Brevet FR2793862A1 — publié le 20001124

Cette invention se rapporte d'une manière générale à des arbres à came pour des machines et plus particulièrement à des arbres à came assemblés légers pour des moteurs de véhicule et à des procédés d'assemblage de ces arbres à came. Les arbres à came assemblés pour les véhicules à moteur et autres machines ont été fabriqués depuis plus de ans, afin de diminuer le coût et le poids des arbres à came par rapport à ceux fabriqués par des techniques de moulage, de forgeage, d'usinage, de meulage, de trempage et de dressage conventionnelles. Dans certains cas, les arbres à came ont été constitués à partir de plusieurs segments qui étaient assemblés et soudés bout à bout afin de former l'arbre. Dans d'autres cas, les éléments de came et de portée étaient préformés avec des alésages axiaux cylindriques, par des techniques de moulage, forgeage ou métallurgie des poudres, et positionnés sur un arbre ou un tube creux et soudés en place. Dans d'autres cas encore, des éléments préformés ayant des dépressions radiales s'étendant axialement étaient positionnés sur un tube creux et le tube était alors dilaté, habituellement en forçant un outil avec une ou plusieurs saillies radiales à travers le tube, afin de bloquer les éléments de came et de portée dans les positions radiales et axiales souhaitées dessus. Une réduction de poids additionnelle a été obtenue, comme cela est enseigné par le brevet U.S. 5 201 246 au nom de Arnold et autres, en formant des éléments de came et de portée, de préférence en tôle, avec des parois extérieures et des moyeux reliés par des âmes à une extrémité axiale des parois et des moyeux et en fixant ces éléments sur un tube creux en dilatant le tube à l'intérieur des moyeux. Une limitation importante de cette technique est le fait que le cercle de base minimum des éléments de came et de portée qui peuvent être fabriqués en pratique par cette technique est supérieur au diamètre du tube plus au moins six fois l'épaisseur de la matière à partir de laquelle sont fabriqués les éléments. Cette limitation est due à l'épaisseur minimum de l'outil de formage nécessaire afin de fabriquer un pliage en U dans la matière entre le moyeu et la paroi extérieure de façon à former l'élément et, ainsi, exclut des éléments avec des petits cercles de base de l'application de fabrication par cette technique. Ainsi, virtuellement tous les éléments de came et de portée pour des arbres à came assemblées sont couramment fabriqués par des techniques de moulage, forgeage, ou métallurgie des poudres, en n'arrivant ainsi pas à atteindre leurs complètes économies potentielles de coût et de poids. Toutefois, les techniques d'assemblage possibles pour l'assemblage des éléments de came et de portée sur un arbre tubulaire ont été nécessairement limitées par la conception des éléments à celles qui s'appuient sur l'élargissement de l'élément tubulaire afin de bloquer les éléments dans leurs orientations axiales et radiales souhaitées. Ceci a eu pour résultat des coûts de traitement thermique et de dressage accrus ainsi que des coûts d'investissement accrus pour un équipement d'assemblage de précision. Ce qui précède illustre les limitations connues qui existent dans les arbres à came assemblés actuels. Ainsi, il serait 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 divulguées plus complètement ci-après. Dans un aspect de la présente invention, ceci est réalisé par un procédé de fabrication d'un arbre à came composite léger, comportant les étapes consistant à prévoir au moins un élément de came léger ayant une surface extérieure lobée et un moyeu avec un alésage cylindrique, au moins une partie dudit moyeu n'étant pas radialement occultée par ladite surface extérieure; prévoir au moins un élément de portée léger ayant une surface extérieure cylindrique et un moyeu avec un alésage cylindrique, au moins une partie dudit moyeu n'étant pas radialement occultée par ladite surface extérieure; prévoir un élément d'arbre cylindrique ayant un diamètre extérieur dimensionné afin de former un ajustement glissant dans les moyeux dudit élément de came et dudit élément de portée; positionner lesdits éléments de came et de portée sur ledit arbre dans des orientations axiales et radiales exigées; et appliquer, sur le moyeu de chaque dit élément et la partie de l'arbre qui est en alignement avec ledit moyeu, des moyens destinés à établir un blocage permanent afin de fixer chaque dit élément dans son orientation axiale et radiale exigée sur ledit arbre. L'invention se rapporte également à un arbre à came assemblé léger pour utilisation