Brevet FR2793863A1 — publié le 20001124

Cette invention se rapporte d'une manière générale à des arbres à came et plus particulièrement à des arbres à came assemblés légers, pour utilisation dans des moteurs à combustion interne et autres machines à grande vitesse, fabriqués en utilisant des éléments de came à paroi mince et de portée fabriqués par formage de tôle ou autres techniques d'allègement. Des éléments de came ont été utilisés pendant des siècles afin de commander le mouvement et la temporisation. Dans des dispositifs de grande taille, fixes et relativement lents, la masse de came et le moment d'inertie ont peu d'importance. Toutefois, pour des moteurs à combustion interne utilisés dans un équipement motorisé mobile, la vitesse de rotation élevée des cames ainsi que le souhait général d'une réduction de poids des moteurs ont entraîné des efforts afin de produire de manière économique des arbres à came légers. Les arbres à came pour les moteurs à combustion interne étaient au départ fabriqués à partir de pièces d'acier coulées ou forgées qui étaient usinées, percées, trempées et rectifiées à la forme finie. Ils comprenaient les lobes de came et les portées exigés pour le moteur particulier pour lequel ils étaient prévus. Dans des efforts pour augmenter le rendement du moteur, réduire le poids, et réduire les coûts de fabrication, des techniques ont été développées afin de fabriquer des arbres à came légers en fixant des éléments de came et de portée préformés sur des tubes creux. Plusieurs brevets ont été délivrés pour différents aspects de cette technologie. La plupart de ceux-ci. comprennent le formage des éléments de came et/ou de portée à partir d'ébauches coulées, en poudre métallique compactée et frittée ou forgées et la fixation des éléments sur un tube d'arbre à came par soudage, brasage, ou élargissement mécanique du tube. Dans certains cas, les éléments sont pourvus de trous ou de renfoncements entre leurs moyeux et surfaces extérieures afin de réduire le poids. Le brevet U.S. 5 201 246 et le brevet suisse 675 006 A5 fournissent des exemples de ces techniques d'allègement. Afin d'obtenir encore plus de réduction de poids, d'autres forment les éléments de came et de portée à partir de sections de tube et/ou de coupelles en tôle emboutie, comme cela se trouve par exemple dans les brevets anglais 275 842, allemand 3346056 Al, japonais 60-81569, japonais 60-83731, et U.S. 5 201 246. Tous sont utiles pour la fabrication de came avec des cercles de base et des portées de grand diamètre, mais la plupart ne peuvent être utilisés avec des petites cames et des petites portées, du fait que les contraintes de formage sont trop importantes lorsque l'extension radiale du cercle de base s'approche du rayon du tube plus deux fois l'épaisseur de matière. En pareil cas, le poinçon de formage devient trop mince pour supporter les charges de formage nécessaires. Ceci est illustré sur les figures 1 à 4c qui montrent un élément de came à cercle de base important et des ensembles de poinçon et de matrice du type nécessaire pour le formage d'éléments de came et de portée à grand et petit cercle de base du brevet U.S. 5 201 246. Les f igures 1 et 2 montrent un élément de came E monté sur un arbre creux i( S . Le cercle de base a un rayon B depuis le centre de l'arbre i( S . B comprend le rayon R de l'arbre plus la distance minimum à depuis la surface de l'arbre jusqu'à la surface de 1 'élément. La valeur minimum pour à est le double de l'épaisseur de 'La paroi d'élément de came plus l'épaisseur minimum d'un outil de formage nécessaire afin de former l'élément de came. Ceci est illustré sur les figures 3a à 4c qui montrent des coupes d'une matrice a, d'un poinçon c et d'un élément b pour un grand cercle de base et pour un petit cercle de base respectivement. L'élément à petit cercle de base ne peut être formé par le poinçon nécessairement à paroi mince. Ainsi, les économies du formage de tôle et le degré d'allégement qui peuvent être obtenus en utilisant des éléments de came et de portée conventionnels peuvent seulement être obtenus lorsque le cercle de base dépasse les limites de cercle de base minimum de l'outil de formage. Des arbres à came de conception courante, ayant des petits cercles de base, peuvent par conséquent seulement être fabriqués en utilisant des éléments coulés, forgés ou en poudre métallique compactée et frittée. Ce qui précède illustre les limitations connues qui existent dans les présentes tailles d'éléments de came et de portée qui peuvent être fabriqués par formage de tôle. Il serait ainsi clairement avantageux de procurer une alternative orientée vers le fait de surmonter une ou plusieurs des limitations