Brevet FR2850723A1 — publié le 20040806

I La présente invention concerne un ensemble de moyens destinés à améliorer les performances des doubles volants amortisseurs utilisés pour atténuer les vibrations de torsion engendrées par les moteurs thermiques. La figure la est une 5 représentation simplifiée d'un double volant amortisseur constitué d'un premier volant (1) appelé par la suite volant primaire relié à un deuxième volant (2) appelé par la suite volant secondaire par une liaison élastique (3) qui filtre les vibrations de torsion mais transmet aussi le couple nominal, l'embrayage s'il existe est schématisé en 4. La figure lb est une représentation schématique du 10 fonctionnement physique, et la figure Ic l'analogue électrique de ce dernier schéma. La figure 2 représente les variations cycliques de couple délivré par un moteur à 4 cylindres 4 temps: l'harmonique 2 de la rotation est, pour ce type de moteur, prépondérant. (2 cycles en 3600 de révolution de l'arbre). La technologie des doubles volants amortisseurs présente un inconvénient majeur, d à la 15 résonance de l'ensemble des pièces en mouvement de rotation, provoquée par la présence de masses et de ressorts couplés, qu'il est nécessaire d'amortir. La fréquence de résonance est choisie pour une vitesse de rotation inférieure à la vitesse de ralenti, mais elle reste gênante pendant les périodes de démarrage. Les courbes des figures 3a et 3b représentent la transmissibilité, qui est le rapport de l'amplitude des oscillations transmises au volant secondaire y2 à l'amplitude du couple vibratoire Cm. généré par le moteur thermique sur le volant primaire d'un double volant amortisseur, la figure 3a représente la transmissibilité des fréquences à la fréquence de rotation, la figure 3b la transmissibilité des 25 fréquences harmonique 2. Les courbes al et a2 sont les caractéristiques d'un double volant amortisseur peu amorti en fonction de la vitesse de rotation: le pic de résonance est très important, ce qui est dangereux pour la robustesse de l'ensemble, soumis à de grands débattements et à des chocs aléatoires sur les butées de fin de course des ressorts, et perturbe le fonctionnement du moteur thermique. 30 L'efficacité, dans le domaine des fréquences utiles est optimale, car elle est d'autant plus importante que l'amortissement est faible. Les courbes bl et b2 caractérisent un double volant amortisseur amorti: le pic de résonance est atténué, mais l'efficacité est par contre réduite, dans le domaine des fréquences utiles. De nombreuses solutions empiriques ont été proposées et se concrétisent par le choix d'un compromis entre réduction du pic de résonance et conservation d'un filtrage acceptable. A ce premier inconvénient s'additionnent les difficultés d'adaptation aux exigences des constructeurs: Les couples nominaux des moteurs sont en constante progression et le dimensionnement des doubles volants amortisseurs doit donc être adapté à ces évolutions. Or le choix de solutions empiriques difficilement extrapolables par calcul, oblige à procéder à des essais longs et coteux. L'invention résout ces inconvénients: Elle fait disparaître la résonance, en bloquant, à basse vitesse, les mouvements relatifs des 2 volants, éliminant les problèmes qu'elle provoque, tout en maintenant une efficacité optimale dans le domaine des fréquences utiles. L'efficacité est visible sur les courbes cl et c2, qui correspondent au fonctionnement du dispositif selon l'invention. Elles sont confondues, au delà de la 10 fréquence de déblocage, Ft avec les courbes al et a2. Elle utilise des ressorts de torsion ayant la forme de cylindres positionnés radialement, comme indiqué figure 4a, b, c et appelés par la suite modules. Constitué de modules tous identiques, le passage d'un niveau de couple à un autre s'effectue par simple accroissement du nombre de modules utilisés (figure 4a, 15 b, c) correspondant par exemple à des doubles volants amortisseurs capables de transmettre des couples de 200, 300 et 400 Newton mètre, chaque module, par exemple, ayant une capacité de couple de 100 Nm.. Ces modules identiques sont étudiés, testés en endurance une fois pour toute. Les cots de développement et les délais de mise sur le marché