Brevet FR2830591A1 — publié le 20030411

"Groupe d'arbres d'équilibrage pour moteur à combustion interne" L'invention concerne un groupe d'arbres d'équilibrage, pour un moteur à combustion interne, notamment à cylindres sensiblement verticaux, comprenant deux arbres dotés de balourds en contra-rotation, destinés à s'opposer aux efforts d'inertie verticaux du moteur sur le deuxième harmonique, qui sont disposés de manière que leurs axes forment un plan sensiblement horizontal, et qui sont entraînés en rotation par le vilebrequin du moteur à combustion interne. En fonctionnement, les balourds des deux arbres d'équilibrage engendrent des efforts d'inertie dont les composantes horizontales s'annulent et dont les composantes verticales s'ajoutent. Par un choix judicieux des balourds et de la géométrie des arbres, on parvient ainsi à contrecarrer les efforts d'inertie verticaux provoqués par les pièces en déplacement généralement vertical dans le moteur, c'est-à-dire essentiellement les pistons. Particulièrement critiques sont ici les efforts d'inertie verticaux sur le deuxième harmonique, que les hommes de métier appellent le phénomène de"pilon", qui amènent le moteur dans son ensemble à décrire des oscillations verticales désagréables en termes de confort et de bruit pour les passagers, qui fatiguent également à terme les blocs de suspension du moteur, ainsi que des liaisons mécaniques de celui-ci vers l'extérieur, comme notamment les arbres de roue. L'entraînement des arbres d'équilibrage peut avoir lieu de diverses manières, comme par chaîne, par courroie synchrone, ou par pignons. Ce dernier choix offre l'avantage d'un gain de place et permet la transmission de couples plus importants. Cependant, un inconvénient majeur de l'entraînement par pignons est de transmettre aussi les cyclismes de rotation du vilebrequin vers les arbres d'équilibrage, avec apparition de vibrations angulaires, et par conséquent d'efforts alternés et donc de claquements dans les dentures des pignons. Pour ces raisons, il est donc obligatoire d'une part de réaliser les pignons concernés avec des matériaux résistants, essentiellement des aciers spéciaux et traités, même si les couples moyens à transmettre en permanence sont modestes, puisqu'il s'agit ici simplement d'entraîner les arbres d'équilibrage en rotation autour de leurs propres axes, sans résistance particulière. Il convient d'autre part de réduire les jeux de fonctionnement à des valeurs très faibles. Comme les tolérances de fabrication et d'assemblage des organes de support, et ici en particulier le carter moteur, sont relativement grossières, il est connu d'assembler les arbres d'équilibrage dans une structure d'accueil intermédiaire, et de monter cette structure d'accueil dans le carter en utilisant des cales de réglage. Comme il s'agit ici d'une procédure unitaire, elle entraîne des coûts très élevés. Une mesure complémentaire consiste, après contrôle dimensionnel unitaire des pièces en présence, à procéder à une gestion des appariements afin de minimiser, et si possible d'annuler les jeux et/ou de simplifier les procédures de montage. L'objectif de l'invention est donc de proposer un groupe d'arbres d'équilibrage du type énoncé en introduction et dans lequel l'entraînement des arbres d'équilibrage est effectué par une transmission par pignons qui comprend un pignon menant lié en rotation au vilebrequin du moteur à combustion interne et au moins un pignon mené porté par l'un des arbres d'équilibrage, mais avec lequel on puisse s'affranchir, au moins dans une large mesure, des sujétions concernant la réduction du jeu de fonctionnement entre le pignon menant et le pignon mené. La solution recherchée doit aussi permettre une réduction du poids et/ou des exigences techniques vis-à-vis des matériaux utilisés. Conformément à l'invention, cet objectif est atteint dans un groupe d'arbres d'équilibrage de ce type par le fait qu'il