Brevet FR2870903A1 — publié le 20051202

Moteur thermique alternatif comportant des arbres d'équilibrage entraînés en rotation par le vilebrequin. La présente invention concerne les moteurs à combustion interne comportant des arbres d'équilibrage entraînés en rotation par le vilebrequin. Les efforts dues aux explosions dans les cylindres, et l'inertie des pièces en mouvement, provoquent des vibrations et des bruits que l'on cherche à réduire par l'utilisation d'arbres d'équilibrage. Couramment, on utilise deux arbres d'équilibrage entraînés en rotation de sens contraire par le vilebrequin. Les caractéristiques massiques et géométriques de ces arbres et leur vitesse de rotation, sont déterminées pour compenser les effets des efforts induits sur les différents éléments du moteur suite au déplacement alternatif des pistons. Par ailleurs, le couple et la vitesse instantanée du vilebrequin ne 20 un tour, ce phénomène fonctionnement classique de sont pas constants sur étant inhérent au ces moteurs, et ces variations peuvent se répercuter sur les arbres d'équilibrage, en transmettant à ceux ci un couple de torsion variable, pouvant occasionner des bruits ou des vibrations préjudiciables au moteur. Il a déjà été tenté de réduire la transmission de ces vibrations entre le vilebrequin et les arbres d'équilibrages, pour éviter que ces vibrations se transmettent à d'autres éléments du moteur. On connaît par exemple, par les documents EP-0987472 et US-6283076, des systèmes d'entraînement par chaînes des arbres d'équilibrages. Dans le document US-6283076, pour absorber des vibrations susceptibles d'être générées par le vilebrequin, la roue dentée d'entraînement de la chaîne, est montée sur le vilebrequin avec une liaison en rotation assurée via des éléments en élastomère disposés entre la roue dentée et un moyeu solidaire du vilebrequin. On vise ainsi à absorber les vibrations du vilebrequin et empêcher leur transmission à la roue dentée d'entraînement et de là à la chaîne et aux arbres d'équilibrage. Dans le document EP-0987472, on utilise dans le même but d'absorption des vibrations un ressort en hélice placé entre un moyeu solidaire du vilebrequin et la roue dentée d'entraînement. Ce ressort est situé dans un plan perpendiculaire à l'axe du vilebrequin, entre le dit moyeu et la roue dentée qui est elle-même montée tournante sur le moyeu. Couramment cependant, les arbres d'équilibrage sont entraînés en rotation par un système d'engrenage comportant une couronne dentée solidaire du vilebrequin qui engrène avec une roue dentée solidaire d'un des arbres d'équilibrage, et le deuxième arbre est entraîné par le premier également par un couple d'engrenages. De manière également classique, tous ces engrenages sont à denture hélicoïdale. Du fait des irrégularités de rotation du vilebrequin, et de l'inertie des arbres d'équilibrages, les couples transmis sont fortement variables, conduisant à des problèmes de couples dynamiques élevés. De plus, du fait des inévitables jeux entre dentures, les variations de couple provoquent des chocs entre les dentures de la couronne et de la roue, qui génèrent des problèmes acoustiques. Actuellement, on amoindrit ces problèmes en réalisant le système d'entraînement avec une grande précision dimensionnelle, pour réduire les jeux, mais cela est coûteux et ne supprime pas les fortes variations de couple d'entraînement. La présente invention a pour but de résoudre ces problèmes et vise en particulier à fournir un système d'entraînement des arbres d'équilibrage permettant de réduire les couple dynamiques sur les engrenages et de supprimer les vibrations et bruits, dans une solution simple et économique. Avec ces objectifs en vue, l'invention a pour objet un système d'entraînement des arbres d'équilibrage d'un moteur à combustion interne, le système comprenant au moins un arbre d'équilibrage entraîné en rotation par un vilebrequin au moyen d'organes de transmission de couple comportant notamment une roue montée coaxialement sur l'arbre d'équilibrage pour entraîner celui-ci en rotation. Selon l'invention, le système d'entraînement est caractérisé en ce que la roue est montée 2870903 4 tournante sur l'arbre d'équilibrage et la liaison en rotation entre la roue et l'arbre d'équilibrage est assurée par un ressort de torsion compression en hélice cylindrique, coaxial avec l'arbre et ayant une extrémité liée avec la roue et l'autre avec l'arbre pour transmettre le couple de rotation de la roue à l'arbre, et le ressort exerçant par ailleurs sur la roue un effort de poussée axiale de manière à maintenir la roue en appui contre une butée axiale de l'arbre. Ainsi, l'utilisation du ressort selon l'invention permet, de manière similaire à l'art