Brevet FR2707710A1 — publié le 19950120

VILEBREQUIN MODULAIRE POUR MACHINES ALTERNATIVES La présente invention intéresse le domaine de la mécanique, notamment celui des machines alternatives, et concerne plus particulièrement les pièces mécaniques de transformation du mouvement alternatif de pistons en mouvement de rotation, appelées vilebrequins ou arbres à manivelles. A titre de rappel on peut préciser succinctement la chaîne cinématique principale dans laquelle s'insère un vilebrequin. Dans une machine alternative fonctionnant comme moteur, l'énergie est transmise par chaque piston qui est relié à un vilebrequin par l'intermédiaire d'une bielle, celle-ci étant couplée au piston par un axe de piston et couplée au vilebrequin par un maneton solidaire dudit vilebrequin. Les manetons portent des bras de manivelle, eux-mêmes portant des arbres ou tourillons permettant la rotation du vilebrequin autour d'un axe dans un carter de moteur, généralement par l'intermédiaire de roulements à billes ou à aiguilles ou de paliers. Les manetons peuvent être couplés aux bielles également par l'intermédiaire de roulements. Le vilebrequin entraîne notamment une distribution commandant l'ouverture et la fermeture de soupapes. Dans une machine alternative fonctionnant comme récepteur, la chaîne cinématique peut être identique à celle précédemment décrite, mais le mouvement moteur est transmis à la machine notamment par l'intermédiaire d'un moteur électrique couplé au vilebrequin. C'est en particulier le cas de compresseurs. La conception et la fabrication des vilebrequins doit tenir compte des contraintes mécaniques considérables, notamment de fatigue, auxquelles ces derniers sont soumis. En effet, par exemple dans le cas des vilebrequins de moteurs, ces derniers doivent supporter d'une part les contraintes dues à l'explosion du mélange de combustion, et d'autre part les contraintes dues aux accélérations et décélérations des arbres de transmission. Pour résister à ces sollicitations, les vilebrequins sont dans la plupart des cas obtenus en fabrication par forgeage ou par estampage, procédés qui permettent d'assurer une continuité dans la structure du métaI procurant la forte résistance aux contraintes, notamment de fatigue, des vilebrequins. L'Art Antérieur nous enseigne aussi un vilebrequin, dont les manetons et les bras de manivelle sont fabriqués séparément puis assemblés sur une presse. Ce dernier type de vilebrequin concernant notamment des moteurs à combustion interne de faible cylindrée et comportant un nombre de cylindres réduit. Les vilebrequins forgés ou estampés se caractérisent notamment par des coûts de fabrication élevés, engendrés par un coût de l'outillage nécessaire à leur fabrication qui n'est amortissable que sur des séries de fabrication très importantes. Ce qui présente l'inconvénient de rendre prohibitif le coût d'un tel vilebrequin pour des machines alternatives fabriquées en petites séries, voire de rendre dans ce cas cette méthode de fabrication impossible. Les vilebrequins assemblés à la presse sont d'un coût moins important en particulier pour les petites séries, mais nécessitent l'utilisation d'une presse puissante pour l'assemblage, etpar conséquent, sont indémontables sans ladite presse. Ces différents types de vilebrequins ne possèdent pas d'aspect modulaire, c'est à dire qu'ils sont conçus et fabriqués pour un type de machine alternative comportant un nombre de cylindres déterminé et ne peuvent donc pas s'adapter sur un même type de machine alternative comportant un nombre de cylindres différent. La présente invention permet de remédier à ces différents inconvénients et d'apporter d'autres avantages. Plus précisément, elle consiste en un vilebrequin pour machines alternatives caractérisé en ce qu'il comprend au moins, un premier maneton portant au moins un premier bras de manivelle et un deuxième bras de manivelle comprenant au moins un premier arbre, un deuxième maneton portant au moins un troisième bras de manivelle et un quatrième bras de manivelle comprenant au moins un deuxième arbre, un troisième arbre, des moyens de centrage pour un alignement desdits premier, deuxième, et troisième arbres, ledit alignement définissant un axe de rotation du vilebrequin, des moyens libérables pour une liaison rigide démontable au moins desdits premier et deuxième manetons, des moyens pour un positionnement relatif réglable au moins desdits premier et deuxième manetons. Un tel vilebrequin, comprenant deux manetons est prévu pour une machine alternative à deux cylindres. On peut définir un module du vilebrequin selon l'invention par un maneton portant deux bras de