Brevet FR2816126A1 — publié le 20020503

La présente invention concerne un arbre d'induit de rotor d'une machine électrique tournante. L'invention concerne plus particulièrement un arbre d'induit pour un moteur électrique de démarreur de véhicule automobile. Un démarreur de véhicule automobile comporte, de manière connue, un moteur électrique dont le rotor, qui sert à entraîner en rotation le lanceur du démarreur, comporte un arbre d'induit du type comportant un tronçon central qui reçoit un circuit magnétique, et deux tronçons d'extrémité avant et arrière constituant des tourillons de guidage en rotation de l'arbre. L'arbre d'induit peut entraîner directement en rotation le lanceur, ou par l'intermédiaire d'un réducteur, et il comporte alors un pignon denté qui est lié en rotation à l'arbre, qui est disposé axialement au voisinage de l'extrémité axiale avant du tronçon central de l'arbre d'induit. Afin d'améliorer la tenue mécanique du pignon denté et sa résistance à l'usure, la denture constituant le pignon d'entrée du réducteur reçoit un traitement thermique et/ou chimique. Lorsque l'arbre d'induit, avec son pignon denté, est réalisé en une seule pièce, son usinage est particulièrement complexe. En effet, on usine l'arbre à partir d'une barre pour obtenir un cylindre dont le profil étagé comporte différents tronçons de diamètres distincts. La denture du pignon est ensuite taillée dans le tronçon correspondant et elle est traitée thermiquement. Les portées des tourillons d'extrémité sont rectifiées pour garantir une bonne géométrie de l'arbre et un bon état de surface de ces tourillons. On peut aussi réaliser un crantage de la surface extérieure du tronçon central pour améliorer l'efficacité de la fixation du circuit magnétique et du collecteur sur le tronçon central qui est généralement effectué par une opération d'emmanchement à force. L'opération de trempe de la denture au cours du processus de réalisation de l'arbre aboutit à un chauffage et à un refroidissement brusques qui peuvent provoquer des déformations aboutissant par exemple à l'apparition d'un phénomène de balourd du rotor dont il résulte des vibrations et des bruits parasites lors du fonctionnement du moteur, ainsi qu'une usure prématurée des paliers d'extrémités. La zone de trempe de la denture s'arrête dans des portions de diamètre réduit et, si la trempe est trop profonde, l'arbre est localement fragilisé et il en résulte un risque de rupture, notamment sous l'effet des chocs occasionnés lors du fonctionnement du démarreur. Dans une telle conception, il est donc nécessaire de maîtriser avec une grande précision le procédé de trempe qui est donc particulièrement complexe et fait appel à des installations coûteuses nécessitant des réglages délicats. Par ailleurs, lorsque le pignon a un diamètre nettement supérieur à celui du tronçon central de l'arbre, l'usinage en une seule pièce de l'arbre avec son pignon est particulièrement coûteux car il nécessite d'enlever une grande partie de la matière de la barre de départ dont le diamètre est au moins égal au diamètre extérieur du pignon. Il est bien entendu possible de partir d'une ébauche forgée pour limiter le temps d'usinage, mais le coût de l'arbre s'en trouve encore augmenté. On a proposé dans la demande de brevet français No. 85 16177 une structure d'un arbre d'induit dans laquelle le pignon denté est réalisé sous la forme d'un élément ou comportant indépendant qui est rapporté sur l'arbre. Pour assurer la fixation du pignon sur l'arbre, le pignon comporte une denture dans son alésage intérieur qui permet d'effectuer une liaison et une fixation par déformation locale de la zone complémentaire de l'arbre lors de l'emmanchement axial du pignon sur l'arbre, à la presse. On constate toutefois qu'une telle conception nécessite d'obtenir des formes particulières dans l'alésage intérieur du pignon qui sont difficiles à réaliser et qui aboutissent donc à un coût supplémentaire pour la réalisation du pignon et de l'arbre qui en est équipé. Afin de remédier à ces inconvénients, l'invention propose un arbre d'induit dans lequel le pignon denté, réalisé sous la forme d'un élément rapporté sur l'arbre, est fixé à ce dernier par soudage. Ainsi, chacune des deux pièces, c'est-à-dire l'arbre proprement dit et son pignon denté, peut être réalisée selon un moyen optimisé de production, puis elles sont assemblées par un cordon de soudure continu ou discontinu. Selon d'autres caractéristiques de l'invention : - le pignon rapporté comporte un trou central qui est traversé axialement par un tronçon de l'arbre ; - le pignon rapporté est traversé par une portion arrière du tourillon avant ; - ladite portion