exposées ci-dessus. Par conséquent, une alternative appropriée est prévue en incluant les caractéristiques davantage divulguées ci- après. Dans un aspect de la présente invention, ceci est réalisé en prévoyant un élément pour utilisation dans un arbre à came assemblé, comportant un élément de moyeu intérieur sensiblement cylindrique creux ayant des première et deuxième extrémités axiales; une paroi extérieure, ayant également des première et deuxième extrémités axiales et radialement espacée dudit élément de moyeu intérieur; et une partie dâme s'étendant entre la première extrémité axiale de ladite paroi extérieure et la deuxième extrémité axiale dudit élément de moyeu et reliant ladite paroi extérieure au dit élément de moyeu. Les aspects précédents ainsi que d'autres apparaitront mieux à la lecture de la description détaillée suivante de l'invention faite en liaison avec les dessins annexés. La figure 1 montre une vue en bout d'un élément de came à grand cercle de base de l'art antérieur; La figure 2 est une vue en coupe de l'élément de came le long de la ligne 2-2 de la figure 1; Les figures 3a, b et c montrent des vues en coupe d'une matrice, d'un élément de came ou de portée et d'un poinçon respectivement pour un élément à grand cercle de base de l'art antérieur; Les f igures 4a, b et c montrent la même chose pour un élément à petit cercle de base; Les f igures 5a, b et c sont respectivement une vue en perspective, une vue de côté et une vue en bout d'un élément de came de l'invention; Les figures 6a, b et c montrent des vues en coupe d'une matrice, d'un élément à grand cercle de base de la présente invention, et d'un poinçon pour le formage de l'élément, respectivement; Les figures 7a, b et c montrent des vues en coupe d'une matrice, d'un élément à petit cercle de base de la présente invention, et d'un poinçon pour le formage de l'élément respectivement; Les figures 8, 9, 10 et 11 montrent différentes formes de réalisation d'éléments de la présente invention; Les figures 12 et 13 sont respectivement une vue en bout axiale et une vue en coupe longitudinale d'un élément de came avec un petit cercle de base fabriqué par une autre technique d'allègement de l'art antérieur;. Les figures 14 et 15 sont respectivement une vue en bout axiale et une vue en coupe longitudinale d'une autre forme d'un élément de came à petit cercle de base fabriqué selon la présente invention; La figure 16 est une vue en coupe longitudinale d'une autre forme de réalisation d'un élément de came de l'invention; et La figure 17 est une coupe longitudinale d'un élément de came assemblé de l'invention. L'invention est illustrée par comparaison des figures 5a à 7c avec l'art antérieur tel que représenté sur les figures 1 à 4c. Les figures 5a, b et c montrent trois vues d'un élément de came à grand cercle de base 50 fabriqué selon l'invention. Il comprend un élément de moyeu 52 avec une première extrémité axiale éloignée f et une deuxième extrémité axiale proche n , une paroi extérieure 54, lobée dans le cas présent, mais qui serait cylindrique s'il sagissait d'un élément de portée, avec une première extrémité axiale proximale t( p et une deuxième extrémité axiale distale (c d ,, et une partie d'âme 53 s'étendant entre et reliant la deuxième extrémité axiale proche n de l'élément de moyeu 52 et la première extrémité axiale proximale (c p de la paroi extérieure 54. Cette configuration de l'élément de came permet le formage avec de l'outillage robuste comme cela est représenté sur les figures 6a à c et 7a à c, même lorsque le rayon du cercle de base B s'approche d'une valeur de R plus l'épaisseur de la paroi d'élément. (Comme cela a été décrit ci-dessus en rapport avec la figure 1). Les figures 6a et c montrent respectivement une matrice 20 et un poinçon 10 pour le formage de l'élément à grand cercle de base 30 de la figure 6b. L'élément 30 possède un élément de moyeu 32, un élément de paro.. extérieure 34 et une partie d'âme 33 reliant les extrémités axiales des éléments de moyeu et de paroi extérieure. Puisqu'il n'a pas le pliage en U des éléments de l'art antérieur b des figures 1 à 4c, les contraintes de formage sont bien moins importantes. L'usure d'outil et la consommation d'énergie par la presse sont également réduites du fait des contraintes de formage moins importantes. Une ou plusieurs rainures axiales 36 (ou nervures) peuvent être prévues le long de la surface interne de l'élément de moyeu 32 afin de procurer une orientation précise et un blocage en torsion avec un arbre creux lorsqu'ils sont reliés pendant l'assemblage d'un arbre à came. Bien sûr, ce blocage en torsion peut également être prévu par formation d'une empreinte ou une