Brevet FR3002587A1 — publié le 20140829

COUSSINETS JUMEAUX DE VILEBREQUIN Domaine technique de l'invention La présente invention concerne le domaine des véhicules automobiles 5 et notamment des moteurs desdits véhicules. La présente invention concerne notamment la lubrification des paliers de vilebrequin disposés dans les moteurs à combustion interne ou thermique présentant un fort taux de compression. L'invention concerne également un vilebrequin de moteur à combustion interne entouré par un coussinet entouré 10 par un palier. Etat de la technique Les moteurs à combustion interne de véhicule automobile comprennent en général une culasse et un carter cylindres comprenant au moins un cylindre 15 dans lequel coulisse selon un mouvement de va et vient un piston relié par une bielle à un vilebrequin au niveau d'un maneton. Le vilebrequin comprend au moins un tourillon et au moins un maneton dont les axes sont parallèles à l'axe longitudinal du vilebrequin. Le vilebrequin est monté mobile en rotation dans une chambre de 20 bielles dans laquelle débouche le cylindre. L'axe du vilebrequin est maintenu en position dans la chambre de bielles par un palier de ligne fixé dans la paroi de la chambre de bielles comprenant un palier et un chapeau de palier adaptés à entourer le tourillon du vilebrequin. Le vilebrequin tournant à des hautes vitesses de rotation (de 800 tours/mn à plus de 5000 tours/mn), les zones de 25 contact entre le tourillon du vilebrequin et l'ensemble palier-chapeau de palier doivent être lubrifiées en conséquence ainsi que celles entre le maneton et la bielle afin de réduire les frottements pouvant entrainer des surchauffes des différents organes et des surconsommations de carburant. De l'huile est donc amenée vers les dites zones de contact, depuis une 30 rampe à huile principale aménagée dans le carter cylindres, par un conduit percé dans le palier qui débouche dans la paroi circulaire du palier en regard avec le tourillon du vilebrequin. Un conduit intermédiaire est également percé dans le vilebrequin pour relier la paroi du tourillon en contact avec le palier, et la paroi du maneton. L'huile amenée jusqu'à la paroi du palier en contact avec le tourillon lubrifie d'abord la zone de contact entre le tourillon et le palier, puis une partie de l'huile est dirigée depuis la paroi du tourillon vers la paroi du maneton afin de lubrifier la zone de contact du maneton avec la bielle. De manière connue, un coussinet supérieur est disposé fixe entre le palier et le tourillon contre la paroi circulaire du palier et il est formé par un demi-cylindre unique. Un coussinet inférieur est disposé fixe entre le chapeau de palier et le tourillon contre la paroi circulaire du chapeau de palier. Les deux coussinets sont adaptés à entourer la paroi cylindrique du tourillon. Le coussinet supérieur comporte au moins un trou radial qui est connecté avec le conduit d'amenée d'huile. Une rainure circulaire est creusée sur sa paroi circulaire interne en regard avec le tourillon et dans laquelle débouche le au moins un trou radial, ladite rainure étant destinée à diriger la circulation d'huile sur une portion de surface du tourillon. Le coussinet inférieur est formé par un demi-cylindre unique, plein et complémentaire avec le coussinet supérieur pour entourer le tourillon. Un inconvénient de ce système est que l'huile amenée par le conduit d'amenée d'huile jusqu'à la paroi du palier est inégalement répartie sur toute la surface intérieure des deux coussinets supérieur et inférieur, ce qui entraine un contact direct entre lesdits coussinets supérieur et inférieur et le tourillon selon les états de charge ou de vitesse de rotation du moteur. Ce contact direct peut alors entrainer un échauffement des pièces conduisant à leur détérioration et destruction. Un autre inconvénient est une rotation des coussinets supérieur et inférieur autour de l'axe de révolution du tourillon dans leur logement, ce qui entraine une obturation d'une communication entre le conduit d'amenée d'huile et la rainure dans le coussinet supérieur et donc une mauvaise circulation d'huile vers le maneton conduisant à un frottement entre le maneton et une tête de bielle entourant le maneton et un grippage des deux pièces amenant rapidement à leur destruction et en particulier de