arrière du tourillon avant est une portion dont le diamètre est intermédiaire entre celui du tourillon et celui du tronçon central ; - le pignon rapporté est traversé par une portion avant du tronçon central ; - la face transversale avant du pignon rapporté est alignée axialement avec la face transversale annulaire d'extrémité avant du tronçon central ; - la face transversale avant du pignon rapporté est décalée axialement vers l'arrière par rapport à la face transversale annulaire d'extrémité avant du tronçon central ; - le pignon rapporté est fixé à l'arbre par un cordon de soudage annulaire, complet ou partiel, d'orientation axiale formé à l'extrémité axiale avant du trou central du pignon ; - le pignon rapporté est fixé à l'arbre par un cordon de soudage annulaire, complet ou partiel, d'orientation radiale formé au droit de la face transversale arrière du pignon ; - le tourillon avant et le pignon denté sont réalisés en une seule pièce rapportée à l'extrémité axiale avant du tronçon central auquel elle est fixée par soudage ; - la pièce rapportée est fixé au tronçon central par un cordon de soudage annulaire, complet ou partiel, d'orientation radiale formé au droit de la face transversale d'extrémité axiale avant du tronçon central ; - la face transversale arrière du pignon comporte au moins une partie centrale tronconique pour faciliter l'opération de soudage radial ; - la denture du pignon subit une opération de traitement physique et/ou chimique préalablement à son soudage sur l'arbre. L'invention concerne également un démarreur de véhicule automobile dont le moteur électrique comporte un rotor dont l'arbre d'induit est conforme aux enseignements de l'invention. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit pour la compréhension de laquelle on se reportera aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une vue schématique en section axiale partielle, qui représente un démarreur de véhicule automobile dont le moteur électrique comporte un arbre d'induit équipé d'un pignon denté de sortie ; - la figure 2 est une vue en perspective éclatée de la moitié axiale avant d'un arbre d'induit réalisé conformément aux enseignements de l'invention illustré en association avec son pignon de sortie ; - la figure 3 est une vue, en section axiale partielle, qui illustre le premier mode de réalisation de l'invention représentée à la figure 2, après montage et fixation du pignon rapporté par soudage ; - les figures 4 et 5 sont des vues similaires à celle de la figure 3 qui illustrent un deuxième mode de réalisation de l'invention dans lequel le pignon denté est réalisé en une seule pièce avec le tourillon d'extrémité axiale avant de l'arbre d'induit ; - la figure 6 est une vue similaire à celle de la figure 3 qui illustre un troisième mode de réalisation de l'invention. On a représenté à la figure 1 un démarreur de véhicule automobile qui, d'une manière connue, est constitué pour l'essentiel par un moteur électrique 12 qui est susceptible d'entraîner en rotation un lanceur de démarreur 14 qui est coaxial à l'axe de rotation X-X du moteur 12 et qui est susceptible d'être entraîné axialement vers l'avant, c'est-à-dire vers la gauche en considérant la figure 1, par une fourchette ou levier de commande 116 sous l'action d'un contacteur électromagnétique 18 qui commande également l'alimentation électrique du moteur 12. Pour mémoire, on rappellera que la fourchette 116 est reliée à articulation à un noyau mobile (non référencé) que comporte le contacteur 18. Ce contacteur comporte aussi un bobinage, un noyau fixe, une tige attelée à un contact mobile et un contact fixe (non référencés). Lorsque l'on tourne la clef de contact, le bobinage est activé et le noyau mobile se déplace, ainsi que la fourchette 116, en actionnant au bout d'une course le contact mobile, via sa tige, jusqu'à la mise en contact des contacts fixes et mobiles, ce qui permet l'alimentation du moteur électrique 12. Dès que la clef de contact n'est plus manoeuvrée, le bobinage n'est plus activé et le noyau mobile et la fourchette 116 reviennent à leur position initiale, le moteur 12 étant désactivé. Pour ce faire il est prévu un ressort de rappel du noyau mobile. Le moteur 12 comporte un rotor 14 qui comporte un circuit magnétique 16 et un collecteur 19 qui sont tous les deux montés par emmanchement axial, sur le tronçon central cranté axialement 20 de l'arbre d'induit 22 du rotor 14. Selon la conception conforme à l'état de la technique représenté à la figure 1, l'arbre d'induit 22 est réalisé en une seule pièce par usinage et il comporte, de part et d'autre du tronçon central de grand diamètre 20, un tourillon d'extrémité axiale avant 