manivelle. Les bras de manivelle aux deux extrémités du vilebrequin comprennent chacun un arbre pour la rotation dudit vilebrequin dans un carter de machine alternative, les deux arbres étant alignés. Le troisième arbre qui est aligné suivant les deux arbres précédents, et placé entre le premier et le deuxième modules, assure notamment un centrage supplémentaire en rotation du vilebrequin dans le carter. Ainsi un tel vilebrequin comprend un premier et un deuxième module démontables et liés rigidement par des moyens libérables, ce qui permet avantageusement de pouvoir séparer un module de l'autre sans machine-outil spécifique comme notamment une presse. Selon une caractéristique particulière, le vilebrequin selon l'invention comprend au moins, un troisième maneton portant au moins un cinquième bras de manivelle et un sixième bras de manivelle, un quatrième arbre, des moyens de centrage pour un alignement desdits premier, deuxième, troisième, et quatrième arbres, des moyens libérables pour une liaison rigide démontable au moins desdits premier, deuxième, et troisième manetons, des moyens pour un positionnement relatif réglable au moins desdits premier, deuxième, et troisième manetons. Le vilebrequin selon l'invention comprend ainsi suivant cette caractéristique au moins un troisième module et un quatrième arbre qui sont placés avantageusement entre le troisième arbre et deuxième module. Ce troisième module comprend un troisième maneton portant un cinquième et un sixième bras de manivelle. Les troisième et quatrième arbres, intercalés respectivement entre d'une part les premier et troisième modules et d'autre part entre les troisième et deuxième modules autorisent notamment selon leurs longueurs à adapter le vilebrequin à la machine alternative sur laquelle il est monté, de façon que chaque maneton soit positionné en face de chaque cylindre respectif. Dans un cas particulier de montage du vilebrequin dans un moteur à combustion interne comportant un cycle à deux temps, chaque arbre permet notamment de réaliser l'étanchéité nécessaire entre deux parties consécutives du carter correspondant chacune à un cylindre respectif, par exemple par l'intermédiaire de roulements. Le vilebrequin selon l'invention comportant trois manetons, est destiné à un emploi dans une machine alternative à trois cylindres Plus généralement, iI est possible d'intercaler d'autres modules et d'autres arbres en fonction des besoins, un vilebrequin pouvant posséder un nombre de modules égal au nombre de cylindres d'une machine alternative sur laquelle il est monté. D'autres avantages et caractéristiques apparaîtront à la lecture de la description accompagnée par les dessins annexés qui illustrent deux exemples de réalisation d'un vilebrequin modulaire pour moteur à combustion interne selon l'invention, exemples donnés à titre d'illustration et sans qu'aucune interprétation restrictive de Ia protection recherchée ne puisse en être tirée. La Figure 1 représente en vue de face et en coupe partielle un vilebrequin modulaire pour moteur à combustion interne à deux temps et deux cylindres alignés. La Figure 2 représente la coupe effectuée selon la ligne II-II de la Figure l. La Figure 3 représente en vue de face un vilebrequin modulaire pour moteur à combustion interne à deux temps et trois cylindres alignés. La Figure 4 représente en vue de bout le vilebrequin selon la Figure 3. ll faut tout d'abord préciser que les vilebrequins représentés sur les Figures 1 à 4 ne montrent pas d'interface, d'une part avec le carter de moteur et d'autre part avec les bielles. En ce qui concerne l'interface vilebrequin-carter, des usinages sur les arbres ou toutes autres adjonctions de pièces, notamment de calage ou de roulement, peuvent être réalisés de façon appropriée à un moteur spécifique, selon tous moyens connus. Il en est de même pour l'interface vilebrequin-bielles en ce qui concerne les manetons. Suivant la Figure 1, le vilebrequin comprend en partie gauche de la Figure, un premier maneton ml portant un premier bras de manivelle bl et un deuxième bras de manivelle b2 comprenant un premier arbre al, ledit arbre assurant un premier centrage en rotation du vilebrequin dans un carter de moteur (non représenté), notamment par l'intermédiaire d'un roulement étanche (non représenté). En partie droite de la Figure 1, le vilebrequin comprend un deuxième maneton m2 portant un troisième bras de manivelle b3 et un quatrième bras de manivelle b4 comprenant un deuxième arbre a2, ce dernier étant aligné avec le premier arbre al, assurant ainsi un deuxième centrage dans le carter de moteur (non représenté), notamment par l'intermédiaire