Brevet FR2862358A1 — publié le 20050520

Palier hydrodynamique conformé pour augmenter l'épaisseur d'un film de lubrifiant. L'invention concerne un palier hydrodynamique, en particulier dans une utilisation dans un moteur à combustion interne. Un moteur à combustion interne comporte de nombreux paliers hydrodynamiques, par exemple pour le montage en rotation du vilebrequin dans le carter, de la bielle sur le maneton, de l'arbre à came dans la culasse, d'un arbre d'équilibrage dans le carter. Ce type de palier est caractérisé par la présence d'un film de lubrifiant interposé entre un arbre et un logement, généralement équipé d'un coussinet. On trouve également des paliers de ce type dans d'autres mécanismes. Le dimensionnement des paliers est généralement un compromis entre la réduction du frottement, obtenue en augmentant le jeu entre le coussinet et l'arbre, le risque de contact direct entre l'arbre et le coussinet, et la réduction des sollicitations en fatigue, obtenus en diminuant ledit jeu. Un des risque qu'encours le palier est le grippage qui intervient lorsque l'arbre vient en contact direct avec le logement lors du fonctionnement. Lors du contact, les surfaces se détériorent et des éléments de matière sont arrachés. En plus d'un échauffement localisé très important, le blocage de l'arbre survient alors rapidement. Le contact direct se produit en général lorsque l'épaisseur du film de lubrifiant est prévue très faible et qu'une perturbation, telle qu'un défaut géométrique ou des variations dans les conditions de fonctionnement, annule cette épaisseur. On connaît par le document GB 1 577 562 un palier hydrodynamique prévu pour une bielle et un maneton de vilebrequin dans lequel un coussinet est prévu en deux demi-coquilles. Chaque demi-coquille est fixée dans un il de la bielle, le plan de jonction des demi-coquilles étant perpendiculaire à l'axe de la bielle. Les demi-coquilles ont des épaisseurs différentes de telle sorte le maneton est plus ajusté dans l'oeil de la bielle du côté d'une tige de la bielle que du côté opposé à la tige. On constate qu'ainsi, la pression maximale dans le film de lubrifiant est moins élevée, ce qui diminue les contraintes en fatigue des surfaces du coussinet et du maneton. Cependant, ce type de palier ne permet pas de répondre à toutes les configurations, en particulier lorsque les sollicitations sont alternatives en direction. C'est donc un objectif de l'invention de proposer un palier hydrodynamique optimisant les risques d'avarie, d'usure et de fatigue et réduisant les frottements. Avec ces objectifs en vue, l'invention a pour objet un palier hydrodynamique comportant un arbre monté rotatif dans un logement cylindrique, un jeu étant ménagé entre l'arbre et le logement pour qu'un film de lubrifiant s'interpose pendant le mouvement relatif de l'arbre et du logement. Selon l'invention, l'arbre comporte au moins une zone de courbure réduite orientée de telle sorte qu'un effort maximal prévu soit dirigé vers ladite zone de courbure réduite. La zone de courbure réduite est obtenue par une légère modification localisée du rayon de l'arbre par rapport à un rayon nominal. Les inventeurs ont constaté que si l'effort maximal supporté par le palier se produit de telle sorte que la zone la plus chargée est la zone de courbure réduite, alors l'épaisseur du film de lubrifiant est augmentée par rapport à un palier soumis aux mêmes conditions mais ayant un arbre parfaitement circulaire. De ce fait, les risques de grippage sont diminués, ainsi que le frottement par le cisaillement du film de lubrifiant lors de la rotation relative de l'arbre et du logement. De plus, on constate que la variation du champ de pression dans le lubrifiant est moins brutale. De ce fait, la sollicitation en fatigue, en particulier du coussinet si celui-ci est prévu, est moindre. Selon un premier mode de réalisation de l'invention, le rayon de l'arbre Ra s'exprime en coordonnées polaires selon l'équation Ra=R+Ean.cos(n9+rpn) , avec R. rayon nominal, an n?2 amplitude d'une harmonique d'ordre n, et Çn 25 déphasage par rapport à une origine. Selon une variante particulière du premier mode de réalisation, le rayon de l'arbre Ra s'exprime en coordonnées polaires selon l'équation Ra = R+ a2.cos(29+a+ -) . La forme en section de l'arbre 30 est alors une ellipse