ladite bielle. Dans le cas d'un moteur à quatre cylindres, le vilebrequin est maintenu en position dans la chambre de bielles par au moins cinq points de fixation ou paliers de ligne du carter-cylindres, chaque palier de ligne étant formé par un palier et chapeau de palier. Le palier de ligne médian est le siège de problèmes de lubrification avec la plus grande amplitude entre le vilebrequin et les coussinets supérieur et inférieur. En effet, pendant une phase de fonctionnement du moteur le vilebrequin est mobile radialement entre les parois circulaires internes des coussinets supérieur et inférieur. Deux modes de fonctionnement du moteur impactent fortement la fiabilité des coussinets et donc la lubrification du vilebrequin et des bielles selon les types de moteurs. En fonctionnement normal, le moteur étant en charge avec des régimes moteurs inférieurs au régime de couple maximum, sensiblement inférieurs à 3000 trs/mn, des forces de compression très importantes pouvant varier de 30 kN à 100 kN, dues à la poussée des gaz sur le piston poussent sur le maneton et donc en conséquence impactent les coussinets inférieurs de paliers de ligne. Ces valeurs de forces de compression se retrouvent essentiellement sur des moteurs présentant de forts taux de compression dans les cylindres, 20 par exemple les moteurs diesel ou des moteurs essence de grande puissance destinés à une utilisation 'sportive'. En lever de pied, par contre, les cylindres n'étant pas remplis de mélange gazeux (pas de sollicitation), le vilebrequin est entrainé en rotation surtout par des forces d'inertie par l'avancement du véhicule et la rotation des 25 roues et davantage si le véhicule se trouve selon une pente descendante. Les régimes du moteur peuvent ainsi dépasser le point de couple maximal à environ 4000 trs/mn. Les forces d'inertie sont de l'ordre de 20 à 30 kN et tirent sur le maneton et par conséquent impactent les coussinets supérieurs de paliers de ligne. 30 Pour d'autres moteurs avec des taux de compression moins élevés, par exemple les moteurs essence communs, les forces de compression sont beaucoup moins élevées de l'ordre de 30 kN au lieu des 100 kN précédemment rencontrés. Les impacts sur les manetons sont donc sensiblement équivalents aux impacts des forces d'inertie et donc les coussinets inférieurs sont sollicités de façon équivalente aux coussinets supérieurs. Ainsi lors d'une phase de charge, sous la pression des gaz, le vilebrequin appuie sur le coussinet inférieur : le tourillon prend alors une position basse dans le palier de ligne et appuie sur le coussinet inférieur qui est alors le siège d'efforts importants. De l'huile s'écoule depuis la circulation d'huile dans le coussinet supérieur et un film d'huile se forme entre le tourillon du vilebrequin et le coussinet inférieur. Dans la zone de contact entre les deux éléments , le film d'huile présente une pression d'huile très importante générant une force de réaction pour s'opposer à l'appui du vilebrequin sur cette partie de coussinet inférieur. La pression d'huile est maximale au centre de la zone de contact et minimale en bordure de ladite zone et notamment en bordure latérale du coussinet ce qui entraine une fuite d'huile en bordure du coussinet. La force de réaction dépend du profil de variation de la pression d'huile dans ladite zone d'appui et de la surface d'appui de ladite zone. Au contraire, lors d'une phase rétro se produisant par exemple lors d'un lever de pied ou lors d'un rétrogradage de vitesse de 6e ou 5e à 3e, entrainant une forte accélération en rotation du vilebrequin, la force d'inertie tire sur le maneton et le vilebrequin monte dans le palier de ligne. Le tourillon appuie donc sur le coussinet supérieur qui comprend un canal annulaire de lubrification disposé de façon médiane selon la largeur du coussinet. La zone d'appui est formée de deux zones de contact disposées sur chaque partie du coussinet supérieur séparée par le canal annulaire de lubrification. La pression du film d'huile dans la zone de contact est maximale au centre de chaque zone de contact et minimale en bordure de ladite zone. La force de réaction générée par le film d'huile est la résultante des deux forces générées dans les deux zones de contact. On peut noter que les valeurs maximales de pression dans la zone de contact sont plus importantes pour un coussinet présentant une discontinuité tel un canal de lubrification que dans la zone d'appui unique pour un coussinet plein. 