sont réduits, et l'effet de série provoqué par la 20 normalisation des modules diminuant les cots de production et les stocks. Un autre avantage de l'invention consiste à utiliser des modules d'aspects extérieurs identiques mais comportant plusieurs ressorts de torsion tubulaires de torsion tubulaires concentriques: cette configuration est aussi économique: un même module, selon le nombre de ressorts de torsion tubulaires qu'il inclut, pouvant 25 transmettre des couples allant par exemple de 100 à 250 Nm. La gamme de doubles volants amortisseurs dont le couple nominal va de 200 à 500 Nm ne comporte alors plus que 2 modules, comme vu figure 4a. Les modules d'une même gamme ayant tous les mêmes dimensions, deux chaînes de fabrication peuvent, par exemple, suffire pour satisfaire les exigences 30 des constructeurs: la figure 5 schématise 2 possibilités constructives, l'une utilisant des modules longs et de faible diamètre (figure Sa) adaptée aux groupes moteurspropulseurs transversaux, l'autre des modules courts et de gros diamètre (figure 5b), adaptée aux groupes moteurs-propulseurs longitudinaux. L'invention exploite en partie les revendications de la demande de brevet 35 n 02 08555 intitulé " dispositif d'accumulation d'énergie potentielle mécanique constitué d'un ensemble de ressorts de torsion et d'encombrement minimum ". Les ressorts tubulaires sont constitués de secteurs cylindriques: la figure 7 représente un ressort de torsion tubulaire constitué de 3 secteurs 6, 7 et 8 comportant à chaque extrémité des crabots 9 et 10 qui dans cette application peuvent ne pas présenter de parties pliées comme revendiquées dans la demande de brevet 02 08555, car les contraintes peuvent être limitées en augmentant le nombre de ressorts de torsion tubulaires disposés concentriquement. Ces secteurs comportent des découpes longitudinales 11 et 12 de formes 5 déterminées par l'angle de rotation maximal et la progressivité de l'augmentation de raideur en fin de course angulaire. Cet angle de rotation maximal est différent selon le sens de torsion du ressort, pour tenir compte du couple moyen qui n'agit que dans un sens. Leur utilité et leur fonctionnement sont décrits dans la demande de brevet 02 08555. Les figures 6 et 8 représentent un double volant amortisseur schématisé. Elles sont destinées à mieux faire comprendre le fonctionnement des ressorts tubulaires et des liaisons. Le ressort de torsion tubulaire 8 figure 6 est représenté en vue de face, les volants 13 et 18 sont représentés sectionnés ainsi que la couronne pivotante 17. 15 Ils sont représentés en position repos, sans torsion, et les secteurs sont placés dans une position angulaire telle que seuls les secteurs 6 et 8 figure 7 sont apparents. Les crabots 9 et 10 sont encliquetés aux crabots 5 du volant primaire 18 et aux crabots 20 de la couronne pivotante 17. Cette couronne 17 pivote autour de l'arbre cylindrique 16 et est entraînée en rotation par l'engrenage 20 conique constitué du pignon 14 qui n'occupe qu'un secteur angulaire d'angles légèrement plus grands que les angles de débattement du ressort tubulaire, et de la roue 15 qui fait partie du volant secondaire 13. Les figures 8a et 8b représentent une vue de dessus et une vue de dessous de cette couronne pivotante 17. Le volant secondaire 13 peut donc osciller autour d'une position d'équilibre, guidé 25 par le palier 19. L'engrenage conique peut être à dentures droites, hélicodales ou spirales. Le choix des 2 diamètres primitifs du pignon et de la roue permettent d'ajuster les angles d'oscillation des ressorts et du volant secondaire et de servir de convertisseur de couple, ce qui fournit un choix possible supplémentaire pour l'optimisation du mécanisme. Les figures 9 et 10 représentent le dispositif de blocage du mouvement relatif angulaire des 2 volants, les figures 9a et 9b expliquent le principe du blocage et du déblocage en fonction de la vitesse de rotation. La masse 21 peut coulisser dans le boîtier 22 et est plaquée vers l'axe de rotation A par le ressort 23. Lorsque l'ensemble tourne autour de l'axe de rotation, la masse 21 est 35 soumise à la force centrifuge F-M. o2.R qui s'oppose à la force du ressort F=k.X0. M est la masse de la masse mobile et R le rayon de giration. co est la pulsation (c=2.n.f) avec f' fréquence égale à nombre de tours! minute/60. k est la raideur du ressort et Xo la longueur précontrainte. Pour une certaine vitesse de rotation, appelée par la suite vitesse de transition, la masse M se déplace selon un rayon vers la périphérie: Cette vitesse correspond à l'égalité k.Xo.