comprend un dispositif de filtrage des cyclismes entre le pignon mené et l'arbre d'équilibrage associé. Grâce à ce dispositif de filtrage, on fait chuter considérablement les pointes d'efforts dynamiques dans la transmission des couples entre pignon menant et pignon mené. Sans autres modifications, il en résulte déjà une réduction des bruits de claquement entre pignon menant et pignon mené. Il sera aussi possible de remplacer les dentures en acier par des dentures en matière plastique, avec une nouvelle réduction des bruits de fonctionnement et des claquements grâce aux propriétés d'amortissement inhérentes aux matières plastiques. Les avantages économiques en termes de fabrication seront ici clairs aux hommes de métier. Selon d'autres caractéristiques de l'invention : - le dispositif de filtrage est un dispositif hydraulique ; - le pignon mené est monté sur l'arbre d'équilibrage associé avec possibilité de rotation, et le dispositif de filtrage comprend au moins une chambre semi-cylindrique définie dans l'un des deux éléments que sont le pignon mené et l'arbre d'équilibrage, et une cloison sensiblement radiale solidaire de l'autre de ces deux éléments et coopérant avec le premier élément de manière à diviser la chambre en deux sous-chambres, les sous-chambres étant remplies d'un liquide ; - la cloison est définie par une saillie radiale portée par un moyeu cylindrique solidaire en rotation de l'arbre d'équilibrage associé, et la chambre est définie par un évidement en secteur semi-cylindrique ménagé dans un alésage cylindrique intérieur du pignon mené ; - la chambre semi-cylindrique est bordée de deux flancs sensiblement radiaux ; - les flancs portent des butées pour la cloison ; - les butées sont en matériau élastique, choisi notamment parmi le caoutchouc et le néoprène ; - le liquide est l'huile de lubrification du moteur à combustion interne ; - au moins un joint d'étanchéité de la chambre est interposé entre le pignon mené et l'arbre d'équilibrage associé. - le joint induit une friction prédéterminée entre le pignon mené et l'arbre d'équilibrage ; - il est prévu des canaux d'alimentation en liquide traversant l'arbre d'équilibrage et débouchant dans les souschambres ; - il est prévu une soupape anti-retour dans les canaux d'alimentation ; - il est prévu un passage à étranglement à travers chaque cloison ; - le passage d'étranglement est défini par un jeu entre la cloison et une paroi de la chambre ; - le moyeu cylindrique est défini sur un pignon de transfert fixé sur l'arbre d'équilibrage et coopérant avec un pignon de l'autre arbre d'équilibrage pour l'entraînement de celui-ci en contra-rotation. Un avantage supplémentaire du filtrage dynamique selon l'invention est de permettre une plage de tolérances plus importante entre les deux arbres d'équilibrage eux-mêmes, ce qui ouvre d'autres perspectives pour la structure d'accueil des arbres d'équilibrage, comme les structures qui se généralisent actuellement, connues sous l'expression"ladder frame" (semelles inférieures) de carter. 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 figures cijointes, dans lesquelles : - la figure 1 est une vue schématique en perspective montrant les éléments essentiels du groupe d'arbres d'équilibrage auquel s'applique le dispositif de filtrage hydraulique selon la présente invention ; - la figure 2 est une vue en perspective du pignon mené à l'entrée du groupe d'arbres d'équilibrage, illustrant en particulier le dispositif de filtrage hydraulique de l'invention ; - la figure 3 illustre la partie d'entrée du dispositif de filtrage hydraulique sur le pignon mené pour l'entraînement des arbres d'équilibrage ; - la figure 4 illustre la partie de sortie du dispositif de filtrage, fixé sur l'arbre d'équilibrage correspondant et appartenant au pignon de transfert vers l'autre arbre d'équilibrage ; - la figure 5 est une vue en coupe schématique axiale partielle à travers l'un des