antérieur, de réduire les couples dynamiques d'entraînement des arbres d'équilibrage, dus aux irrégularités cycliques du mouvement de rotation du vilebrequin, ces irrégularités étant généralement appelées acyclismes vilebrequin. Les couples transmis lors de la rotation du vilebrequin ont en effet une composante alternée, c'est à dire que sur un cycle moteur complet, soit deux tours de vilebrequin sur un moteur à quatre temps, le couple transmis par la couronne dentée du vilebrequin à la roue dentée de l'arbre d'équilibrage change de signe, passant d'un couple moteur à un couple résistant De plus, selon l'invention, c'est ce même ressort qui est utilisé pour plaquer la roue contre la butée axiale solidaire de l'arbre, supprimant ainsi tout jeu axial cause de bruits ou vibrations. La denture des engrenages utilisés est généralement hélicoïdale, ce qui temps à exercer sur la roue dentée un effort axial, mais comme la valeur du couple est elle-même alternée, cet effort axial est lui aussi alterné, tendant ainsi à déplacer axialement la roue sur l'arbre dans la mesure du jeu axial fonctionnel requis. Ce jeu fonctionnel, même s'il reste faible, ne peut être totalement supprimé, et l'effort axial de poussée exercé par le ressort selon l'invention permet de rattraper ce jeu en permanence en plaquant la roue contre la dite butée axiale. Tout choc axial est ainsi évité. De plus, l'utilisation du ressort selon l'invention permet de créer un amortissement dynamique par le frottement engendré entre roue et arbre du fait de la poussée axiale exercée par la roue sur la butée axiale solidaire de l'arbre, ce frottement tendant à contrarier le pivotement de la roue sur l'arbre, et donc à amortir les effets des brusques augmentations de couple ou des retours élastiques de la roue par rapport à l'arbre lorsque ce couple cesse ou s'inverse. Par la combinaison de ces différents effets, on a pu constater que l'invention permettait de réduire très considérablement le couple dynamique maximum à la liaison entre la roue et l'arbre, en le faisant passer par exemple de 125 Nm, constaté dans le cas d'un entraînement direct, à seulement 1,7 Nm lors de l'utilisation d'un ressort, conformément à l'invention. On notera incidemment que le régime où ce couple est maximal est aussi modifié : alors que, sans l'invention, c'est plutôt à haut régime que ce couple est maximal, et dépasse 100 Nm par exemple à partir de 4500 tours/mn, la mise en oeuvre de l'invention permet de presque annuler ce couple à haut régime, le couple maximum, réduit à moins de 3 Nm, étant alors rencontré à faible régime, de l'ordre de 750 tours/mn. Une conséquence est que finalement le ressort utilisé peut avoir des dimensions faibles, puisque le couple à transmettre en utilisation courante est lui-même faible, et que de ce fait, l'effort axial nécessaire pour assurer l'appui de la roue contre la butée est lui aussi faible, de l'ordre par exemple de N. Un autre avantage résultant de la forte réduction de couple obtenue par rapport aux systèmes selon l'art antérieur est que les roues dentées peuvent être réalisées en matière plastique ou composite, matériaux qui génèrent naturellement moins de bruit sous choc, par rapport à une denture métallique. Il peut d'ailleurs suffire que l'une des dentures, celle de la couronne de vilebrequin ou celle de la roue d'arbre d'équilibrage, soit ainsi réalisée en matière plastique ou composite, l'autre restant métallique. L'utilisation de tels matériaux pour la roue dentée présente par ailleurs un avantage complémentaire en réduisant la masse des pièces en mouvement et donc l'inertie en rotation de la roue dentée, ce qui participe aussi à la réduction des couples dynamiques entre couronne et roue dentée. Selon un premier mode de réalisation de l'invention, la butée axiale est une rondelle fixée sur une extrémité de l'arbre, par exemple serrée contre un épaulement d'extrémité par un écrou. Préférentiellement, la roue est alors montée entre un autre épaulement de l'arbre et la rondelle, avec un jeu axial fonctionnel minimum. Selon un autre mode de réalisation, la butée axiale est un épaulement de l'arbre, et c'est le seul ressort qui maintient le positionnement axial de la roue, en appui contre le dit épaulement. Selon une disposition particulière, le ressort est formé d'un fil dont l'extrémité située du côté de la roue est repliée selon la direction axiale de l'arbre et pénètre dans un orifice réalisé sur le flanc de la roue. De manière similaire, l'extrémité du ressort située du côté opposé à la roue est préférentiellement repliée selon la direction axiale de l'arbre et pénètre dans un orifice d'une collerette de l'arbre ou d'une rondelle d'appui fixée sur l'arbre. On