en rotation dans une machine, comportant un arbre cylindrique ayant une surface lisse; au moins un élément de came léger et un élément de portée léger positionnés sur ledit arbre dans des orientations axiales et radiales requises, chaque dit élément de came et dit élément de portée comportant un élément de moyeu interne sensiblement cylindrique creux ayant une surface interne et externe et des première et deuxième extrémités axiales; une paroi extérieure de forme appropriée espacée radialement dudit élément de moyeu interne et ayant également des surfaces intérieure et extérieure et des première et deuxième extrémités axiales; et une partie d'âme s'étendant radialement 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; et des moyens destinés à fixer chaque dit élément dans ladite orientation axiale et radiale exigée sur ledit arbre. Les aspects précédents ainsi que d'autres apparaîtront 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 coupe partielle fragmentaire d'un arbre à came avec un arbre plein illustrant un procédé préféré d'assemblage selon l'invention; La figure 2 montre une autre vue fragmentaire du même procédé de l'invention que sur la figure 1 mais utilisant un arbre creux; La figure 3 est une vue en coupe fragmentaire d'une soudure par fusion entre un moyeu d'élément et un arbre prévue par l'invention; La figure 4 montre une jonction brasée vue comme sur la figure 3; La figure 5 montre un collage par adhésif entre un moyeu d'élément et un arbre; La figure 6 montre une vue en coupe d'un soudage par résistance entre un moyeu d'élément et un arbre qui résulte de l'application du procédé de l'invention; La figure 7a est une vue axiale d'un élément de came avec un moyeu rainuré intérieurement; La figure 7b est une vue en coupe le long de la ligne b-b de la figure 7a; La figure 7c est une vue en coupe d'une autre forme de réalisation, selon l'invention, prévoyant un arbre tubulaire rainuré localement assemblé avec des éléments de came et de portée avec des moyeux rainurés; La figure 8a montre un élément ayant une âme centrée axialement et pouvant être assemblée selon le procédé de l'invention; et La figure 8b montre une vue en coupe d'un autre élément avec son moyeu seulement partiellement occulté radialement par la paroi extérieure, permettant ainsi son utilisation dans l'assemblage par le procédé de l'invention. La figure 1 montre un élément d'arbre cylindrique plein 20 avec un élément de came 30 installé selon un procédé préféré de l'invention. L'élément de came possède une paroi extérieure 33, un moyeu cylindrique 31, et une âme 32 reliant la paroi extérieure 33 et le moyeu 31. Bien que cette figure montre uniquement l'élément de came 30, elle est également illustrative d'un élément de portée, la seule différence étant la paroi extérieure cylindrique du portée comparée à la paroi extérieure lobée de la came, le moyeu cylindrique étant le même pour les deux éléments. Le moyeu cylindrique 31 est dimensionné afin de procurer un ajustement glissant sur l'arbre 20 et est positionné sur l'arbre avec une orientation radiale et axiale exigée telle que déterminée par l'application de machine prévue. Bien sûr, dans le cas d'éléments de portée, seule l'orientation ou la position axiale est significative. Une fois que l'élément est positionné sur l'arbre 20, un outil de matage (ou une électrode de soudage par résistance) 40 est appliqué sur le moyeu afin de bloquer de façon permanente le moyeu et l'arbre 20 ensemble. Ceci fixe l'élément à l'encontre d'un déplacement axial et radial pendant le fonctionnement de la came dans sa machine ou son moteur. Un unique matage 60 ou une unique jonction de soudure par résistance 70 (figure 6) est suffisant pour procurer le blocage requis, mais il est préférable de former deux ou trois de ces caractéristiques espacées de manière symétrique autour du moyeu pour une fiabilité et une durée accrue. Le matage est le procédé préféré pour l'établissement du blocage, du fait qu'il n'entraîne pas de zone affectée par la chaleur, est plus tolérant aux impuretés et aux imperfections de finition de surface, et est par conséquent habituellement plus répétitif. La figure 2 montre un élément 30, comme sur la figure 1, cette fois installé sur un arbre tubulaire creux cylindrique 25 pour une réduction de poids supplémentaire. Dans ce cas, afin d'empêcher la déformation de l'arbre 25 pendant le matage ou le soudage par point par résistance, un mandrin 50 est inséré dans le tube avant le matage ou le soudage par résistance. Le mandrin procure la deuxième électrode requise pour le soudage par résistance. Il