Brevet FR2736389A1 — publié le 19970110

La présente invention concerne un dispositif d'étanchéité entre une pièce tournante, telle que par exemple un arbre-vilebrequin pour moteur à combustion interne et un carter fixe, tel que le carter moteur dans lequel est monté à rotation 1 'arbre-vilebrequin. Elle vise également un moteur à suralimentation volumétrique intégrée équipé d'un tel dispositif d'étanchéité. On connaît un dispositif d'étanchéité comprenant un joint à lèvre dont la fonction principale est d'assurer l'étanchéité à un fluide, généralement de l'huile, qui doit être conservé à l'intérieur d'une enceinte. Le joint à lèvre n'accepte qu'une pression différentielle faible entre des fluides séparés par la lèvre, par exemple de l'air d'un côté de la lèvre et de l'huile, des vapeurs d'huile, ou autres fluides divers de l'autre côté de la lèvre. Cette différence de pression est en général inférieure à 5 000 Pa (50 millibars). Dans le cas où la différence de pression est largement supérieure à la valeur indiquée ci-dessus, la lèvre du joint est plaquée contre la portée correspondante de l'arbre tournant ou coulissant, provoquant ainsi non seulement l'usure de la lèvre mais également celle de l'arbre. La présente invention a pour but d'éliminer l'inconvénient ci-dessus en proposant un dispositif d'étanchéité entre une pièce tournante, telle qu'un arbrevilebrequin pour moteur à combustion interne et un carter fixe, tel que celui dans lequel est monté à rotation l'arbrevilebrequin, comprenant un joint à lèvre monté entre la pièce tournante et le carter fixe, et qui est caractérisé en ce qu'il comprend en outre un segment solidaire de la pièce tournante entre la lèvre du joint et une chambre du carter fixe et pouvant tourner dans une gorge solidaire du carter fixe, de façon à protéger le joint à lèvre contre une pression de fluide relativement importante présente dans la chambre du carter fixe. Avantageusement, le segment de protection précité est en forme d'anneau circulaire fendu en un matériau élastique lui permettant d'être monté avec serrage sur la portion correspondante de la pièce tournante. Selon une variante de réalisation, la gorge précitée est réalisée dans une bague rapportée sur le carter fixe et comprenant également un alésage de réception et de support du joint à lèvre. Selon une autre variante de réalisation, la gorge précitée est réalisée dans une première bague montée dans une seconde bague solidaire du carter fixe et comprenant un alésage de réception et de support du joint à lèvre. Le segment de protection est de section rectangulaire ou trapézoïdale. Le segment de protection est de plus monté dans la gorge suivant un jeu axial inférieur au jeu axial de la pièce tournante et, de préférence, le jeu axial du segment est de l'ordre de 30 à 90 . Le dispositif d'étanchéité peut également comprendre une gorge de détente réalisée dans la portion de la pièce tournante entre le segment de protection et le joint à lèvre. Le dispositif peut également comprendre un circuit de décharge relié à la chambre définie entre le segment et la lèvre du joint de façon à empêcher la pression de fluide dans cette chambre d'atteindre une valeur de pression constante trop élevée. L'invention a également pour objet un moteur à suralimentation volumétrique intégrée, du type comprenant des segments d'étanchéité entre le carter moteur et le vilebrequin, et qui est caractérisé en ce qu'il comprend au moins un dispositif d'étanchéité tel que défini précédemment, avec le segment de protection du joint à lèvre solidaire d'une partie extrême tournante du vilebrequin entre le joint à lèvre et la chambre du carter moteur et pouvant tourner dans une gorge de ce carter pour assurer également l'étanchéité entre le vilebrequin et le carter moteur à la place d'un segment du vilebrequin le plus extrême. L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement au cours de la description explicative qui va suivre faite en référence aux dessins schématiques annexés donnés uniquement à titre d'exemple illustrant plusieurs modes de réalisation de l'invention et dans lesquels - la figure 1 est une vue partielle en demi-coupe transversale d'un arbre-vilebrequin de moteur à combustion interne, auquel s'applique le dispositif d'étanchéité conforme à l'invention - les figures 2 et 3 représentent en demi-coupe deux variantes de réalisation du moyen de support du joint à lèvre et du segment de protection faisant partie du dispositif d'étanchéité de l'invention - la figure 4 est une vue en coupe transversale d'une bague de support du joint à lèvre et du segment de protection de celui-ci en train d'être monté dans la bague - la figure 5 est une vue en demi-coupe schématique du segment de protection monté avec jeu dans une gorge du carter moteur - la figure 6 est une vue en demi-coupe semblable à celle de la figure 1 et montrant une variante de réalisation du dispositif de l'invention - la figure 7 représente un moteur à combustion interne du type à suralimentation volumétrique intégrée et auquel s'applique le dispositif d'étanchéité conforme à l'invention - la figure 8 représente en coupe transversale schématique le principe de suralimentation volumétrique intégrée du moteur de la figure 7 ; et - la figure 9 est une vue agrandie de la partie cerclée en IX de la figure 7. L'invention va être décrite en application à un vilebrequin de moteur à combustion interne, dont le carter inférieur est soumis à une pression d'air, mais il est bien entendu qu'elle peut s'appliquer à tout autre type de pièce tournante ou coulissante et dont une étanchéité avec un carter fixe dans lequel il se trouve doit être assurée. En se reportant à la figure 1, la référence 1 désigne un arbre-vilebrequin de moteur à combustion interne monté à rotation dans le carter moteur 2 par l'intermédiaire de roulements 3, par exemple du type à aiguilles, dont un seul est représenté. La référence 4 désigne le volant d'inertie solidaire en rotation de l'arbre-vilebrequin 1 par plusieurs pions de liaison 5. L'étanchéité entre l'arbre-vilebrequin 1 et le carter moteur 2 est assurée par un joint à lèvre 6 en matériau élastomère ou Téflon, dont la lèvre élastique 7 est en appui sur une portée cylindrique la de l'arbre-vilebrequin 1. Comme expliqué précédemment, la différence entre la pression de fluide dans le carter moteur 2 et celle du fluide (air) à l'extérieur de ce carter est en général inférieure à 5000 Pa. Pour des différences de pression importantes, par exemple supérieures à 105 Pa (1 bar), la lèvre élastique 7 du joint 6 est plaquée contre la portée la de l'arbre 1, provoquant ainsi non seulement l'usure de cette lèvre, mais également l'usure de la portée la. Pour résoudre ce problème, selon l'invention, un segment d'étanchéité 8, solidaire de l'arbre-vilebrequin 1, est monté à rotation dans une gorge 9 solidaire du carter fixe 2, en étant disposé du côté de la chambre 10 du carter inférieur 2 en faisant face à la lèvre 7 du joint 6. Selon la variante de réalisation représentée aux figures 1 et 2, la gorge 9 de retenue de segment 8 est réalisée dans une bague en une seule pièce 11 rapportée sur le carter 2 et comprenant un alésage 12 portant le joint à lèvre 6. Le joint 6 est surmoulé directement sur la bague 11. Le segment 8 est en forme d'anneau circulaire fendu en un matériau élastique, par exemple en fonte, acier ou matériau composite, lui permettant d'être monté avec serrage sur la portée la de l'arbre 1. Le montage du segment 8 dans la gorge 9 de la bague 11 s'effectue par déformation radiale de celui-ci, ou, comme représenté en figure 4, par déformation axiale et vissage de celui-ci le long de l'arête extérieure 9a de la gorge 9. Selon la variante de réalisation représentée en figure 3, la gorge 9 est réalisée dans une première bague 13 emmanchée dans une deuxième bague 14 solidaire du carter 2 et comprenant un alésage 15 de réception et de support du joint à lèvre 6. Le joint 6 est surmonté sur la deuxième bague 14. Le segment 8 peut avoir une section transversale rectangulaire (figure 1) ou une section transversale trapézoïdale (figure 5) avec, bien entendu, la gorge 9 de forme conjuguée. Le segment 8, serré sur l'arbre 1, tourne donc librement dans la gorge 9 et le jeu JG entre le segment 8 et la gorge 9 est déterminé lorsque le segment 8 est monté sur l'arbre 1. Ce jeu, plus important à l'état libre qu'à l'état monté du segment assure la fonction d'étanchéité à frottement réduit. Le positionnement axial du segment 8 relativement à la gorge 9 ou centrage de celui-ci dans cette gorge, s'effectue automatiquement par le déplacement axial ou jeu A de l'arbre 1 entre ses butées (non représentées) comme symbolisé par la double flèche F en figure 5.De préférence, le jeu JG entre le segment 8 et la gorge 9 est inférieur au jeu axial A de l'arbre 1 et, toujours de préférence, la valeur du jeu JQ est comprise entre environ 30 Z et environ 90 ij, par exemple. L'ensemble compact constitué par la bague monobloc 11 ou les