obtient ainsi de manière simple la liaison requise entre la roue et le ressort pour transmettre le couple reçu par la roue aux arbres d'équilibrage. Alternativement, l'extrémité du ressort située du côté opposé à la roue peut être repliée selon la direction radiale de l'arbre et être alors insérée dans un orifice radial de l'arbre. Cette variante peut simplifier la réalisation, en ne nécessitant que le perçage de ce trou sensiblement radial, qui assure ainsi la liaison du ressort avec l'arbre tant en rotation qu'en direction axiale. Selon une autre disposition préférée, l'arbre comporte une clavette et la roue comporte un dégagement sur un arc de cercle, dans lequel la clavette est placée, avec une possibilité de débattement circonférentiel prédéterminée. Les extrémités de ce dégagement constituent alors des butées de rotation qui limitent la course angulaire de déformation du ressort. Ceci permet alors de protéger le ressort de couples exceptionnellement élevés, qui pourraient survenir par exemple lors d'un démarrage du moteur à très basse température, l'huile de lubrification étant alors très visqueuse sinon même figée, et freinant fortement les arbres d'équilibrage. Selon une disposition complémentaire, une bague plastique, qui peut être fendue ou en deux parties pour faciliter sa mise en place, peut être placée entre le ressort et l'arbre, ceci afin de protéger le ressort et limiter l'action des modes de résonance interne du ressort. Pour améliorer la lubrification entre roue et arbres, l'arbre peut comporte des canaux d'alimentation en huile débouchant à l'interface entre la roue et l'arbre. On pourrait aussi placer à cette interface un revêtement anti-usure. D'autres caractéristiques et avantages apparaîtront dans la description qui va être faite de plusieurs modes de réalisation du mécanisme d'entraînement des arbres d'équilibrages d'un moteur thermique alternatif, conforme à l'invention. On se reportera aux dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 est une représentation schématique de l'entraînement des arbres d'équilibrage par le vilebrequin, - la figure 2 est une vue montrant la liaison 5 entre la roue dentée et l'arbre d'équilibrage, selon un premier mode de réalisation, - la figure 3 est une vue montrant la liaison entre la roue dentée et l'arbre d'équilibrage, selon un deuxième mode de réalisation, la figure 4 illustre une variante de deuxième mode de réalisation, - la figure 5 est une vue ne coupe de détail illustrant des moyens de butée en rotation complémentaire entre roue dentée et arbre. Sur le schéma de la figure 1, on a représenté seulement l'extrémité du vilebrequin 1 du moteur, portant la couronne dentée 2, qui engrène avec une roue dentée 3 d'entraînement en rotation des arbres d'équilibrage 4 et 5. Le deuxième arbre d'équilibrage est entraîné par le premier par un couple de roues dentées 6, 7. La liaison en rotation entre la roue dentée 3 et l'arbre d'équilibrage 4 est assurée, conformément à l'invention, au moyen d'un ressort de torsion compression en hélice cylindrique 10, très schématiquement représenté figure 1. Dans le premier mode de réalisation de la figure 2, la roue dentée 3 est montée libre en rotation sur une portée d'extrémité 41 de l'arbre 4, entre un épaulement 42 et une rondelle de butée 20 serrée contre un second épaulement 43 par un écrou 21. Le ressort 10 est placé autour de l'arbre 4, entre une collerette 44 solidaire de l'arbre 4 et la roue 3, en étant axialement comprimé pour maintenir celle-ci plaquée contre la rondelle de butée 20. Une première extrémité 11 du fil constituant le ressort est repliée parallèlement à l'axe de l'arbre 4 et insérée dans un trou 32 percé dans le flanc 31 de la roue 3. La deuxième extrémité 12 du ressort 11 est également repliée selon la direction axiale de l'arbre et est insérée dans un trou 45 foré dans la collerette 44. Un jeu diamétral prédéterminé est ménagé entre le ressort et l'arbre, pour autoriser une contraction libre du ressort lors de ses mouvements de torsion, quand la roue 3 pivote sur l'arbre 4, et pour maintenir la pression d'appui axial de la roue 3 contre la rondelle de butée 20. Dans le deuxième mode de réalisation illustré à la figure 3, la roue dentée 3 est montée libre en rotation sur une portée d'extrémité 46 de l'arbre 4, et maintenue par le ressort 10 en appui contre la butée axiale, constituée ici par une collerette de butée 47 solidaire de l'arbre 4. Le ressort 10 est placé autour de l'extrémité de l'arbre 4, axialement comprimé entre la roue 3 et une rondelle d'appui 22 serrée contre un épaulement 43 de l'arbre par un écrou 21, pour maintenir la roue 3 plaquée contre la collerette de butée 20. Comme dans le premier mode