nécessite seulement une courte partie d'extrémité 51 avec un ajustement glissant dans l'arbre 25, puisqu'il peut être indexé de moyeu 31 à moyeu 31 le long de l'arbre pendant le processus d'assemblage. Ceci minimise la traînée par friction entre l'arbre 25 et le mandrin 50 pendant les opérations de matage ou de soudage tout en procurant le support ou le contact électrique nécessaire au niveau de chaque moyeu 31 à la suite. Il est à noter que le terme de matage est utilisé par souci pratique pour décrire tout procédé mécanique appliqué extérieurement destiné à provoquer une déformation de blocage entre les moyeux 31 et les arbres 20, 25. Ainsi, le matage se réfère non seulement à la frappe du moyeu avec un poinçon afin de faire pénétrer le moyeu dans l'arbre sous-jacent, mais il s'applique également au formage par rouleau ou aux autres techniques mécaniques destinées à provoquer des déformations similaires. Les figures 3, 4 et 5 montrent une vue fragmentaire d'un élément 30 installé sur un arbre 20, 25 et fixé en place par une soudure par fusion 80, une jonction brasée 90, et une jonction collée par adhésif 95, respectivement, entre l'arbre 20, 25 et le moyeu 31. Pour la soudure par fusion 80, le moyeu 31 peut avoir un ajustement à frottement doux sur l'arbre 20, 25, mais en fonction du procédé de mise en place de la matière de brasage et de la matière adhésive, un certain jeu peut être nécessaire pour ces jonctions. Il est à noter que, bien que le brasage soit possible en utilisant des éléments avec des moyeux totalement occultés radialement, le procédé de la présente invention prévoit le chauffage par induction du moyeu seulement pour former la jonction brasée sans chauffage de la paroi extérieure d'élément, permettant ainsi l'utilisation d'éléments totalement traités thermiquement. Ceci n'est pas possible avec des moyeux totalement occultés. La figure 6 montre une goutte de soudure par point par résistance 70 formée entre le moyeu 31 et l'arbre , 25. Des soudures par résistance correctement réalisées sont très solides et durables et, parmi les cinq procédés destinés à procurer le blocage requis entre les moyeux d'élément 31 et l'arbre 20, 25, elles viennent seulement en second par rapport au matage sur le plan du choix. Toutefois, un équipement de soudage par résistance est relativement coûteux à acheter et à entretenir comparé à un équipement de matage mécanique. Par conséquent, le matage est le procédé préféré, suivi de près par le soudage par point par résistance, et de plus loin par le soudage par fusion, le brasage, et le collage par adhésif. Les figures 7a et 7b illustrent une vue axiale et une vue en coupe radiale d'un autre élément de came 30' qui peut être utilisé dans le procédé d'assemblage d'arbre à came de l'invention. Celui-ci est sensiblement le même que celui représenté ci-dessus, mais le moyeu 31, dans ce cas, possède au moins une rainure axiale 36 destinée à claveter l'élément dans une orientation radiale sur un arbre ayant une surface nervurée de manière appropriée. La figure 7c montre un arbre 125 avec des nervures axiales localisées courtes 130 sur lesquelles sont assemblés un élément de came 30' et un élément de portée 38 ayant des rainures 36 dans leurs moyeux 31. Une fois installés, les éléments peuvent être fixés en place par matage, soudage par point, ou par ajustement serré par retrait. L'ajustement serré par retrait est réalisé soit en chauffant les éléments 30', 38, soit en refroidissant l'arbre 125, ou bien les deux, en positionnant les éléments chauds sur l'arbre froid et en permettant aux éléments et à l'arbre de venir à la température ambiante. La dilatation thermique de l'arbre et la contraction des éléments procurent un ajustement bien plus serré que ce qui peut être forcé mécaniquement. L'accrochage produit est sûr, résistant et durable. Les figures 8a et 8b montrent des vues en coupe radiales de deux autres éléments 30 qui permettent l'assemblage sur un arbre à came par les procédés de l'invention. L'élément 30'' de la figure 8a possède une âme centrée axialement alors celui de la figure 8b présente une âme emboutie. Dans les deux cas, au moins une partie du moyeu 31 n'est pas radialement occultée par la paroi extérieure 33, même si au moins une partie de l'âme est positionnée axialement à l'intérieur de la paroi extérieure. Les avantages de cette invention sont rendus possible par les éléments de came et de portée ayant ces moyeux non occultés, du fait qu'ils exposent les moyeux seuls à des outils orientés radialement et des techniques de fixation destinées à créer l'orientation bloquée axialement