3002 587 5 Un autre inconvénient d'une mauvaise lubrification est la rotation des coussinets autour l'axe du tourillon. Un contact entre les pièces métalliques entraine un martèlement radial du vilebrequin contre les parois des coussinets supérieur et inférieur pouvant amener à une rotation du coussinet. 5 La publication FR2622922 divulgue un vilebrequin comportant au moins un tourillon entouré par un coussinet et relié par un canal de circulation d'huile creusé dans le vilebrequin vers la paroi d'un maneton qui comporte une cavité au débouché du canal de circulation. Ladite cavité est destinée à améliorer la lubrification du maneton lors des phases de charge du moteur. Ladite 10 publication ne divulgue pas de mode de lubrification de la partie inférieure du coussinet qui en cas de manque de lubrification peut entrainer une déformation du coussinet et un dysfonctionnement de la lubrification du vilebrequin. Un but de l'invention est de pallier ces inconvénients et l'invention a pour objet un dispositif de palier de vilebrequin avec une lubrification homogène 15 du tourillon entouré par des coussinets supérieur et inférieur présentant une circulation d'huile vers les zones de contact optimisée. Bref résumé de l'invention Dans ce but, l'invention propose un dispositif de palier de vilebrequin de 20 moteur à combustion interne fonctionnant avec de forts taux de compression, le dispositif comprend : - un vilebrequin comportant au moins un tourillon, - un palier fixé au carter cylindres et un chapeau de palier complémentaire destinés à entourer le tourillon, le palier comportant un conduit 25 d'amenée d'huile, - un coussinet supérieur et un coussinet inférieur semi-cylindriques et complémentaires entourant un tourillon du vilebrequin, caractérisé en ce que les coussinets supérieur et inférieur comprennent chacun deux demi-cylindres identiques disposés en vis-à-vis et séparés par un 30 espace annulaire. De manière avantageuse, la circulation d'huile est effective au moins par l'espace annulaire entre les demi-cylindres entourant le tourillon. Selon d'autres caractéristiques de l'invention : - le conduit d'amenée d'huile débouche dans l'espace annulaire médian dans le coussinet supérieur. De manière avantageuse, le débouché du conduit d'amenée d'huile est disposé au milieu de la paroi intérieure du palier de vilebrequin en coïncidence avec le canal de lubrification entourant le tourillon. - l'espace annulaire a une largeur comprise entre 3 et 15% de la largeur totale du coussinet. De manière avantageuse, la largeur de l'espace annulaire est minime et reste dans les limites de tolérance mécanique. - les bords diamétralement opposés de chaque demi-cylindre sont en biseau. De manière avantageuse, les demi-cylindres comportent des bords diamétralement opposés en biseau depuis une paroi cylindrique intérieure en regard avec le tourillon vers la paroi cylindrique extérieure en regard du palier et chapeau de palier pour prévenir une rotation des demi cylindres par frottement des bords desdits demi cylindres contre le tourillon. - chaque demi-cylindre du coussinet comporte une encoche adaptée à coopérer dans un creux dans la paroi intérieure du palier de ligne entourant le 20 coussinet De manière avantageuse, les demi-cylindres sont adaptés pour être bloqués en rotation autour de l'axe du vilebrequin. - les demi-cylindres sont maintenus contre la paroi intérieure du palier de ligne par frettage. 25 De manière avantageuse, les demi-cylindres sont adaptés pour être immobiles selon l'axe du vilebrequin. - les demi-cylindres du coussinet inférieur comportent trois couches métalliques. - les demi-cylindres du coussinet inférieur présentent une dureté 30 superficielle supérieure à 80 HV. - les demi-cylindres du coussinet inférieur comportent une couche de polymère. De manière avantageuse, les demi-cylindres du coussinet inférieur sont aptes à supporter une charge importante sensiblement orthogonale au plan de séparation des coussinets inférieur et supérieur. Brève description des figures D'autres objets et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description qui suit, fournie