= M.We2.R. et la vitesse de rotation de transition est donc: fl(m},=2.tI/60.racine(k.Xo/(M.R) La figure 9b représente la force centrifuge (courbe a), la force de délivrée par le ressort (courbe b) et le déplacement (courbe c) de la masse mobile en fonction de la vitesse de rotation. Cette propriété est utilisée pour bloquer le fonctionnement des ressorts tubulaires, comme le montrent les figures 10a et 10 1Ob: la masse mobile 25 est maintenue plaquée sur le siège conique 28 ici par les 2 ressorts 26 et 27, mais un seul est suffisant, centré sur l'axe ZZ, s'appuyant sur le boîtier 24 identique au boîtier 22 de la figure 9a, formant ainsi un embrayage conique au fonctionnement connu. La masse mobile 25 comporte à son extrémité opposée au cône une aspérité parallélépipédique 29 qui coulisse librement dans 15 l'alvéole femelle de même forme 30, au fond de laquelle est fixée par un moyen connu une feuille d'élastomère amortisseur de chocs 31, qui interdit tout mouvement de rotation relatif entre ladite masse 25 et le boîtier 24. Le siège conique 28 peut tourner selon l'axe ZZ mais est immobilisé par la combinaison de l'embrayage conique et de la poussée des ressorts. Lorsque l'ensemble tourne 20 autour d'un axe perpendiculaire à l'axe Z et situé vers le bas de la figure (point A), dès que la fréquence de transition est dépassée, la masse mobile 25 se déplace et libère progressivement le siège conique 28 qui peut alors tourner librement autour de l'axe ZZ. Ce dispositif est utilisé dans l'invention dans la description suivante. Les figures 11, 12, 13, 14 et 15 décrivent un double volant amortisseur utilisant les moyens décrits précédemment. La figure 1 1 est une coupe de l'ensemble du double volant amortisseur (coupe OA figure 13) selon un plan défini par l'axe longitudinal et l'axe d'un module. La figure 12 est une coupe à 450 (coupe OB figure 13) de l'ensemble, mais modules et joint d'isolation 30 enlevés. La figure 13 représente une vue du volant primaire équipé de 4 modules, le volant secondaire étant enlevé. La figure 14 représente une demi-vue demicoupe du joint d'isolation, la figure 15 représente une solution de conception des crabots situés en vis à vis des crabots d'extrémité des ressorts. Les figures 16 et 17 représentent des dispositions constructives différentes utilisant les conceptions 35 revendiquées. La figure 16 est une coupe semblable à la figure 11, le module comportant 4 ressorts tubulaires, configuration capable d'assurer un couple nominal de 200 Nm par module. La figure 17 est une vue partielle de 2 modules et du volant primaire, l'ensemble utilisant le module décrit figure 16 étant capable de transmettre un couple nominal de 400 Nm. Description de la version représentée figures 11, 12, 13, 14, 15.: Le volant primaire 33 est fixé au vilebrequin dont seule l'extrémité 32 est visible, par un moyen connu, ici plusieurs boulons 54. Il comporte une excroissance torique 57 qui sert de palier au volant secondaire 47, le pivotement étant assuré par 5 exemple par un coussinet autolubrifiant 45. La position relative axiale des 2 volants 33 et 47 est maintenue fixe par un moyen connu, par exemple la bague 56 et les boulons 55. Cette excroissance torique 57 comporte sur sa face cylindrique externe des surfaces planes servant de butées planes destinées à assurer le pivotement et l'immobilisation axiale des modules sur leur axe de symétrie. Le 10 pivotement de chaque module est assuré par une butée autolubrifiante 42 qui comporte un épaulement formant palier pour l'axe 43, qui est solidaire de la couronne pivotante 41. Un joint d'étanchéité 44 évite les fuites de lubrifiant contenu dans le module. Cette couronne pivotante 41 est semblable à la couronne pivotante 17 décrite précédemment. Elle comporte un pignon identique au pignon 15 14. Elle comporte des crabots 40 de forme identique aux crabots 39 