arbres d'équilibrage, illustrant l'admission d'huile vers le dispositif de filtrage hydraulique ; et - la figure 6 est une vue en coupe schématique axiale partielle à travers le pignon mené à l'entrée du groupe d'arbres d'équilibrage et le pignon de transfert vers l'autre arbre d'équilibrage, illustrant en particulier l'étanchéité entre ces deux pignons et l'arbre d'équilibrage associé. Le groupe d'arbres d'équilibrage 1, représenté de manière isolée et schématique dans la figure 1, est destiné à coopérer avec un moteur à combustion interne, non représenté, à cylindres généralement verticaux. Sur le vilebrequin du moteur est fixée une couronne dentée 10, dénommée ici"pignon menant"en raison de son rôle d'entraînement pour le groupe d'arbres d'équilibrage 1. La couronne dentée 10 comporte un axe X-X horizontal qui est aussi l'axe principal du vilebrequin du moteur. Le groupe d'arbres d'équilibrage comprend deux arbres d'équilibrage 12 et 14, dont les axes respectifs Y-Y et Z-Z sont parallèles et situés dans un plan commun généralement horizontal. Le premier arbre d'équilibrage 12 porte un pignon mené 16 qui engrène avec la couronne de vilebrequin 10 pour recevoir de celui-ci un mouvement de rotation, et un pignon de transfert 18 qui engrène avec un pignon 20 de même dimension, solidaire du deuxième arbre d'équilibrage 14, ce qui impose à ce dernier un mouvement de rotation opposé et de même vitesse que le premier arbre d'équilibrage 12. Les deux arbres 12 et 14 sont montés dans un carter du moteur, non représenté, via des paliers également non représentés, et ils portent des balourds désaxés 22,24 pour l'un et 26,28 pour l'autre. Lors de la contra-rotation des deux arbres 12,14, les efforts d'inertie dus aux balourds 22-28 s'annulent en direction horizontale, mais s'ajoutent en direction verticale, engendrant ainsi un effort d'inertie global alternatif en sens vertical, et l'on choisit ici les dimensions des divers composants de telle manière que cet effort d'inertie global est sensiblement égal et opposé à l'effort d'inertie vertical global sur le deuxième harmonique en raison des mouvements verticaux alternatifs des pistons du moteur à combustion interne. Cependant, comme connu, les explosions se produisent dans les cylindres du moteur uniquement de façon discrète, de sorte que le vilebrequin tourne en fait de manière acyclique et présente des vibrations angulaires qui sont alors transmises du pignon menant 10 vers le pignon mené 16. Les inconvénients en ont déjà été décrits dans l'introduction ci-dessus. Pour y remédier, l'invention propose un dispositif de filtrage 11, interposé entre le pignon mené 16 et l'arbre d'équilibrage 12, qui va maintenant être décrit plus en détails à l'aide des figures 2 à 6. Comme on le voit déjà succinctement dans la figure 6, l'arbre 12 comporte une bride 30, au-delà de laquelle il se termine par un moignon d'arbre 32 sur lequel est fretté le pignon de transfert 18. Plus précisément, comme le montre la figure 4, le pignon de transfert 18 comprend un corps de pignon 34 en forme de disque, qui porte une denture 36 à sa périphérie, et un moyeu cylindrique tubulaire 38, d'un seul tenant avec le corps 34 et doté d'un alésage central 40 par lequel il est enfilé et fretté sur le moignon d'arbre 32. La surface convexe cylindrique extérieure 42 du moyeu 38 constitue une portée sur laquelle est reçu le pignon mené 16, avec possibilité limitée de rotation autour de l'axe Y-Y comme on le verra par la suite. Pour terminer la description du pignon de transfert 18 solidaire en rotation de l'arbre 12, on remarquera dans la figure 4 qu'il comporte trois palettes ou cloisons 44, réparties régulièrement à intervalle angulaire de 1200, qui se dressent radialement depuis la surface extérieure 42 du moyeu 38, sur un rayon x égal à la profondeur radiale d'une chambre hydraulique semi-cylindrique (46, voir figure 3) ménagée dans le pignon mené 10, qui