bagues indépendantes 13, 14 et le joint à lèvre 6 et le segment 8 a le diamètre extérieur d'une bague classique pour une largeur environ double de cette dernière et se monte selon les précontraintes habituelles de serrage dans un alésage carter 2, pour des arbres normalisés de diamètre quelconque. Pour la réduction des pertes mécaniques par frottement du moteur, il est recommandé de choisir le diamètre de la portée la de l'arbre 1 le plus faible possible. La figure 6 représente une variante de réalisation du dispositif de la figure 1 selon laquelle une gorge de détente 16 est réalisée dans la portée cylindrique la de l'arbre 1 entre le segment 8 et la lèvre 7 du joint 6. Cette gorge de détente 16 permet de diminuer la différence de pression de fluide de part et d'autre du joint 6. Le fonctionnement du dispositif de l'invention ressort déjà de la description qui en a été faite ci-dessus et va être maintenant expliqué. Le joint à lèvre 6 fonctionne comme un joint classique tandis que le segment 8 interposé entre la chambre 10 et le joint 6 fonctionne à la manière d'une chicane principalement pour une pression interne pulsée autour de la pression atmosphérique. Pour une pression de fluide dans la chambre 10 comprise entre une valeur positive +P1 et une valeur négative -P2 (dépression), la chambre intermédiaire 17 définie entre le segment 8 et la lèvre 7 du joint 6 voit apparaître dans celle-ci une pression de fluide correspondant à la fuite dynamique de fluide au niveau de la gorge 9 du segment 8, pression comprise entre +pl et -p2 (dépression) avec pi approximativement égale Pli/lO (i = 1,2).La lèvre 7 du joint 6 est ainsi soumise tantôt à la pression pl, tantôt à la dépression p2, valeurs insuffisantes pour plaquer la lèvre 7 du joint 6 contre la portée la de l'arbre 1. Dans le cas particulier d'une pression P1 constante dans la chambre 10, il est nécessaire de prévoir un circuit de décharge relié à la chambre 17 entre le segment 8 et la lèvre 7 du joint 6 afin d'éviter que la pression de fluide pl dans la chambre 17 monte à la valeur de pression P1. Un tel circuit de décharge, connu en soi, devra également faire l'objet d'un déshuilage. I1 est à noter que ce cas particulier ne se présente pas dans les moteurs à combustion interne. Le dispositif de l'invention va être maintenant décrit en application à un moteur à combustion à suralimentation volumétrique intégrée en référence aux figures 7 à 9. Le principe d'une telle suralimentation consiste à utiliser la capacité interne du carter 2 du vilebrequin comme organe de pompage de compression réalisant ainsi un système intégré de suralimentation. Les figures 7 et 8 représentent la configuration particulière de ce moteur suralimenté qui nécessite la mise en place de compartiments séparés par des segments 18a à 18h du vilebrequin 1 au nombre de 8 pour un moteur à combustion interne à quatre cylindres comme représenté en figure 7, de clapets d'aspiration 19 et de refoulement 20 de l'air de suralimentation provenant du filtre à air 21 et d'une lubrification par brouillard. Sur un cycle moteur de 7200 d'angle de rotation de l'arbre-vilebrequin 1, chaque piston 22 balaie deux fois la cylindrée unitaire pour une seule aspiration à l'admission, ce qui permet la suralimentation du cylindre. Les segments 18a à 18h de l'arbre-vilebrequin 1 réalisent l'étanchéité requise entre le vilebrequin 1 et le carter moteur 2. Ces segments 18a à 18h augmentent les pertes mécaniques du moteur de sorte que la réduction de leur nombre ainsi que la réduction de leur diamètre est souhaitable. Si l'on supprime les quatre segments 18c à 18f du vilebrequin 1 associés aux deux pistons centraux 22, le compresseur du moteur fonctionne toujours mais avec une légère perte du rapport de compression du fait du volume mort dégagé entre les segments 18b et 18c, 18d et 18e, 18f et 18g. Si l'on supprime les segments extrêmes 18a et 18h du vilebrequin 1, il y a un risque de fuite de fluide par le joint à lèvre de chacun des deux dispositifs d'étanchéité classiques situés respectivement du côté distribution (à gauche de la figure 7) et du côté volant 4 (à droite de la figure 7) du moteur, lequel joint à lèvre peut s'user, voir se retourner. Le dispositif d'étanchéité conforme à l'invention tel que décrit précédemment convient tout particulièrement au moteur de suralimentation volumétrique intégré de la figure 8. Ainsi, en montant le dispositif d'étanchéité de la figure 1 du côté du volant 4 du moteur de la figure 7 et en montant