24 et un tourillon d'extrémité axiale arrière 26 qui permettent d'assurer le guidage en rotation de l'arbre d'induit 20 dans des paliers avant et arrière complémentaires. Selon cet état de la technique, au voisinage de son extrémité axiale avant, l'arbre d'induit 22 comporte un pignon denté 28 qui est disposé axialement entre l'extrémité axiale avant du tronçon central 20 et le tourillon avant 24 et qui constitue le pignon d'entrée d'un réducteur 30, ici du type à train épicycloïdal, qui est interposé entre l'arbre d'induit 20 et le lanceur 14. On décrira maintenant en détail les différents modes de réalisation de l'arbre d'induit conforme aux enseignements de l'invention en se reportant aux figures 2 à 6 sur lesquelles des composants identiques, similaires ou analogues seront désignés par les mêmes chiffres de référence. Comme on peut le voir notamment à la figure 2, le pignon denté 28 est réalisé sous la forme d'un composant rapporté sur l'arbre 22. A cet effet, et selon le premier mode de réalisation illustré aux figures 2 et 3, le tourillon avant 24 comporte une portion arrière 32 dont le diamètre est intermédiaire entre le diamètre extérieur du tourillon 24 et le diamètre extérieur du tronçon principal 20 et qui constitue une portion cylindrique pour le montage du pignon 28 qui comporte, à cet effet un trou ou alésage central 34 de diamètre intérieur complémentaire du diamètre extérieur de la portion 32. La portée 32, comme l'alésage 34, est lisse et le montage de ces deux éléments est du type serré ou juste glissant de manière à assurer la coaxialité du pignon 28 par rapport à l'arbre 22. Conformément aux enseignements de l'invention, et comme on peut le voir à la figure 3, la fixation du pignon 28 sur l'arbre 22 est réalisée par soudage. A cet effet, il est par exemple possible de réaliser un premier cordon annulaire de soudage 36 qui est complet ou partiel et qui est un cordon d'orientation axiale formé à l'extrémité axiale avant de l'alésage 34. Afin de faciliter le soudage, il est possible de prévoir une courte portée tronconique 38 à l'extrémité axiale avant de la portée cylindrique 32 qui constitue aussi un chanfrein pour le montage du pignon 28. Le soudage du pignon 28 sur l'arbre 22 peut aussi être réalisé à la faveur d'un second cordon annulaire de soudage 40, complet ou partiel, qui est ici d'orientation radiale et qui est formé au droit de la face transversale arrière 42 du pignon denté 28. Pour faciliter le passage du faisceau radial de soudage, la face transversale arrière 42 est ici inclinée, c'est-à-dire que sa surface est tronconique. De la même manière, il est possible de former un chanfrein 44 à l'extrémité axiale avant 46 du tronçon central de l'arbre 22 pour faciliter l'opération de soudage et la qualité de la soudure. La réalisation d'une soudure coaxiale telle que le cordon 36 permet d'effectuer une soudure de grande profondeur tandis que le cordon 40 peut être réalisé dans la mesure où il existe un épaulement 44,46 réalisé à l'extrémité axiale avant du tronçon principal central 20 de l'arbre d'induit 22. Dans le deuxième mode de réalisation illustré aux figures 4 et 5, le pignon denté 28 est réalisé venu de matière en une seule pièce avec le tourillon d'extrémité axiale avant 24 et ce sont ces deux pièces 24-28 qui sont fixées à l'extrémité axiale avant 44,46 du tronçon central 20 de l'arbre d'induit 22 au moyen d'une opération de soudage par un cordon 40 d'orientation radiale. Comme cela est représenté aux figures 4 et 5, il n'est pas prévu de moyens de centrage de la pièce 24-28 par rapport au corps de l'arbre d'induit 22, la coaxialité étant assurée grâce à l'outillage utilisé pour le montage et le soudage. Le troisième mode de réalisation représenté à la figure 6 constitue une variante du premier mode de réalisation représenté aux figures 2 et 3 dans lequel l'alésage central 34 du pignon 28 est traversé axialement par l'extrémité axiale avant du tronçon central 20 de l'arbre d'induit 22, le soudage des deux pièces étant réalisés à la faveur d'un cordon annulaire de soudage 36 d'orientation axiale. Cette conception est avantageuse lorsque le pignon 28 est de grand diamètre par rapport à l'arbre et il est intéressant d'avoir alors le diamètre de l'alésage 34 du pignon directement égal au plus grand diamètre de l'arbre de façon à limiter les usinages. Dans l'exemple représenté à la figure 6, la face transversale d'extrémité avant 46 du tronçon central 20 est alignée axialement avec le face transversale avant 43 du pignon 28, mais il est aussi possible de décaler axialement le pignon 28 vers l'arrière de façon à disposer d'une face de butée 46 la mieux adaptée, compte