d'un roulement étanche (non représenté). Les premier et deuxième manetons se présentent chacun avantageusement sous la forme d'un premier et d'un deuxième tube cylindrique ml, m2. A chaque extrémité du premier tube cylindrique ml est emmanché en force un premier bras de manivelle bl et un deuxième bras de manivelle b2. A chaque extrémité du deuxième tube cylindrique m2 est emmanché en force un troisième bras de manivelle b3 et un quatrième bras de manivelle b4. Les premier, deuxième, troisième, et quatrième bras de manivelle bl, b2, b3, b4 possèdent avantageusement une forme de plateau cylindrique dont le centre est coaxial avec les premier et deuxième arbres al, a2, comme cela est représenté sur les Figures 1 et 2. Cette caractéristique permet un bon auto équilibrage des bras de manivelle en rotation, et autorise une fabrication peu coûteuse de ceux-ci notamment sur un tour couramment utilisé dans l'industrie mécanique. Le vilebrequin suivant la Figure 1 comprend avantageusement entre le premier bras de manivelle bl et le troisième bras de manivelle b3, un troisième arbre a3, aligné avec les premier et deuxième arbres al, a2, assurant notamment un centrage et une étanchéité complémentaire dans le carter, notamment par l'intermédiaire d'un ou deux roulements étanches (non représentés). Le troisième arbre a3 possède une longueur déterminée en fonction d'un entraxe des cylindres du moteur dans lequel le vilebrequin est inséré, ledit entraxe pouvant être important notamment dans le cas d'un moteur à refroidissement par air et à cylindres en ligne, de part l'encombrement des ailettes de refroidissement. On peut définir ainsi un premier module qui comprend le premier maneton ml et les premier et deuxième bras de manivelle bl, b2, et un deuxième module qui comprend le deuxième maneton m2 et les troisième et quatrième bras de manivelle b3, b4. Le troisième arbre a3, est avantageusement indépendant des premier et deuxième modules, et peut être constitué d'un matériau différent. Par exemple en alliage léger comme un alliage AU4G pour alléger le vilebrequin, les premier et deuxième modules étant avantageusement en acier. Le troisième arbre a3 comprend une première et une deuxième surface plane d'extrémité 8, 9 parallèles entre elIes et perpendiculaires à un axe de rotation 10 du vilebrequin défini notamment par les premier et deuxième arbres al, a2. Le troisième arbre a3 comprend avantageusement un alésage 6 coaxial avec l'axe de rotation 10 du vilebrequin, servant au centrage des premier et deuxième modules, et comprend avantageusement six trous 11 équidistants de façon angulaire, perpendiculaires aux surfaces d'extrémité 8, 9, et positionnés de façon annulaire sur celles-ci, comme représenté sur les Figures 1 et 2. Lesdits trous 11 permettent notamment le positionnement angulaire d'un module par rapport à l'autre, comme cela sera explicité ci-après. Suivant la Figure 1, les premier et troisième bras de manivelle bl, b3 respectivement des premier et deuxième modules possèdent chacun avantageusement une surface de bout plane respectivement 12, 13, perpendiculaire à l'axe de rotation 10 du vilebrequin, comprenant un épaulement 5 cylindrique coaxial audit axe de rotation 10 du vilebrequin, qui assure un centrage du premier et deuxième module sur le troisième arbre a3, par emboîtement dans l'alésage 6 de ce dernier, de façon à aligner le premier module, le deuxième module, et le troisième arbre a3 suivant l'axe de rotation 10 du vilebrequin. Les premier et troisième bras de manivelle bl, b3 comprennent chacun six trous 7 équidistants de façon angulaire, perpendiculaires auxdites surfaces de bout 12, 13, et positionnés de façon annulaire sur celles-ci. Un des six trous 7 de chacun des premier et troisième bras de manivelle bl, b3 est réservé pour l'emmanchement respectivement des manetons ml, m2. L'ensemble des trous 7 de chacun des premier et troisième bras de manivelle bl, b3 assure, en coopération avec les trous 11 du troisième arbre a3, la liaison rigide et le positionnement angulaire du premier module, du deuxième module, et du troisième arbre a3, par l'intermédiaire de goujons 1 et d'écrous 2, comme cela est représenté partiellement sur la Figure 1. n faut noter que la position angulaire du troisième arbre a3 par rapport aux premier et deuxième modules n'est qu'accessoire, seule Ia position angulaire du premier module par rapport au deuxième module étant importante, car elle conditionne la position relative du premier maneton ml et du deuxième maneton m2. L'assemblage ainsi réalisé procure au vilebrequin une rigidité nécessaire notamment par appui de chacune des surfaces de bout 