sera décrite plus loin. Les cloisons 44 s'étendent sur toute la longueur axiale du moyeu 38. Lorsque le pignon 18 est ainsi fretté sur le moignon d'arbre 32, le moyeu 38 vient en butée contre la bride 30. Il se forme ainsi entre le corps 34 du pignon 18 et la bride 30 un logement périphérique annulaire 48 dans lequel est logé le pignon mené 16, que l'on décrira maintenant à l'aide des figures 2 et 3. Le pignon 16 comprend un corps de pignon 50 en forme de disque, qui porte une denture 52 à sa périphérie et qui est doté d'un alésage central 54 dont le diamètre est égal à celui de la surface 42 convexe du moyeu 38. Dans trois secteurs, séparés par des intervalles angulaires de 120 , sont ménagés les trois évidements ou chambres 46, d'une profondeur radiale sensiblement égale à x, c'est-à-dire la hauteur radiale des cloisons radiales 44 du pignon 18, et sur toute l'épaisseur axiale du corps 50. Les flancs des chambres 46 définissent des épaulements sensiblement radiaux 58,60 sur lesquels sont fixées des butées 62, sous la forme de barrettes en un matériau élastique comme du caoutchouc ou du néoprène. Le montage des butées 62 sur le pignon a lieu ici par un assemblage du type queue d'aronde, avec tenon au revers de la butée 62 et montaise complémentaire en creux sur l'épaulement 58,60 du pignon 16. Lorsque le pignon 16 est enfilé sur le moyeu 38 du pignon 18, comme représenté dans la figure 2, les cloisons radiales 44 viennent se loger dans les chambres 46, jusqu'à venir toucher la surface semi-cylindrique 56 au fond des chambres, ce qui les subdivise chacune en deux sous-chambres 46a et 46b. La liberté de rotation du pignon mené 16 par rapport au pignon de transfert 18, et donc par rapport à l'arbre 12, est limitée par la venue en contact d'une butée 62, sur un flanc 58 ou sur l'autre flanc 60, avec la cloison 44. Le pignon 16 a une épaisseur axiale qui correspond sensiblement à l'intervalle entre la bride 30 et le corps 34 du piston 18,. Des joints annulaires 64 sont interposés sur les deux faces latérales opposées du pignon 16, ce qui referme pratiquement totalement les chambres 46 vis-à-vis de l'extérieur. Une huile, et de préférence l'huile de lubrification du moteur à combustion interne, est alimentée dans les chambres 46 via un réseau de conduits formés dans l'arbre 12 (figure 5) en provenance du réseau de distribution de lubrifiant non représenté du moteur, qui comprend un canal axial principal 66 dans l'axe YY de l'arbre 12, dans lequel est logé un clapet anti-retour à bille 68, et qui se prolonge par plusieurs canaux radiaux 70 qui traversent le moignon d'arbre 32 puis par des canaux radiaux 72 dans le moyeu 38. Etant donné la présence de la cloison 44 il est prévu deux canaux radiaux 72 de part et d'autre de celle-ci afin d'alimenter en huile les deux sous-chambres 46a et 46b de chaque chambre hydraulique 46. Enfin, la figure 4 montre que les cloisons 44 sont traversées par des petits trous calibrés 74 qui étranglent le passage de liquide d'un côté vers l'autre de la cloison 44, c'est-àdire entre les deux sous-chambres 46a et 46b. Dans l'ensemble des structures décrites ci-dessus, on comprend donc que les chambres 46 ménagées dans le pignon mené 16 constituent un élément d'entrée du dispositif de filtrage 11, tandis que les cloisons 44 portées par le moyeu 38, donc en fin de compte solidaires en rotation de l'arbre d'équilibrage 12, constituent l'élément de sortie du dispositif de filtrage 11. Avant de décrire le fonctionnement du groupe d'arbres d'équilibrage avec dispositif de filtrage qui vient d'être décrit, on mentionnera que les joints 64 engendrent une certaine friction vis-à-vis des pièces en présence, afin d'éviter des rotations relatives du piston 16 par rapport à l'arbre 12 tant que le couple d'accélération/décélération ne dépasse pas une valeur prédéterminée. En partant de la situation illustrée dans les figures, c'est-àdire dans laquelle les