autre technique appliquée simultanément à la fois sur l'élément de came et le tube d'arbre à came pendant l'assemblage de l'arbre à came. Le blocage en torsion est exigé dans l'arbre à came assemblé afin de s'assurer que le calage de came ne varie pas du fait d'un glissement en torsion entre les éléments de came et le tube d'arbre à came. Ceci peut également être réalisé par soudage, brasage, matage, ou par n'importe quelle caractéristique sur la surface interne de l'élément de moyeu qui rend cette surface non cylindrique, par exemple une forme polygonale quelconque ou une discontinuité axiale dans la surface interne de l'élément de moyeu. Pendant l'assemblage de l'arbre à came lors de l'utilisation d'un élément de moyeu non cylindrique ou d'un élément de moyeu avec une discontinuité axiale, le tube d'arbre à came peut être élargi par un mandrin afin de se conformer à la forme non cylindrique de la surface interne de l'élément de moyeu et afin de procurer ainsi le blocage en torsion requis. Si un soudage, un brasage ou un matage est utilisé pendant l'assemblage, l'alésage non cylindrique ou la discontinuité axiale n'est pas nécessaire dans l'élément de moyeu. La même chose est vraie pour l'élément à petit cercle de base 30, formé par le poinçon 15 dans la matrice 25 des figures 7a, b et c. L'élément 30, possède un élément de moyeu 32, avec au moins une rainure 361, un élément de paroi extérieure 341, et une partie d'âme 33, reliant des extrémités axiales des éléments de moyeu et de paroi. Il est évident que cette conception peut être utilisée pour des éléments ayant des cercles de base dans lesquels à est sensiblement égal à l'épaisseur de paroi de l'élément. Clairement, l'outillage des figures 3a à c et 4a à c ne peut être utilisé pour ces éléments, puisque la valeur minimum de à pouvant être obtenue avec cette conception conventionnelle est le double de l'épaisseur de paroi plus l'épaisseur de poinçon minimum. Il est à noter que les ensembles de matrice et de poinçon simplifiés représentés sur les figures 3a à c, 4a à c, 6a à c et 7a à c ne sont pas prévus pour décrire totalement les outils de formage nécessaires afin de former les éléments de came et de portée mais seulement des représentations graphiques de ceux-ci. Les figures 8 et 11 montrent des coupes des éléments à grand et petit cercle de base 30, 35 d'une forme conventionnelle fabriqués selon l'invention en utilisant l'outillage des figures 6a à c et 7a à c respectivement. Dans les deux cas, la partie d'âme 33, 33, est perpendiculaire à la fois à l'élément de moyeu 32, 32, et à la paroi extérieure 34, 34, et relie les extrémités axiales proximales des éléments de moyeu 32, 32, s'étendant de manière opposée. Les figures 9 et 10 montrent des éléments dans lesquels la partie d'âme 601, 601, n'est pas perpendiculaire aux éléments de moyeu et de paroi extérieure. En fait, elle est inclinée par rapport à la perpendiculaire. Dans le cas représenté sur la figure 9, l'élément de moyeu est décalé axialement par rapport à l'élément de paroi extérieure, alors que sur la figure 10, l'élément de moyeu est partiellement chevauché par l'élément de paroi extérieure. La forme de réalisation de la figure 9 peut être utilisée afin de rendre plus facile l'opération de formage si l'espace axial sur l'arbre à came le permet, alors que celle de la figure 10 est utilisée lorsque les exigences d'espace axial sont restrictives. Bien sûr, la quantité de chevauchement est limitée par le diamètre de cercle de base et l'épaisseur d'outil de formage minimum requise, de la même manière que dans l'art antérieur mais à un degré moindre. Les f igures 12 et 13 montrent un élément de came allégé de l'art antérieur formé par une technologie de formage conventionnelle, par exemple le forgeage, le moulage ou la métallurgie des poudres. Celui-ci est d'une excellente conception, mais le faible espacement entre le moyeu h et une paroi extérieure en X , de chaque côté de l'élément, exige un outil mince qui est sujet à une usure et un endommagement excessifs. Dans certains cas, la partie d'âme est perforée (non représentée) afin de réduire encore le poids. Cette conception a également été prévue (non représentée) avec la partie d'âme W axialement centrée sur le moyeu h et la paroi extérieure de sorte que le renfoncement est divisé en deux parties axialement séparées. Les figures 14 et 15 montrent une autre forme de réalisation d'un élément de came 40 de l'invention, ayant un cercle de base avec un rayon égal au rayon du tube sur lequel il est monté plus l'épaisseur de la paroi extérieure 34, 1, qui peut être formé à partir d'une tôle ou par une technologie de formage conventionnelle, comme ci-dessus. Dans