12, 13 planes des premier et deuxième modules respectivement sur les surfaces d'extrémité 8, 9 du troisième arbre a3. On notera que les premier et troisième bras de manivelle bl, b3 sont avantageusement interchangeables, ce qui réduit le coût de fabrication de ces éléments et par conséquent, le coût de revient du vilebrequin. Les premier et deuxième manetons ml, m2 respectivement des premier et deuxième modules, sont avantageusement diamétralement opposés par rapport à l'axe de rotation 10 du vilebrequin, comme le montre la Figure 2, de façon notamment à obtenir un temps moteur tous les demi-tour du vilebrequin. Les premier et deuxième modules comprennent selon les besoins, sur les bras de manivelle, des masses d'équilibrage 14 sensiblement diamétralement opposées aux manetons par rapport à l'axe de rotation 10, comme le montre la Figure 1 par exemple. Les masses d'équilibrage 14 peuvent être avantageusement réalisées à partir de cordons de soudure rapportés, puis meulés pour obtenir un équilibrage dynamique fin du vilebrequin. Tous autres moyens d'équilibrage du vilebrequin peuvent être utilisés, comme notamment l'adjonction d'éléments de tôle fixés par l'intermédiaire des goujons 1 et des écrous 2. Le vilebrequin représenté sur la Figure 3 est formé à partir du vilebrequin représenté sur la Figure 2, de la manière suivante : un troisième module comprenant un troisième maneton m3 portant un cinquième et un sixième bras de manivelle b5, b6, et un quatrième arbre a4 ont été avantageusement intercalés entre le troisième arbre a3 et le troisième bras de manivelle b3 du deuxième module du vilebrequin de la Figure 1, comme le montre la Figure 3. De cette manière, on obtient un vilebrequin pour moteur à combustion interne à deux temps et trois cylindres. Les cinquième et sixième bras de manivelle b5, b6 du troisième module sont avantageusement identiques aux premier et troisième bras de manivelle bl, b3 respectivement des premier et deuxième modules. On notera que les premier, troisième, cinquième, et sixième bras de manivelle bl, b3, b5, b6 étant interchangeables, une fabrication en série d'un tel vilebrequin en est d'autant moins onéreuse. Le quatrième arbre a4 et le troisième arbre a3 représentés sur la Figure 3 sont avantageusement interchangeables, ce qui apporte une simplification de fabrication et une diminution du coût de revient du vilebrequin selon l'invention. Le vilebrequin suivant la Figure 3 est centré en rotation dans un carter de moteur à trois cylindres avantageusement par l'intermédiaire des premier, deuxième, troisième et quatrième arbres al, a2, a3, a4, qui sont alignés suivant l'axe de rotation 10 du vilebrequin, notamment au moyens de roulements étanches (non représentés). La liaison rigide, le centrage, et le positionnement angulaire entre le premier et le troisième modules avec le troisième arbre a3 sont réalisés avantageusement de la même manière que celle décrite pour la liaison rigide, le centrage, et le positionnement angulaire du premier et du deuxième modules avec le troisième arbre a3 du vilebrequin de la Figure 1, c'est à dire notamment au moyen des goujons 1 et des écrous 2, qui assurent un serrage entre le premier bras de manivelle bl, le troisième arbre a3, et le cinquième bras de manivelle b5, comme la Figure 3 le représente. n en est de même à l'égard de la liaison rigide, du centrage, et du positionnement angulaire entre le deuxième et le troisième modules avec le quatrième arbre a4, ceux-ci étant notamment assurés par l'intermédiaire de goujons 1 et d'écrous 2 entre le sixième bras de manivelle b6, le quatrième arbre a4, et le troisième bras de manivelle b3. Les premier, deuxième, et troisième manetons ml, m2, m3 définissent un angle B, à partir de l'axe de rotation 10 du vilebrequin, avantageusement égal à 1200 entre deux manetons, comme le montre la Figure 4. L'équilibrage dynamique du vilebrequin est réalisé selon les besoins de la même manière que l'équilibrage du vilebrequin selon la Figure 1, c'est à dire avantageusement au moyen de cordons de soudure placés sur les bras de manivelle et sensiblement diamétralement opposés aux manetons par rapport à l'axe de rotation 10 du vilebrequin. On notera qu'une disposition à 1200 des premier, deuxième et troisième manetons ml, m2, m3, telle que représentée sur la Figure 4, favorise l'équilibrage du vilebrequin de part une symétrie des masses qu'elle présente par rapport à l'axe de rotation du vilebrequin. II faut relever d'autre part qu'une disposition à 1200 des manetons ml, m2, m3 permet d'éviter l'emploi de pots de détente accordés, généralement nécessaires dans un moteur à combustion