à titre d'exemple de réalisation et faite en référence aux dessins annexés, dans lesquels : La figure 1 est une vue schématique longitudinale d'un vilebrequin maintenu en position par des paliers en ligne. La figure 2 est une vue schématique transversale de coupe de tourillon médian de vilebrequin entouré par un coussinet disposé entre un palier et chapeau de palier selon un fonctionnement en charge d'un moteur thermique. La figure 3 est une vue schématique transversale de coupe de tourillon médian de vilebrequin entouré par un coussinet disposé entre un palier et chapeau de palier selon un fonctionnement rétro du moteur thermique. La figure 4 est une vue schématique de coupe longitudinale de palier de ligne avec des coussinets installés dans ledit palier. Description détaillée des figures Les descriptions qui suivent se réfèrent à l'axe longitudinal X du vilebrequin pour un moteur comprenant quatre cylindres. Il est cependant bien entendu que l'invention n'est pas limitée aux moteurs à 4 cylindres. Les mêmes éléments apparaissant dans des figures différentes gardent 25 les mêmes références. Dans le reste de la description, la largeur d'un demi-cylindre est définie comme la dimension selon l'axe du demi-cylindre. Selon la figure 1, un vilebrequin 10 de moteur 4 cylindres est installé dans une chambre de bielles d'un carter-cylindres (non représentés) et est 30 maintenu en position par cinq paliers 17 et chapeaux de paliers 18 qui forment des paliers de ligne 11. Le palier et chapeau de palier sont fixés dans la paroi de la chambre de bielles et sont adaptés à entourer des tourillons 12 du vilebrequin dont l'axe est sensiblement confondu avec l'axe du vilebrequin X. Le vilebrequin 10 comporte ainsi cinq tourillons ; entre deux tourillons 12 est disposé un maneton 13 dont l'axe est parallèle à l'axe du vilebrequin. Chacun des tourillons 12 est entouré par un coussinet supérieur 14 et un coussinet inférieur 15 disposés respectivement contre la paroi du palier 17 et du chapeau de palier 18. Les quatre tourillons d'extrémité comportent un orifice de canal de lubrification 16 creusé dans le vilebrequin et reliant lesdits tourillons aux manetons pour assurer la lubrification desdits manetons mobiles en rotation à une extrémité de bielles (non représentés). Un canal d'amenée d'huile 19 connecté à une rampe principale d'huile (non représentée) débouche dans le palier de vilebrequin par un orifice 20 disposé de façon médiane entre les bords latéraux du palier. Selon l'invention, représenté en figure 4, le coussinet supérieur 14 comporte deux demi cylindres identiques 14a, 14b adaptés pour être logés contre la paroi cylindrique du palier 17 et dont le diamètre intérieur est légèrement supérieur au diamètre du tourillon 12 du vilebrequin. La circonférence de chaque demi-cylindre est sensiblement égale à la circonférence de la paroi du palier. La largeur d'un demi-cylindre est légèrement inférieure à la moitié de la largeur de la paroi du palier de façon que les demi- cylindres 14a, 14b disposés en vis-à-vis soient séparés l'un de l'autre par un espace annulaire dont la largeur dl est de manière préférentielle de l'ordre de 3 à 15% la largeur de la paroi du palier. Le coussinet inférieur 15 comporte aussi deux demi-cylindres identiques 15a, 15b adaptés à être logés contre la paroi cylindrique du chapeau de palier 18 et dont le diamètre intérieur est légèrement supérieur au diamètre du tourillon 12 du vilebrequin. Lesdits demi-cylindres 15a, 15b sont de formes complémentaires aux demi-cylindres 14a, 14b du coussinet supérieur 14 et sont placés en vis-à-vis de façon à être séparés l'un de l'autre par l'espace annulaire présentant la largeur d1. La circonférence de chaque demi-cylindre est sensiblement égale à la circonférence de la paroi du chapeau de palier. De manière préférentielle, selon la figure 4, chaque demi-cylindre 14a, 14b, 15a, 15b des coussinets supérieur 14 et inférieur 15 comporte à ses deux extrémités diamétralement opposées un biseau 21 depuis la surface circulaire intérieure du demi-cylindre destinée en regard avec le tourillon vers la surface circulaire extérieure sur une faible portion de l'épaisseur radiale du demi-cylindre. Les surfaces circulaires intérieures peuvent présenter une discontinuité à la jonction entre