ce cas, en éliminant la partie de moyeu rentrante ic h à l'intérieur de l'élément, l'outillage peut être rendu plus solide et l'élément final est plus léger indépendamment du procédé de formage utilisé. Il est à noter que l'élément n'a pas de tendance à basculer en dépit de la courte étendue axiale du moyeu 321, du fait que la partie de paroi extérieure 341, du cercle de base est en contact total avec le tube lorsqu'il est installé. La f igure 16 montre un élément 60 avec une paroi extérieure 64 reliée à sa première extrémité axiale au centre axial d'un élément de moyeu 62, par une âme 63. L'élément de moyeu 62 est formé en perçant et en écartant le trou percé afin d'épaissir localement l'âme 63 après emboutissage d'une forme de coupe avec un fond concave. Ceci procure une longueur axiale suffisante pour la stabilité et la résistance au basculement après l'assemblage sur le tube d'arbre à came. Cette forme de réalisation peut être utilisée à la place de celle de la figure 10 lorsque les exigences d'espace axial sont les plus restrictives. L'élément assemblé représenté sur la figure 17 est une variante de réalisation qui peut être fabriquée en utilisant un outillage plus simple et un formage moins important. Il se compose d'une paroi extérieure 74 formée comme une unique pièce avec une âme 73, l'âme ayant un trou dimensionné afin de s'ajuster sur un tube d'arbre à came. Un élément de moyeu 72, découpé dans un tube, est soudé ou brasé sur l'âme 73 entourant le trou. Cette forme de réalisation peut également être utilisée pour des échantillons expérimentaux à faible coût ainsi que lorsque la matière exigée est particulièrement difficile à former par des opérations de formage normales. Les f igures 8, 9 et 15 illustrent une lèvre de renfort s'étendant radialement 38, 381, 38'', respectivement sur les trois formes de réalisation de l'élément représentées. Elle est formée en roulant le bord distal de la paroi extérieure de l'élément après l'opération de formage par emboutissage, et augmente fortement la raideur et la rigidité de l'élément. Cette caractéristique est illustrée simplement sur les figures 8, 9 et 15 mais elle est applicable à toutes les formes de réalisation de l'invention dans toutes les figures afin d'augmenter la capacité de support de charge radiale et afin de permettre ainsi l'utilisation d'une matière de plus faible épaisseur pour les éléments. En ajoutant cette caractéristique et en permettant ainsi l'utilisation d'une matière de plus faible épaisseur, la consommation d'énergie et l'usure d'outil sont également réduites. Il est à noter que, pour les éléments ayant des cercles de base avec des rayons sensiblement égaux au rayon du tube d'arbre à came plus l'épaisseur de la paroi extérieure de l'élément, comme sur la figure 15, la lèvre de renfort 38" peut seulement être prévue sur la partie de la paroi extérieure 341, qui ne vient pas directement en contact avec le tube d'arbre à came lorsqu'il est assemblé. Un autre allègement des éléments de came et de portée de l'invention peut également être obtenu en perforant les parties d'âme 33, 331, 3311 et 53 comme cela a été fait dans certains éléments de came de l'art antérieur. L'obstacle principal au formage d'éléments de came et de portée à petit cercle de base était l'incapacité de former l'élément de moyeu à l'intérieur de l'étendue axiale de la paroi extérieure. Ceci est dû au fait que, comme cela a été précédemment décrit, lorsque le cercle de base devient trop petit, le poinçon de formage devient trop faible et fragile pour réaliser l'opération de formage. Ainsi, le cercle de base minimum possible avec les conceptions de l'art antérieur a un rayon approximativement égal au rayon de tube d'arbre à came plus plus de trois fois l'épaisseur de paroi d'élément. La présente invention surmonte cet obstacle en éliminant le pliage en U exigé par les conceptions de l'art antérieur, et en permettant ainsi l'utilisation de poinçons de formage plus lourds et plus solides. En plus de permettre le formage d'éléments de came et de portée à petit cercle de base ayant des rayons égaux au rayon de tube d'arbre à came plus le double de l'épaisseur de paroi de l'élément, les conceptions des éléments de l'invention permettent le formage d'éléments ayant des rayons de cercle de base égaux au rayon du tube d'arbre à came plus seulement une épaisseur unique de l'élément de paroi. REVENDICATIONS 1. Elément pour utilisation dans un arbre à came assemblé, caractérisé en ce qu'il comporte : un élément de moyeu intérieur sensiblement cylindrique creux (52, 32, 321, 3211, 62, 72) ayant une surface intérieure et une surface extérieure et des première et deuxième extrémités axiales; une paroi extérieure (54, 34, 341, 3411, 64, 74), radialement espacée dudit élément de moyeu intérieur (52, 32, 32", 3211, 62, 72) et ayant également des surfaces intérieure et extérieure et des première et deuxième extrémités axiales; et une partie d'âme (53, 33, 331, 3311, 601, 6011, 63, 73) s'étendant entre la première extrémité axiale de ladite paroi extérieure (54, 34, 341, 3411, 64, 74) et la deuxième extrémité axiale dudit élément de moyeu (52, 32, 321, 3211, 62, 72) et reliant ladite paroi extérieure (54, 34, 341, 3411, 64, 74) au dit élément de moyeu (52, 32, 321, 32'', 62, 72). 