et radialement nécessaire pour des arbres à came sans affecter les parois extérieures. Des éléments avec des moyeux non occultés, en plus de permettre tous les procédés ci-dessus de fabrication d'arbres à came, peuvent également être utilisés sur des arbres à came utilisant tous les procédés de l'art antérieur incluant le mandrinage, l'utilisation d'une olive et tout autre procédé destiné, localement ou de manière générale, à dilater le tube d'arbre à came. Toutefois, les procédés divulgués ici exigent un outillage et un dispositif de serrage bien moins élaborés que ceux exigés par l'art antérieur et sont par conséquent préférés. REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication d'un arbre à came composite léger, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes consistant à: prévoir au moins un élément de came léger (30, '') ayant une paroi extérieure lobée (33) et un moyeu (31) avec un alésage cylindrique, au moins une partie dudit moyeu (31) n'étant pas radialement occultée par ladite paroi extérieure (33); prévoir au moins un élément de portée léger (38) ayant une paroi extérieure cylindrique (33) et un moyeu (31) avec un alésage cylindrique, au moins une partie dudit moyeu (31) n'étant pas radialement occultée par ladite paroi extérieure (33); prévoir un élément d'arbre cylindrique (20, 25) ayant un diamètre extérieur dimensionné afin de former un ajustement glissant dans les moyeux (31) dudit élément de came (30, 30'') et dudit élément de portée (38); positionner lesdits éléments de came (30, 30'') et de portée (38) sur ledit arbre (20, 25) dans des orientations axiales et radiales exigées; et appliquer, sur le moyeu (31) de chaque dit élément (30, 30', 30''; 38) et la partie de l'arbre (20, ) qui est en alignement avec ledit moyeu (31), des moyens (60, 70, 80, 90, 95) destinés à établir un blocage permanent afin de fixer chaque dit élément (30, 30', 30''; 38) dans son orientation axiale et radiale exigée sur ledit arbre (60, 70, 80, 90, 95). il 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'application de moyens destinés à établir un blocage permanent comporte l'étape de formage mécanique d'au moins une déformation locale (60) dans le moyeu (31) et une partie sous-jacente de l'arbre (20, 25). 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape destinée à prévoir un élément d'arbre cylindrique comprend le fait de prévoir un élément d'arbre tubulaire creux (25). 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'étape d'application de moyens destinés à établir un blocage permanent comprend les étapes supplémentaires de formage mécanique d'au moins une déformation locale (60) dans le moyeu (31) et une partie sous- jacente de l'arbre (25) en insérant un mandrin (50) dans ledit arbre tubulaire (25), au moins une partie (51) dudit mandrin (50) ayant une surface cylindrique lisse et ayant un ajustement coulissant dans ledit arbre (25), afin de s'aligner avec au moins un des éléments et d'application d'un outil de matage (40) sur le moyeu (31) de chaque dit élément (30, 30', 30''; 38) et la partie de l'arbre (25) qui est en alignement avec ledit mandrin (50) de façon à déformer localement le moyeu (31) et l'arbre (25) sous-jacent. 5. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l'application de moyens destinés à établir un blocage permanent comprend l'étape de réalisation d'au moins une jonction par soudage par résistance (70) entre ledit moyeu (31) et ledit arbre (20, 25). 6. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'application de moyens destinés à établir un blocage permanent comporte l'étape de réalisation d'au moins une jonction par soudage par résistance (70) entre ledit moyeu (31) et ledit arbre (25). 7. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'application de moyens destinés à établir un blocage permanent comporte l'étape de réalisation d'au moins une jonction par soudage par fusion (80) entre ledit moyeu (31) et ledit arbre (20, 25). 8. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'application de moyens destinés à établir un blocage permanent comporte l'étape de réalisation d'au moins une jonction brasée (90) entre ledit moyeu (31) et ledit arbre (20, 25). 9. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'application de moyens destinés à établir un blocage permanent comporte l'étape de réalisation d'au moins un collage adhésif (95) entre ledit moyeu (31) et ledit arbre (20, 25). 10. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les étapes destinées à prévoir ledit au moins un élément de came léger (30, 30'') et un élément de portée léger (38) comprennent le fait de prévoir au moins un élément de came (30, 30'') et un élément de portée (38), chacun ayant une paroi extérieure (33) avec des première et deuxième extrémités axiales, un moyeu (31) avec un alésage cylindrique et des première et deuxième extrémités axiales, et un élément d'âme (32) s'étendant entre la première extrémité axiale de ladite paroi extérieure (33) et la deuxième extrémité axiale dudit moyeu (31), ledit élément d'âme (32) étant sensiblement perpendiculaire à la paroi extérieure (33) et au moyeu (31). 11. Procédé de fabrication d'un arbre à came composite léger, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes: prévoir au moins un élément de came léger (30') ayant une paroi extérieure lobée (33) et un moyeu (31) avec un alésage cylindrique et au moins une rainure axiale (36), au moins une partie dudit moyeu (31) n'étant pas radialement occultée par ladite paroi extérieure (33); prévoir au moins un élément de portée léger (38) ayant une paroi extérieure cylindrique (33) et un moyeu (31) avec un alésage cylindrique et au moins une rainure axiale (36), au moins une partie dudit moyeu (31) n'étant pas radialement occultée par ladite paroi extérieure (33); prévoir un élément d'arbre à paroi cylindrique creux (125) ayant un diamètre dimensionné afin de former un ajustement par interférence dans les moyeux (31) dudit élément de came (30') et dudit élément de portée (38) et ayant des nervures axiales externes (130) dans les positions axiales et radiales prédéterminées; positionner lesdits éléments de came (30') et de portée (38) sur ledit arbre (125) dans des orientations axiales et radiales requises de telle sorte que les rainures axiales (36) dans les alésages (31) desdits éléments (30', 38) sont en alignement avec les nervures axiales (130) sur ladite surface d'arbre au niveau des positions axiales et radiales desdites nervures (130); et fixer lesdits éléments de came (30') et de portée (38) dans leurs positions préétablies. 12. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que l'étape de fixation desdits éléments de came (30') et de portée (38) dans leurs positions préétablies comporte la création d'un ajustement serré par retrait entre le diamètre intérieur desdits moyeux (31) et le diamètre extérieur dudit arbre (125) afin de bloquer lesdits éléments de came (30') et de portée (38) dans leurs orientations axiales et radiales requises sur ledit arbre (125). 13. Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que l'étape de création d'un ajustement serré par retrait entre le diamètre intérieur desdits moyeux (31) et le diamètre extérieur dudit arbre (125) comporte les étapes consistant à prévoir ledit arbre (125) à une température en dessous de la température ambiante par rapport aux dits éléments (30', 38) et lesdits éléments de came (30') et de portée (38) à une température supérieure à la température ambiante par rapport au dit arbre (125), et, après assemblage, permettre au dit arbre (125) et aux dits éléments de came (30') et de portée (38) de revenir à la température ambiante. 14. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que l'étape de fixation desdits éléments de came (30') et de portée (38) dans leurs positions préétablies comporte l'application, sur le moyeu (31) de chaque élément (30', 38) et la partie de l'arbre (125) qui est en alignement avec ledit moyeu (31), de moyens destinés à établir un blocage permanent entre ledit moyeu (31) et ledit arbre (125). 15. Arbre à came assemblé léger pour utilisation en rotation dans une machine, caractérisé en ce qu'il comporte: un arbre cylindrique (20, 25) ayant une surface lisse; au moins un élément de came léger (30, 30'') et un élément de portée léger (38) positionnés sur ledit arbre (20, 25) dans des orientations axiales et radiales requises, chaque dit élément de came (30, 30'') et dit élément de portée (38) comportant un élément de moyeu interne (31) sensiblement cylindrique creux ayant une surface interne et externe et des première et deuxième extrémités axiales; une paroi extérieure (33) de forme appropriée espacée radialement dudit élément de moyeu interne (31) et ayant également des surfaces intérieure et extérieure et des première et deuxième extrémités axiales; et une partie d'âme (33) s'étendant radialement entre la première extrémité axiale de ladite paroi extérieure (33) et la deuxième extrémité axiale dudit élément de moyeu (31) et reliant ladite paroi extérieure (33) au dit élément de moyeu (31); et des moyens destinés à fixer chaque dit élément dans ladite orientation axiale et radiale exigée sur ledit arbre (20, 25).