dont le grand axe est décalé de l'angle ço2=a ± par rapport à l'axe d'origine. Un tel arbre est optimisé pour recevoir des efforts alternatifs orientés essentiellement dans une direction perpendiculaire au grand axe. De préférence, l'amplitude a2 de l'harmonique d'ordre 2 a une valeur comprise entre un tiers et deux tiers de la différence entre le rayon intérieur Ri du logement et le rayon nominal R. Selon une application particulière de la première variante, l'arbre est un maneton de vilebrequin et le logement est un il de bielle, le déphasage a est de 700 mesurés par rapport à un plan contenant les axes du vilebrequin et du maneton et dans le sens de rotation du vilebrequin. Selon un deuxième mode de réalisation, le rayon de l'arbre Ra est constant sur une moitié de l'arbre, et comporte une seule zone de courbure réduite. Ce palier est particulièrement adapté pour une application dans laquelle l'arbre est soumis à un effort sensiblement constant en sens et direction. C'est par exemple le cas d'un palier d'arbre d'équilibrage. L'invention sera mieux comprise et d'autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, la description faisant référence aux dessins annexés parmi lesquels: - la figure 1 est une vue en coupe d'un moteur, la coupe étant réalisée perpendiculairement à l'axe d'un vilebrequin; la figure 2 est un détail de la figure 1 d'un palier conforme à l'invention selon la première variante d'un premier mode de réalisation; la figure 3 est un graphique représentant la charge sur le palier de la figure 1 au cours du 5 fonctionnement; la figure 4 est un graphique représentant le jeu minimal entre l'arbre et son logement en fonction de la position du vilebrequin; la figure 5 est une vue en coupe d'un arbre selon 10 une deuxième variante du premier mode de réalisation; - la figure 6 est une vue en coupe d'un arbre selon un deuxième mode de réalisation de l'invention. Dans un premier mode de réalisation de l'invention, montré sur les figures 1 et 2, un moteur 1 comporte un vilebrequin 2, comportant un maneton 21 sur lequel est montée une bielle 3 entraînant un piston 4, ledit piston 4 étant destiné à coulisser dans un cylindre 5. Le vilebrequin est rotatif dans le sens de la flèche S. Le moteur 1 peut comporter d'autres ensembles piston et bielle, mais un seul ensemble est représenté sur la figure 1. Le maneton 21 est monté rotatif dans un logement 31 de la bielle d'axe M, ce logement étant un oeil de la bielle. Le vilebrequin 2 est monté rotatif autour d'un axe de vilebrequin V. Un repère (Xv, Yv) est lié au vilebrequin, l'origine de ce repère étant sur l'axe de maneton M, l'axe des abscisses Xv étant orienté perpendiculairement au plan contenant l'axe de maneton et l'axe de vilebrequin V. En conséquence, l'axe des ordonnées Yv, dans le plan formé par l'axe de maneton et l'axe de vilebrequin, est orienté vers l'extérieur du vilebrequin. La position du vilebrequin 2 est repérée par un angle de vilebrequin av, mesuré entre l'axe du cylindre et l'axe des ordonnées Yv. Un repère de bielle (Xb, Yb), lié à la bielle, est également utilisé. Ce repère de bielle comporte un axe des abscisses Xb et un axe des ordonnées Yb dont l'origine est sur l'axe de maneton M. L'axe des ordonnées Yb est orienté depuis l'origine vers l'axe du deuxième oeil de la bielle 3 sur lequel le piston 4 est articulé. La figure 2 montre en détail le palier entre le maneton 21 et la bielle 3. On y a représenté un cercle théorique 23 de rayon nominal R. Le maneton 21 a une section dont le contour extérieur 22 présente des ondulations par rapport au cercle théorique 23. Ces variations sont représentées de manière exagérée sur la figure 2. Dans une première variante du premier mode de réalisation, ici décrite, le maneton a une équation en coordonnées polaire, définie dans le repère Xv, Yv par: Ra = R + a2. cos(20 + a + -) . Le contour extérieur de la section 22 a ainsi une forme d'ellipse dont un grand axe A est décalé d'un angle de déphasage a par rapport à l'axe des ordonnées Yv. Le maneton 21 comporte donc une zone de courbure réduite 24, là où le rayon local du contour de la section du maneton est réduit d'une distance a2. Le logement 31 a un rayon intérieur Ri supérieur au rayon du maneton R augmenté de l'amplitude a2. Le graphique de la figure 3 montre un exemple de charge de