cloisons 44 sont globalement au milieu des chambres 46, la mise en marche du moteur va provoquer une rotation de la couronne de vilebrequin 10, et donc une rotation du pignon mené 16. À supposer que le couple d'entraînement dépasse une certaine valeur, le pignon 16 va légèrement tourner vis-à-vis de l'arbre 12 et du pignon 18 en surmontant la friction des joints 64, jusqu'à ce que l'une des butées 62, par exemple celle du flanc 58, vienne en contact contre la cloison 44. Tant que le moteur tourne en accélération, ou en régime constant, ou même encore en légère décélération, cette situation reste maintenue. Les efforts d'inertie verticaux engendrés par les balourds 22-28 compensent en totalité ou en majeure partie les efforts d'inertie verticaux du moteur sur l'harmonique d'ordre 2. Simultanément, le fonctionnement du moteur entraîne aussi celui de la pompe de lubrification et l'huile est amenée via les canaux 66,68, 70 et 72 jusque dans les sous-chambres 46a et 46b. Les cyclismes, c'est-à-dire les vibrations angulaires du vilebrequin, sont transmis au pignon mené 16. Ils ont donc tendance alternativement à faire décoller la butée 62 vis-à-vis de la cloison 44, et à ramener ensuite la butée 62 en appui contre la cloison 44. L'effet combiné des butées en caoutchouc 62 et du liquide prisonnier dans les chambres 46, qui ne peut passer d'une sous-chambre 46a dans l'autre sous-chambre 46b qu'en empruntant l'étranglement 74, est de filtrer ces cyclismes qui ne sont donc pas transmis à l'arbre d'équilibrage 12, ni à l'arbre d'équilibrage 14. On notera ici quelques remarques complémentaires : - la figure 6 n'est pas à considérer comme une représentation à l'échelle. Les jeux de chaque côté du pignon 16 y ont été représentés fortement exagérés, mais ils sont en réalité aussi petits que techniquement possible ; - les trous calibrés 74 dans les cloisons 44 ne sont pas obligatoires. Il suffit en effet qu'il existe un passage formant étranglement pour l'huile d'une sous-chambre vers l'autre (46a vers 46b ou inversement). Cela peut tout aussi bien avoir lieu en prévoyant un jeu radial réduit entre le sommet de la cloison 44 et le fond opposé 56 de la chambre 46. Il est même suffisant que l'effet d'étranglement se manifeste de manière dynamique. En effet, les vibrations angulaires se produisent avec des accélérations angulaires considérables et pendant des durées extrêmement brèves, et il s'agit ici d'étrangler des écoulements de liquide en très petite quantité sur des périodes très courtes ; - le passage du pignon mené 16 en position de butée "inverse", c'est-à-dire dans laquelle la butée 62 associé au flanc opposé 60 vient en contact avec la cloison 44 sera exceptionnel, puisqu'il signifierait une décélération si brutale du moteur que les arbres d'équilibrage auraient du fait de leur inertie un effet "moteur"capable de surmonter la friction des joints 64 ; - la réalisation de tous les composants ici décrits peut être exécutée avec des techniques de fabrication courantes, simples et éprouvées, ce qui agit favorablement sur le coût de l'ensemble. En particulier, si l'on choisit de réaliser les pignons (16,18, 20) en matière plastique, on pourra utiliser avec profit toutes les techniques correspondantes. La matière plastique pourra être une matière composite chargée de fibres de verre et/ou de carbone. On pourra aussi réaliser les pignons avec un noyau métallique enrobé de matière plastique ; - il est également clair que l'on peut inverser la réalisation mécanique du dispositif de filtrage 11, c'est-à-dire réaliser la ou les chambres 46 dans le moyeu 38, ou en général dans un élément solidaire de l'arbre d'équilibrage 12, et la ou les cloisons 44 sur le pignon mené 16. REVENDICATIONS 1. Groupe (1) d'arbres d'équilibrage pour moteur à combustion interne, notamment à cylindres généralement verticaux, comprenant deux arbres (12,14) à balourds en contrarotation disposés de manière que leurs axes (Y-Y, Z-Z) forment un plan sensiblement horizontal et entraînés par le vilebrequin du moteur à combustion interne, dans lequel l'entraînement des arbres d'équilibrage est effectué par une transmission à pignons comprenant un pignon menant (10) lié en rotation au le vilebrequin et au moins un pignon mené (16) porté par l'un des arbres d'équilibrage (12,14), caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif de filtrage (11) des cyclismes entre le pignon mené (16) et l'arbre d'équilibrage associé (12). 