également le dispositif d'étanchéité représenté en figure 9, identique à celui de la figure 1, du côté distribution du moteur de la figure 7, ces deux dispositifs remplacent respectivement les deux segments extrêmes 18a et 18h du vilebrequin 1 pour assurer ainsi efficacement la fonction d'étanchéité tout en ayant un segment 8 de diamètre réduit, diminuant ainsi les pertes mécaniques par frottement. A titre indicatif, deux segments 18a et 18h, chacun d'un diamètre de 98 mm peuvent être remplacés par des segments 8 respectivement de diamètre de 70 mm et 90 mm. La pression de fluide dans le carter moteur 2 du vilebrequin 1 du moteur à suralimentation volumétrique intégrée varie entre - 5 000 Pa (-50 mbars) et + 50 000 Pa (+ 500 mbars) de sorte que la chambre 17 entre segment 8 et lèvre 7 du joint 6 est soumise à une pression de fluide insuffisante pour plaquer la lèvre 7 contre la portée la de l'arbre-vilebrequin 1, chambre 17 qui ne doit pas être soumise à une pression constante si l'on veut éviter des dispositifs de détente, indexés ou non angulairement par rapport au point mort bas des deux pistons extrêmes 22. Comme meontionné précédemment, le dispositif d'étanchéité représenté en figure 9 est pratiquement identique à celui de la figure 1 sauf que la bague 11 de support du joint 6 et du segment 8 est rapportée sur une bague 23 fixée au carter 2 par des vis 24 et que la portée la est réalisée sur une bague annulaire 25 solidaire de l'arbrevilebrequin 1. REVENDICATIONS 1. Dispositif d'étanchéité entre une pièce tournante (1), telle qu'un arbre-vilebrequin pour moteur à combustion interne et un carter fixe (2), tel que celui dans lequel est monté à rotation l'arbre-vilebrequin, comprenant un joint à lèvre (6) monté entre la pièce tournante (1) et le carter fixe (2), caractérisé en ce qu'il comprend en outre un segment (8) solidaire de la pièce tournante (1) entre la lèvre (7) du joint (6) et une chambre (10) du carter fixe (2) et pouvant tourner dans une gorge (9) solidaire du carter fixe (2), de façon à protéger le joint à lèvre (6) contre une pression de fluide relativement importante présente dans la chambre (10) du carter fixe (2). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le segment (8) précité est en forme d'anneau circulaire fendu en un matériau élastique lui permettant d'être monté avec serrage sur la portion correspondante (la) de la pièce tournante (1). 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la gorge (9) précitée est réalisée dans une bague (11) rapportée sur le carter fixe (2) et comprenant également un alésage (12) de réception et de support du joint à lèvre (6). 4. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la gorge (9) précitée est réalisée dans une première bague (13) montée dans une seconde bague (14) solidaire du carter fixe (2) et comprenant un alésage (15) de réception et de support du joint à lèvre (6). 5. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le segment (8) précité est de section rectangulaire ou trapézoïdale. 6. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le segment (8) précité est monté dans la gorge (9) suivant un jeu axial (JG) inférieur au jeu axial (JA) de la pièce tournante (1). 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que le jeu axial (JG) du segment (8) est de l'ordre de 30 à 90 Cun. 8. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend une gorge de détente (16) réalisée dans la portion (la) de la pièce tournante (1) entre le segment (8) et le joint à lèvre (6). 9 Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un circuit de décharge relié à la chambre (17) définie entre le segment (8) et la lèvre (7) du joint (6) de façon à empêcher la pression de fluide dans cette chambre (17) d'atteindre une valeur de pression constante trop élevée. 10. Moteur à combustion interne à suralimentation volumétrique intégrée comprenant des segments d'étanchéité (18a-18h) entre le carter moteur (2) et le vilebrequin (1), caractérisé en ce qu'il comprend au moins un dispositif d'étanchéité tel que défini dans l'une quelconque des revendications 1 à 9, avec le segment de protection (8) du joint à lèvre (6) solidaire d'une partie extrême tournante (25) du vilebrequin (1) entre le joint à lèvre (6) et la chambre du carter moteur (2) et pouvant tourner dans une gorge (9) solidaire du carter (2) pour assurer également l'étanchéité entre le vilebrequin (1) et le carter moteur (2) à la place d'un segment (18a ; 18h) du vilebrequin (1) le plus extrême.