de réalisation, une première extrémité 11 du fil constituant le ressort est repliée parallèlement à l'axe de l'arbre 4 et insérée dans un trou 32 percé dans le flanc 31 de la roue 3. La deuxième extrémité 12 du ressort 11 est également repliée selon la direction axiale de l'arbre et est insérée dans un embrèvement 23 réalisé dans la rondelle 22. On notera que dans ce mode de réalisation, la rondelle d'appui 22 est indexée angulairement sur l'arbre lors du montage, pour assurer le positionnement angulaire correct de la roue par rapport aux arbres d'équilibrage. Sur la figure 4, on a représenté une variante du deuxième mode de réalisation de la figure 3, qui présente en complément: - une bague 50, en matière plastique, placée entre le ressort 10 et l'arbre 4. La longueur de cette bague est par ailleurs adaptée pour limiter le débattement axial de la roue en cas de forte compression du ressort, tout en laissant un jeu axial fonctionnel. - des trous de lubrification 48 forés dans l'arbre d'équilibrage 4 et débouchant dans l'alésage de la roue 3. Préférentiellement, comme représenté figure 5, une clavette 60, ou organe similaire, est placée sur l'arbre d'équilibrage 4 au niveau de la roue dentée 3, l'alésage 35 de celle-ci comportant un dégagement 36 dans lequel la clavette est logée. Les extrémités 37 de ce dégagement constituent alors des butées de rotation pour la clavette 60, qui limitent le débattement angulaire de l'arbre 4 par rapport à la roue, et limitent donc la course angulaire de déformation du ressort, comme indiqué précédemment. Bien que l'invention s'applique préférentiellement à un entraînement des arbres d'équilibrage par des engrenages, elle peut également être utilisée dans des moteurs utilisant un entraînement par chaîne ou par courroie synchrone. Elle s'applique en particulier pour les moteurs à quatre cylindres, mais peut aussi être mise en uvre pour tous les types de moteurs thermiques alternatifs. REVENDICATIONS 1. Système d'entraînement des arbres d'équilibrage d'un moteur à combustion interne, le système comprenant au moins un arbre d'équilibrage (4) entraîné en rotation par un vilebrequin (1) au moyen d'organes de transmission de couple comportant notamment une roue (3) montée coaxialement sur l'arbre d'équilibrage pour entraîner celui-ci en rotation, caractérisé en ce que la roue (3) est montée tournante sur l'arbre d'équilibrage (4) et la liaison en rotation entre la roue et l'arbre d'équilibrage est assurée par un ressort de torsion compression (10) en hélice cylindrique, coaxial avec l'arbre d'équilibrage (4) et ayant une extrémité (11) liée avec la roue et l'autre extrémité (12) liée avec l'arbre d'équilibrage pour transmettre le couple de rotation de la roue à l'arbre d'équilibrage, et le ressort exerçant sur la roue un effort de poussée axiale de manière à maintenir la roue dentée (3) en appui contre une butée axiale {20, 47) de l'arbre d'équilibrage. 2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que la butée axiale est une rondelle (20) fixée sur une extrémité de l'arbre (4). 3. Système selon la revendication 2, caractérisé en ce que la roue (3) est montée entre un épaulement (42) de l'arbre (4) et la rondelle (20). 4. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que la butée axiale est un épaulement (47) de l'arbre (4). 5. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que le ressort (10) est formé d'un fil dont l'extrémité (11) située du côté de la roue (3) est repliée selon la direction axiale de l'arbre et pénètre dans un orifice (32) réalisé sur le flanc (31) de la roue. 6. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que le ressort (10) est formé d'un fil dont l'extrémité (12) située du côté opposé à la roue (3) est repliée selon la direction axiale de l'arbre et pénètre dans un orifice (45; 23) d'une collerette (44) de l'arbre (4) ou d'une rondelle d'appui (22) fixée sur l'arbre. 7. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que le ressort (10) est formé d'un fil dont l'extrémité (12) située du côté opposé à la roue est repliée selon la direction radiale de l'arbre et pénètre dans un orifice radial de l'arbre (4). 8. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'arbre comporte une clavette (60) et la roue (3) comporte un dégagement (36) sur un arc de cercle, dans lequel la clavette est placée, avec une possibilité de débattement circonférentiel prédéterminée. 9. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que une bague plastique (50) est placée entre le ressort (10) et l'arbre (4). 10. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'arbre (4) comporte des canaux (48) d'alimentation en huile débouchant à l'interface entre la roue (3) et l'arbre (4).