la bielle par le maneton. La courbe 41 représente le chargement de la bielle selon l'axe des ordonnées Yb, tandis que la courbe 42 représente un chargement selon l'axe des abscisses Xb, le chargement étant fonction de la position angulaire du vilebrequin av. La courbe 41 comporte un maximum de charge 40 sensiblement lorsque le piston est au point mort haut, correspondant à la phase de combustion et au début de la détente. Le graphique de la figure 4 représente le jeu minimal existant entre le maneton et son logement lors de la rotation du vilebrequin. Les valeurs numériques correspondent à un palier de diamètre nominal 48 mm, avec un jeu au diamètre de 25 pm, une amplitude a2 de 7 pm et un déphasage a égal à 70 degrés. Le chargement est celui montré par le diagramme de la figure 3. La courbe 43 de la figure 4 correspond au cas où le maneton serait parfaitement circulaire tandis que la courbe 44 correspond à un maneton 21 conforme à l'invention. On constate que le minimum 45 de la courbe 43 est inférieur au minimum 46 de la courbe 44. Ainsi, grâce à l'invention, à conditions de fonctionnement équivalentes, l'épaisseur minimale de film de lubrifiant pendant la rotation du maneton 21 conforme à l'invention (1,04 pm) est supérieure à l'épaisseur minimale de film dans un palier comportant un maneton selon l'art antérieur (0,67 um). Une deuxième variante du premier mode de réalisation est montrée sur la figure 5. Cette variante correspond à un arbre dont la périphérie de la section 50 est définie par une équation dite multiharmonique conforme à l'équation suivante: Ra = R + I an. cos(n 9 + (pn) , n?2 avec a : amplitude d'une harmonique d'ordre n, et cpn: déphasage par rapport à une origine. En comparant la périphérie 50 de l'arbre 51 à un cercle parfaitement circulaire 53, on constate que l'arbre comporte quatre zones de courbures réduites 54. Ce type d'arbre est adapté à un cas de chargement où la charge comporte plusieurs cycles au cours d'une rotation de l'arbre sur un tour. Selon un deuxième mode de réalisation de l'invention, on réalise un arbre 61 dont une moitié 64 est parfaitement circulaire tandis qu'une deuxième moitié 60 est, par exemple, de forme elliptique. En observant la forme de l'arbre 61, on constate que la zone 60 est de courbure réduite par rapport à un cercle parfaitement circulaire 63. L'arbre 61 est adapté au cas d'un palier où l'arbre reçoit une force essentiellement constante, en direction et en sens, selon la flèche F. L'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exemple. Elle s'applique à tous types de paliers hydrodynamiques. D'autres formes d'arbres pourront être imaginées en fonction de la variation de la charge au cours d'un cycle de rotation. REVENDICATIONS 1. Palier hydrodynamique comportant un arbre (21) monté rotatif dans un logement cylindrique (31), un jeu étant ménagé entre l'arbre (21) et le logement (31) pour qu'un film de lubrifiant s'interpose pendant le mouvement relatif de l'arbre et du logement, caractérisé en ce que l'arbre (21) comporte au moins une zone de courbure réduite (24) orientée de telle sorte qu'un effort maximal (40) prévu soit dirigé vers ladite zone de courbure réduite (24). 2. Palier selon la revendication 1, caractérisé en ce que le rayon de l'arbre Ra s'exprime en coordonnées polaires selon l'équation: Ra = R + Ean. cos(nO+ çn) , avec R: rayon nominal, an n?2 amplitude d'une harmonique d'ordre n, et 3. Palier selon la revendication 2, caractérisé en ce que le rayon de l'arbre Ra s'exprime en coordonnées polaires selon l'équation: Ra = R + a2. cos(29 + a + 2-). 4. Palier selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'amplitude de l'harmonique d'ordre 2 a une valeur comprise entre un tiers et deux tiers de la différence entre le rayon intérieur Ri du logement et le rayon nominal R. 5. Palier selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'arbre est un maneton (21) de vilebrequin (2) et le logement est un oeil (31) de bielle (3), le déphasage a est de 70 mesurés par rapport à un plan contenant les axes du vilebrequin (V) et du maneton (M) et dans le sens de rotation du vilebrequin (2). 6. Palier selon la revendication 1, caractérisé en ce que le rayon de l'arbre Ra est constant sur une moitié de l'arbre (6), ledit arbre comportant une seule zone de courbure réduite (60).