tenu de la géométrie et des caractéristiques du matériau choisi. Outre la grande résistance mécanique de la fixation par soudage, cette technologie permet de ne pas provoquer d'échauffement excessif en dehors des zones de soudage afin d'éviter des déformations permanentes de l'arbre. Le soudage par laser ou par faisceau d'électrons est particulièrement bien adapté à la conception selon l'invention qui n'est toutefois pas limitée à ces types de soudage. L'invention permet également de choisir avec la plus grande latitude les matériaux adaptés à la conception de chacune des pièces constituant l'arbre complet d'induit. Par ailleurs, pour un arbre conventionnel tel que celui représenté à la figure 1, lorsque le diamètre de la denture est inférieur au diamètre du tronçon central 20 de l'arbre 22, il faut ménager une zone 21 (voir figure 1) de dégagement pour le taillage du pignon. Grâce aux différentes conceptions selon l'invention, cette zone est supprimée et il est ainsi possible de réduire la longueur et le poids du démarreur. REVENDICATIONS 1. Arbre d'induit (22) de rotor (14) d'une machine électrique tournante (12), notamment d'un moteur de démarreur (10) de véhicule automobile, du type comportant un tronçon central (20) qui reçoit un circuit magnétique, et deux tronçons d'extrémité avant (24) et arrière (26) constituant des tourillons de guidage en rotation (X-X) de l'arbre (22), et du type comportant un pignon denté (28) lié en rotation à l'arbre, disposé axialement à l'extrémité axiale avant du tronçon central (20) et qui est réalisé sous la forme d'un élément rapporté sur l'arbre, caractérisé en ce que le pignon (28) rapporté est fixé à l'arbre (22) par soudage. 2. Arbre d'induit selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le pignon rapporté (28) comporte un trou central (34) qui est traversé axialement par un tronçon de l'arbre (20,22, 24). 3. Arbre d'induit selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le pignon rapporté (28,34) est traversé par une portion arrière (32) du tourillon avant (24). 4. Arbre d'induit selon la revendication précédente, caractérisé en ce que ladite portion arrière (32) du tourillon avant (24) est une portion dont le diamètre est intermédiaire entre celui du tourillon (24) et celui du tronçon central (20). 5. Arbre d'induit selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le pignon rapporté (28,34) est traversé par une portion avant du tronçon central (20). 6. Arbre d'induit selon la revendication 5, caractérisé en ce que la face transversale avant (43) du pignon rapporté (28,34) est alignée axialement avec la face transversale annulaire d'extrémité avant (46) du tronçon central (20). 7. Arbre d'induit selon la revendication 5, caractérisé en ce que la face transversale avant (43) du pignon rapporté (28,34) est décalée axialement vers l'arrière par rapport à la face transversale annulaire d'extrémité avant (46) du tronçon central (20). 8. Arbre d'induit selon l'une des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que le pignon rapporté (28) est fixé à l'arbre par un cordon de soudage annulaire (36), complet ou partiel, d'orientation axiale formé à l'extrémité axiale avant du trou central (34) du pignon (28). 9. Arbre d'induit selon l'une des revendications 4 ou 5, caractérisé en ce que le pignon rapporté (28) est fixé à l'arbre par un cordon de soudage annulaire (40), complet ou partiel, d'orientation radiale formé au droit de la face transversale arrière (42) du pignon. 10. Arbre d'induit selon la revendication 1, caractérisé en ce que le tourillon avant (24) et le pignon denté (28) sont réalisés en une seule pièce rapportée à l'extrémité axiale avant (46) du tronçon central (20) auquel elle est fixée par soudage (40). 11. Arbre d'induit selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la pièce rapportée est fixé au tronçon central (20) par un cordon de soudage annulaire (40), complet ou partiel, d'orientation radiale formé au droit de la face transversale d'extrémité axiale avant (46) du tronçon central (20). 12. Arbre d'induit selon l'une des revendications 9 ou 11, caractérisé en ce que la face transversale arrière (42) du pignon comporte au moins une partie centrale tronconique pour faciliter l'opération de soudage radial. 13. Arbre d'induit selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la denture du pignon (28) subit une opération de traitement physique et/ou chimique préalablement à son soudage sur l'arbre (20). 14. Démarreur (10) de véhicule automobile, caractérisé en ce qu'il comporte un moteur électrique (12) dont l'arbre d'induit (22) est réalisé conformément à l'une quelconque des revendication précédentes.