lobes espacés de 90 , les zones de raccordement entre deux lobes successifs étant de forme concave. Cette came est positionnée sur l'arbre à cames 25 de sorte qu'à chaque zone de levé des cames de manoeuvre correspondent une zone de raccordement de la came de compensation, de sorte qu'à la compression puis à la détente d'un ressort de soupape corresponde la détente puis la compression du ressort 27. Ainsi grâce à cette came de compensation le ressort 27 va exercer un couple dynamique sur l'arbre à cames 25 de même amplitude mais en opposition de phase avec chaque couple généré par chacun des ressorts de soupape entraînés par l'arbre à cames 25. La figure 3 représente le dispositif d'équilibrage en position dans la culasse d'un moteur à combustion interne classique à quatre cylindres en ligne. Seuls les éléments contribuant à la compréhension de l'invention ont été figurés. Le système de distribution représenté comprend une soupape 2 apte à obturer l'orifice d'un conduit d'admission des gaz frais (ou d'échappement des gaz brulés) débouchant dans une chambre de combustion. La soupape 2, montée coulissante dans la culasse 1 du moteur est rappelée à sa position de fermeture par un ressort 3 qui s'appuie sur un poussoir 4. L'ouverture de la soupape 2 est commandée par la came de manoeuvre 51 de l'arbre à cames 5 monté rotatif dans la culasse et entraîné par le vilebrequin. La came de manoeuvre 51 appuie directement sur la partie supérieure du poussoir 4 alors que l'extrémité inférieure de ce dernier repose sur l'extrémité supérieure de la tige de la soupape. Le dispositif d'équilibrage est disposé en situation dans la culasse 1. Il comprend un poussoir 6 rappelé en appui contre une came de compensation 52 portée par l'arbre à came 5 par un ressort 7 logé pour partie dans une cavité correspondante 81 du couvre-culasse 8 chapeautant la culasse 1. Le profil et le positionnement angulaire de la came 52 sont définis de façon que le couple dynamique produit par le poussoir 52 sur l'arbre à cames 5 lors de la rotation de ce dernier soit de même amplitude mais en opposition de phase avec le couple dynamique résultant de l'action exercée par chacune des cames de manoeuvre sur les poussoirs de distribution 4 entraînés par l'arbre à cames 5. Dans l'hypothèse d'un arbre à cames portant quatre cames 51 de manoeuvre de soupapes (2) disposées à 900 d'intervalle, la came 52 se présente sous la forme de la came à quatre lobes décrit à la figure 2. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée au mode de réalisation décrit et illustré qui n'a été donné qu'à titre d'exemple. Au contraire, l'invention comprend tous les équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons si celles-ci sont effectuées suivant son esprit. Ainsi le dispositif d'équilibrage peut mettre en oeuvre aussi bien des moyens purement mécaniques tels que des ressorts hélicoïdaux que des ressorts à gaz, etc. Ainsi le dispositif d'équilibrage peut être mis en oeuvre avec un système à basculeur de type culbuteur : une extrémité du culbuteur reposant sur la came de compensation tandis que l'autre extrémité repose sur le ressort de rappel associé logé dans la culasse ou le couvre-culasse. Ainsi le dispositif d'équilibrage peut mettre en oeuvre une pluralité de cames de compensation et notamment une came de compensation associée à chaque came de manoeuvre. REVENDICATIONS [1] Dispositif pour équilibrer les efforts s'exerçant sur un arbre rotatif d'entraînement (5), ledit arbre (5), équipant notamment les moteurs à combustion interne, étant soumis à des variations cycliques de couple de la part des organes commandés (4,3,2), caractérisé en ce qu'il comprend des moyens générateurs de couple (6,7,52) aptes à exercer sur ledit arbre (5) un couple (Cs) cyclique, de même amplitude que le couple (Cp) de fonctionnement généré par les organes commandés (4,3,2) mais en opposition de phase, de manière que le couple résultant (Cr) s'exerçant sur ledit arbre (5) soit sensiblement exempt de variations. t2] Dispositif pour équilibrer les efforts s'exerçant sur un arbre rotatif d'entraînement (5) selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens générateurs de couple (7) sont aptes à absorber et à régénérer de l'énergie pendant la rotation de l'arbre (5). t3] Dispositif pour équilibrer les efforts s'exerçant sur un arbre rotatif d'entraînement (5) selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdits moyens générateurs de couple comportent des moyens élastiques de rappel (7). [43 Dispositif pour équilibrer les efforts s'exerçant sur un arbre rotatif d'entraînement (5) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, destiné plus particulièrement à un arbre à cames (5) de moteur à combustion interne, cet arbre à cames (5) comportant une première série de cames de manoeuvre (51) pour actionner les soupapes d'admission (2) et/ou d'échappement dudit moteur contre l'action de ressorts de rappel (3), caractérisé en ce que l'arbre à cames est équipé d'au moins une came de compensation (52) coopérant avec des moyens élastiques de rappel (7) de raideur prédéterminée. [5] Dispositif pour équilibrer les efforts s'exerçant sur un arbre rotatif d'entraînement (5) selon la revendication 4, caractérisé en ce que lesdits moyens élastiques sont formés par un poussoir comprenant un ressort hélicoïdal de rappel (6), en appui contre ladite came de compensation (52). [6] Dispositif pour équilibrer les efforts s'exerçant sur un arbre rotatif d'entraînement (5) selon l'une quelconque des revendications 4 à 5, caractérisé en ce que ladite came de compensation (52) comporte un flanc concave associé au flanc concave de la zone de levée d'une came de manoeuvre (51). [73 Dispositif pour équilibrer les efforts s'exerçant sur un arbre rotatif d'entraînement (5) selon la revendication 6, caractérisé en ce que ladite came de compensation (52) présente autant de flancs concaves que l'arbre à cames présente de cames de manoeuvre (51).