visibles figure 15, constitués d'une tôle découpée puis roulée et brasée sur la couronne pivotante, ce qui la rend solidaire de celle-ci. En vis à vis du pignon et engrenant avec celui-ci, une roue 46 identique à la roue 15 décrite précédemment, fixée par brasure ou par tout autre moyen au volant secondaire 47, entraîne celui-ci à la 20 vitesse de rotation de l'arbre primaire, tout en filtrant les oscillations parasites. Le plateau et la friction 51, l'arbre de boîte 52 et le roulement à billes et la butée à billes sont des éléments de transmission et d'embrayage connus. La couronne pivotante 41 comporte un évidement en forme de tronc de cône dont le fonctionnement, avec la masse 58 et les ressorts 49 et 50 est identique au 25 fonctionnement décrit précédemment. Pour une fréquence de transition choisie, l'embrayage conique ainsi constitué libère progressivement le mouvement d'oscillation de la couronne pivotante. Deux ressorts tubulaires 37 et 38 constitués chacun de plusieurs secteurs, s'encliquètent sur les crabots 40 et sur les crabots 39, ces derniers constitués de la même façon que les crabots 40, d'une 30 tôle découpée et roulée et brasée sur l'opercule 34, fixé sur le volant primaire par les boulons 65. Le tube cylindrique 36 sert d'enveloppe aux ressorts 37 et 38. Le nombre de ressorts est choisi en fonction du couple nominal. L'étanchéité est assurée par le joint torique 48 et le joint multiforme 53 dont la figure 14 représente une demi-vue et une demi-coupe. Ils isolent les modules et 35 l'engrenage de la contamination par les résidus résultant de l'usure de la friction 51. Cette isolation retient le lubrifiant nécessaire au fonctionnement de l'engrenage. Le tube 36 est plaqué sur la couronne pivotante 41 par un joint de forme appropriée 35, visible figure lia, qui isole le lubrifiant inclus dans le module. Ce tube 36 sert aussi de limitation de fin de course, comme l'indique la demande de brevet 02 08555 déjà cité: lorsque les découpes longitudinales de deux secteurs contigus arrivent en contact, la raideur du ressort tubulaire augmente ainsi que le diamètre des secteurs. Ils viennent alors au contact du tube 36, ce qui augment encore plus la raideur et assure la stabilité élastique du module. La figure 13 représente un volant primaire équipé de 4 modules. Les pignons sont tous identiques au pignon 41 et ont une forme de secteurs asymétriques. Ils sont dimensionnés d'une part pour que les contraintes de flexion de denture et les pressions unitaires restent dans des domaines admissibles et pour 10 adapter les angles de pivotement et les raideurs des modules pour obtenir un cot de fabrication minimum. La dissymétrie du débattement angulaire des pignons selon le sens de leur rotation est ici utile pour éviter les interférences entre pignons adjacents au cours du pivotement. Les figures 16, 17 et 18 représentent une variante constructive préférée 15 lorsque les couples transmis sont élevés. 4 ressorts tubulaires sont représentés et sont référencés globalement 60. Ce nombre n'est pas limitatif, il est choisi soit pour augmenter le couple nominal de chaque module, soit pour réduire les contraintes de torsion internes des ressorts. Une réalisation préférentielle de la couronne pivotante 61 fait appel à l'utilisation de l'acier fritté, la pièce pouvant 20 être entièrement pressée aux cotes définitives, en y incluant les crabots et les dents du pignon. Elle est alors semblable à la pièce 17 visible figure 8. La même conception est appliquée préférentiellement pour l'opercule 67 directement obtenu par frittage. La figure 17 représente une vue du volant primaire équipé de 2 modules. Une telle configuration est capable de transmettre des couples de 400 25 Nm et plu, avec un nombre de pièces limité. Selon ce dernier mode de construction, le joint polyforme précédent est remplacé par une proéminence cylindrique 62 du volant primaire 63 qui en sa partie plane externe comporte une gorge d'immobilisation 70 destinée à un joint à lèvre 69, ou un joint torique de tout autre forme, frottant sur la partie plane du 30 volant secondaire 64. Cette proéminence est percée de 2 trous cylindriques usinés radiaux assurant par l'intermédiaire d'un joint torique 65 