interne à deux temps afin d'augmenter le rendement de remplissage en gaz frais des chambres de combustion, par une contre-pression apportée par ledit pot de détente. En effet, dans un moteur à combustion interne à deux temps et à trois cylindres, dont le vilebrequin possède trois manetons décalés à 1200, ladite contre-pression pour un cylindre est donnée par l'ouverture de l'échappement du cylindre qui le suit dans l'ordre d'allumage. Cet avantage permet de réduire le système d'échappement à un simple collecteur et un silencieux, d'un volume considérablement moindre qu'un système d'échappement comprenant des pots de détente accordés. D'une manière générale, comme on aura pu le constater au cours de la description le vilebrequin selon l'invention peut être réalisé à partir de moyens de fabrication très largement répandus dans l'industrie mécanique, comme des tours, des perceuses, des aléseuses. Sa fabrication ne nécessite pas d'outil onéreux comme un moule ou une matrice de forgeage ou d'estampage, ce qui autorise sa diffusion en petites séries tout en conservant un coût de revient acceptable. Le vilebrequin selon l'invention est plus particulièrement destiné à des moteurs à combustion interne à deux temps et deux ou trois cylindres, notamment du type de ceux utilisés dans les avions ultra légers motorisés (U.L.M), les parapentes motorisés, les moteurs d'aide au décollage des planeurs. REVENDICATIONS 1. Vilebrequin pour machines alternatives, caractérisé en ce qu 'il comprend au moins, un premier maneton (ml) portant au moins un premier bras de manivelle (bl) et un deuxième bras de manivelle (b2) comprenant au moins un premier arbre (al), un deuxième maneton (m2) portant au moins un troisième bras de manivelle (b3) et un quatrième bras de manivelle (b4) comprenant au moins un deuxième arbre (a2), un troisième arbre (a3), des moyens (5, 6) de centrage pour un alignement desdits premier, deuxième, et troisième arbres, ledit alignement définissant un axe (10) de rotation du vilebrequin, des moyens (1, 2) libérables pour une liaison rigide démontable au moins desdits premier et deuxième manetons, des moyens (1, 7) pour un positionnement relatif réglable au moins desdits premier et deuxième manetons. 2. Vilebrequin suivant la Revendication 1, caractérisé en ce que chacun desdits premier, deuxième, troisième, et quatrième bras de manivelle comprend un plateau cylindrique (bl, b2, b3, b4), aligné suivant ledit axe de rotation (10). 3. Nilebrequin suivant la Revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que lesdits moyens pour un positionnement relatif réglable desdits premier et deuxième manetons (ml, m2) comprennent une pluralité de trous (7) au moins dans chacun desdits premier et troisième bras de manivelle (bl, b3), lesdits trous étant équidistants de façon angulaire à partir dudit axe de rotation (10) et parallèles à ce dernier. 4. Vilebrequin suivant l'une quelconque des Revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comprend au moins, un troisième maneton (m3) portant au moins un cinquième bras de manivelle (b5) et un sixième bras de manivelle (b6), un quatrième arbre (a4), des moyens (5, 6) de centrage pour un alignement desdits premier, deuxième, troisième, et quatrième arbres (al, a2, a3, a4), ledit alignement définissant un axe (10) de rotation du vilebrequin, des moyens (1, 2) libérables pour une liaison rigide démontable au moins desdits premier, deuxième, et troisième manetons (ml, m2, m3), des moyens (1, 7) pour un positionnement relatif réglable au moins desdits premier, deuxième, et troisième manetons. 5. Vllebrequin suivant la Revendication 4, caractérisé en ce que chacun desdits premier, deuxième, troisième, quatrième, cinquième, et sixième bras de manivelle comprend un plateau cylindrique (bl, b2, b3, b4, b5, b6), aligné suivant ledit axe de rotation (10). 6. Vilebrequin suivant la Revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que lesdits moyens pour un positionnement relatif réglable desdits premier, deuxième, et troisième manetons (ml, m2, m3) comprennent une pluralité de trous (7) au moins dans chacun desdits cinquième et sixième bras de manivelle (b5, b6), équidistants de façon angulaire à partir dudit axe de rotation (10) et parallèles à ce dernier. 7. Webrequin suivant Ia Revendication 3 ou 6, caractérisé en ce que ladite pluralité de trous comprend six trous (7). 8. Vilebrequin suivant l'une quelconque des Revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'au moins un desdits premier, deuxième, troisième, quatrième, cinquième, et sixième bras de manivelle (bl, b2, b3, b4, b5, b6) comprend des moyens (14) d'équilibrage.