2. Groupe d'arbres d'équilibrage selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif de filtrage (11) est un dispositif hydraulique. 3. Groupe d'arbres d'équilibrage (1) selon la revendication 2, caractérisé en ce que le pignon mené (16) est monté sur l'arbre d'équilibrage associé (12) avec possibilité de rotation, et en ce que le dispositif de filtrage (11) comprend au moins une chambre semi-cylindrique (46) définie dans l'un des deux éléments que sont le pignon mené (16) et l'arbre d'équilibrage (12), et une cloison sensiblement radiale (44) solidaire de l'autre de ces deux éléments et coopérant avec le premier élément de manière à diviser la chambre (46) en deux sous-chambres (46a, 46b), les sous-chambres (46a, 46b) étant remplies d'un liquide. 4. Groupe d'arbres d'équilibrage (1) selon la revendication 3, caractérisé en ce que la cloison (44) est définie par une saillie portée par un moyeu cylindrique (38) solidaire en rotation de l'arbre d'équilibrage (12) associé, et en ce que la chambre (46) est définie par un évidement en secteur semi-cylindrique ménagé dans un alésage cylindrique intérieur (54) du pignon mené (16). 5. Groupe d'arbres d'équilibrage (1) selon la revendication 4, caractérisé en ce que la chambre semi-cylindrique (46) est bordée de deux flancs (58,60) sensiblement radiaux. 6. Groupe d'arbres d'équilibrage (1) selon la revendication 5, caractérisé en ce que les flancs (58,60) portent des butées (62) pour la cloison (44). 7. Groupe d'arbres d'équilibrage (1) selon la revendication 6, caractérisé en ce que les butées (62) sont en matériau élastique, choisi notamment parmi le caoutchouc et le néoprène. 8. Groupe d'arbres d'équilibrage (1) selon l'une quelconque des revendications 3 à 7, caractérisé en ce que le liquide est l'huile de lubrification du moteur à combustion interne. 9. Groupe d'arbres d'équilibrage (1) selon l'une quelconque des revendications 3 à 8, caractérisé par au moins un joint (64) d'étanchéité de la chambre qui est interposé entre le pignon mené (16) et l'arbre d'équilibrage (12) associé. 10. Groupe d'arbres d'équilibrage (1) selon la revendication 9, caractérisé en ce que le joint (64) induit une friction prédéterminée entre le pignon mené (16) et l'arbre d'équilibrage (12). 11. Groupe d'arbres d'équilibrage (1) selon l'une quelconque des revendications 3 à 10, caractérisé en ce qu'il est prévu des canaux d'alimentation en liquide (66,70, 72) traversant l'arbre d'équilibrage (12) et débouchant dans les sous-chambres (46a, 46b). 12. Groupe d'arbres d'équilibrage (1) selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'il est prévu une soupape anti-retour (68) dans les canaux d'alimentation. 13. Groupe d'arbres d'équilibrage (1) selon l'une quelconque des revendications 3 à 12, caractérisé en ce qu'il est prévu un passage à étranglement (74) à travers chaque cloison (44). 14. Groupe d'arbres d'équilibrage (1) selon la revendication 13, caractérisé en ce que le passage d'étranglement (74) est défini par un jeu entre la cloison (44) et une paroi (56) de la chambre (46). 15. Groupe d'arbres d'équilibrage (1) selon l'une quelconque des revendications 4 à 14, caractérisé en ce que le moyeu cylindrique (38) est défini sur un pignon de transfert (18) fixé sur l'arbre d'équilibrage (12) et coopérant avec un pignon (20) de l'autre arbre d'équilibrage (14) pour l'entraînement de celui-ci en contra-rotation.