l'étanchéité des engrenages. La gorge d'immobilisation 68 est soit usinée dans cette proéminence torique 62 soit à la périphérie des tubes enveloppe des ressorts 66. Afin de réduire le bruit de pignonnerie aux vitesses de ralenti moteur, 35 consécutifs aux oscillations de couple alternativement positives et négatives, lorsque le couple transmis est nul, une légère précontrainte est appliquée aux ressorts de torsion tubulaires 37, 38 ou 60, consistant en un décalage alterné des angles des pignons 14 et des crabots de chaque couronne pivotante 41. La valeur de ce décalage est choisie de façon à ce qu'au régime de ralenti les pignons 14 restent toujours au contact de la roue 46, lorsque le nombre de modules est pair, et pour qu'un nombre minimal de pignons quittent ce contact lorsque le nombre de modules est impair. REVENDICATIONS 1) Dispositif double volant amortisseur caractérisé en ce qu'il utilise des 5 modules à ressorts de torsion tubulaires (37 et 38 figure Il et 60 figure 16) constitués de plusieurs secteurs positionnés radialement (6,7 et 8 figure 7) et solidaires des pignons (14 figure 8) d'un engrenage conique dont la roue 15 figure 6 et 46 figure 11) est fixée au volant secondaire (16 figure 6, 47 figure 11, 64 figure 16). 2) dispositif selon la revendication 1 caractérisé par le fait que chaque pignon est solidaire d'une couronne pivotante (17 figure 6 et 8, 41 figure 11, 61 figure 16) munie de crabots (20 figure 8, 40 figure 11) qui s'encliquètent avec des crabots découpés (10 figure 7) à l'une des extrémité des secteurs, l'autre extrémité des secteurs pourvue aussi de crabots (9 figure 7) s'encliquetant dans 15 les crabots (39 figure 11 et figure 15) d'un opercule 34 figure 11 et 67 figure 16) fixé en périphérie du volant primaire (33 figure 11 et 63 figure 16). 3) dispositif revendication 2 caractérisé en ce que les couronnes pivotantes (17 figure 6 et 8, 41 figure 11, 61 figure 16) pivotent selon un axe radial lié au volant primaire (33 figure 11 et 63 figure 16). 4) dispositif selon revendication 2 et 3 caractérisé par le fait que les couronnes pivotantes (17 figures 6 et 8, 41 figure 11, 61 figure 16) associées à une masse (21 figure 9, 25 figure 10 et 38 figure 11) occupant l'espace interne des ressorts tubulaires (37 et 38 figure 11 et 60 figure 16) forment un embrayage conique, la force de pression étant fournie par un ou plusieurs ressorts (23 figure 25 9, 26 et 27 figure 10, 49 et 50 figure 11) et le mouvement de rotation relative selon le grand axe de la masse (25 figure 10 et 38 figure 1 1)et du volant primaire (33 figure 11 et 63 figure 16) étant interdite. 5) dispositif selon revendication 4 caractérisé par le fait que sous l'effet de la force centrifuge la masse (25 figure 10, 38 figure 11) se déplace vers la 30 périphérie du volant primaire (33 figure Il et 63 figure 16), libérant le mouvement de rotation des couronnes pivotantes (41 figure 11, 61 figure 16), initialement bloquées en rotation par les embrayages coniques, la vitesse de rotation pour laquelle les couronnes pivotantes (41 figure 11, 61 figure 16) sont libérées étant supérieure à la fréquence de résonance de l'ensemble. 6) dispositif selon revendication 5 caractérisé par le fait que la transition entre le blocage et la libération des couronnes pivotantes (41 figure 11, 61 figure 16) s'effectue de façon progressive 7) dispositif selon revendication 1 caractérisé par le fait que la raideur des ressorts de torsion tubulaires (37 et 38 figure 11 et 60 figure 16) est augmentée en fin de course par une découpe longitudinale (11 et 12 figure 6 et figure 7) appropriée des secteurs (6, 7 et 8 figure 7) et la présence d'un tube (36 figure 11, 66 figure 16). 8) dispositif selon revendications 1 et 2 caractérisé en ce que les ressorts 5 de torsion tubulaires (37 et 38 figure 11 et 60 figure 16) et l'engrenage sont isolés par des joints (35, 53, 48, 44 figure 11 et 65, 69 figure 16) qui retiennent le lubrifiant. 9) dispositif selon revendication 1 caractérisé en ce que les pignons (14 fig 8) et les ressorts de torsion tubulaires (37 et 38 figure 11 et 60 figure 16) sont en 10 légère précontrainte, lorsque le couple moyen transmis est nul restent toujours au contact de la roue 46.