2. Elément selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite paroi extérieure est de forme cylindrique afin de procurer une surface de support de portée. 3. Elément selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite paroi extérieure est lobée afin de procurer une surface de came. 4. Elément selon la revendication 1, caractérisé en ce que la partie d'âme (53, 33, 331, 3311, 63, 73) forme un angle droit avec à la fois la paroi extérieure (54, 34, 341, 3411, 64, 74) et l'élément de moyeu (52, 32, 321, 3211, 62, 72). 5. Elément selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens destinés à procurer un blocage en torsion entre ledit élément et un tube d'arbre à came sur lequel ledit élément est monté pendant l'assemblage dudit arbre à came. 6. Elément selon la revendication 5, caractérisé en ce que les moyens destinés à procurer un blocage en torsion entre ledit élément et ledit tube d'arbre à came comporte une caractéristique mécanique, ladite caractéristique rendant la surface interne dudit élément de moyeu non cylindrique afin de correspondre à une caractéristique mécanique associée sur ledit tube d'arbre à came. 7. Elément selon la revendication 6, caractérisé en ce que la caractéristique mécanique destinée à rendre la surface interne dudit élément de moyeu non cylindrique comporte au moins une rainure (36, 361) ou une nervure orientée axialement sur ladite surface interne. 8. Elément selon la revendication 5, caractérisé en ce que les moyens destinés à procurer un blocage en torsion entre ledit élément et ledit tube d'arbre à came sur lequel ledit élément est monté pendant l'assemblage dudit arbre à came comporte au moins une empreinte dans ledit élément de moyeu et ledit tube d'arbre à came. 9. Elément selon la revendication 5, caractérisé en ce que les moyens destinés à procurer un blocage en torsion entre ledit élément et ledit tube d'arbre à came sur lequel ledit élément est monté pendant l'assemblage dudit arbre à came comporte au moins une soudure entre ledit élément de moyeu et ledit tube d'arbre à came. 10. Elément selon la revendication 5, caractérisé en ce que les moyens destinés à procurer un blocage en torsion entre ledit élément et ledit tube d'arbre à came sur lequel ledit élément est monté pendant l'assemblage dudit arbre à came comporte une jonction brasée entre ledit élément de moyeu et ledit tube d'arbre à came. il. Elément selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément de moyeu (52, 32, 32', 32", 62), l'élément de paroi extérieure (54, 34, 341, 34", 64), et la partie d'âme (53, 33, 331, 3311, 63) sont formés d'une seule pièce en tôle. 12. Elément selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément de paroi extérieure (74) et la partie d'âme (73) sont formés d'une seule pièce en tôle, et l'élément de moyeu (72) est formé à partir d'un tube et relié à ladite partie d'âme (73). 13. Elément selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une lèvre de renfort (38, 381) s'étendant radialement vers l'intérieur depuis au moins une partie de la deuxième extrémité axiale de la paroi extérieure dudit élément. 14. Elément pour utilisation dans un arbre à came assemblé, caractérisé en ce qu'il comporte : un élément de moyeu intérieur sensiblement cylindrique creux (62) ayant une surface intérieure et une surf ace extérieure et des première et deuxième extrémités axiales; une paroi extérieure (64), radialement espacée dudit élément de moyeu intérieur (62) et ayant également des surfaces intérieure et extérieure et des première et deuxième extrémités axiales; et une partie d'âme (63) s'étendant entre la première extrémité axiale de ladite paroi extérieure et le centre axial dudit élément de moyeu (62), entre les extrémités axiales dudit élément de moyeu (62), et reliant ladite paroi extérieure (64) audit élément de moyeu (62). 15. Elément selon la revendication 14, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une lèvre de renfort s'étendant radialement vers l'intérieur depuis au moins une partie de la deuxième extrémité axiale de la paroi extérieure dudit élément.