un demi-cylindre 14a, 14b du coussinet supérieur avec un demi-cylindre 15a, 15b du coussinet inférieur, par exemple le demi-cylindre inférieur peut présenter une surface circulaire intérieure légèrement en saillie par rapport à celle du demi-cylindre supérieur. Les biseaux permettent de maitriser la coïncidence des extrémités des demi-cylindres des coussinets à leur contact afin d'éviter une différence de niveau entre les surfaces circulaires intérieures. De manière préférentielle, chaque demi-cylindre de coussinet supérieur ou inférieur comporte un bossage (non représenté) sur la surface circulaire 15 extérieure adapté à coopérer avec un évidement creusé (non représenté) respectivement dans la paroi du palier 17 et du chapeau de palier 18. Le demi-cylindre est alors plus facilement disposé contre la paroi circulaire intérieure du palier ou du chapeau de palier et est maintenu en position dans le logement dans le palier de ligne. 20 Selon les figures 2 et 3, entre la paroi intérieure du coussinet inférieur et la paroi du tourillon, un film d'huile est formé en permanence dont la pression varie depuis une valeur minimale en bordure de la zone d'appui 22 par exemple sur les bords latéraux du coussinet, sensiblement égale à la pression dans la chambre de bielles où est disposé le vilebrequin jusqu'à une valeur maximale 25 de l'ordre de 1000 bar au centre de la zone d'appui. La force résultante de réaction est fonction de ladite variation de pression et de la surface de la zone d'appui. Les demi-cylindres 15a, 15b du coussinet inférieur doivent donc supporter une pression du film d'huile très importante. Ils présentent de manière 30 préférentielle une dureté supérieure aux demi-cylindres du coussinet supérieur. Selon un mode de réalisation, le demi-cylindre 15a, 15b du coussinet inférieur présente une dureté supérieure à 80 HV. Ce niveau de dureté est par exemple obtenu avec le procédé de fabrication des coussinets sputter. Selon un autre mode de réalisation, le demi cylindre 15a, 15b du coussinet inférieur 15 présente au moins trois couches de matériaux différents métalliques par exemple une première couche d'acier destinée à être en contact avec la paroi circulaire du chapeau de palier, surmontée par une couche d'alliage d'aluminium et par une troisième couche galvanique anti friction d'un alliage de cuivre et d'étain ou d'aluminium et d'étain. Selon un autre mode de réalisation la troisième couche peut comporter un composé polymère tel que le polyam ide-im ide (PAI). Le vilebrequin 10 est monté mobile en rotation dans une chambre de bielles (non représentée) et le palier 17 est fixé à une paroi de ladite chambre de bielle. Le palier 17 et le chapeau de palier 18 comportent chacun un évidement semi-cylindrique représenté par une paroi interne semi-cylindrique 23 dont le diamètre est supérieur au diamètre extérieur du tourillon 14 et ils sont fixés l'un à l'autre de façon à former un logement cylindrique adapté à entourer le tourillon 12. Les demi-cylindres 14a, 14b, 15a, 15b des coussinets supérieur 14 et inférieur 15 sont disposés dans le logement dans le palier 11 de ligne de manière à être séparés par un espace annulaire 24 dans lequel débouche un orifice 20 de conduit d'huile 19 provenant de la rampe principale d'huile. Un canal de lubrification est formé par l'espace 24 compris entre les demi-cylindres 14a, 14b du coussinet supérieur et se poursuit dans l'espace entre les demi- cylindres 15a, 15b du coussinet inférieur. Il est donc continu tout autour du tourillon 12. L'huile circule donc depuis la rampe dans le conduit, débouche dans le canal de lubrification formé par ledit espace annulaire 24 et est entrainée par la rotation du vilebrequin 10 dans ledit canal autour du tourillon. L'orifice du canal intermédiaire 16 creusé dans le vilebrequin coïncide avec ledit canal de lubrification 24 et il est donc à tout moment libéré. L'huile peut circuler vers le maneton pour lubrifier le contact entre le maneton et la bielle. L'objectif de la présente invention est atteint : - le canal de lubrification 24 est continu tout autour du tourillon 12 permettant une lubrification des zones de contact tout autour du tourillon, - le circuit de circulation intermédiaire 16 vers les manetons est alimenté depuis le coussinet supérieur 14 ou depuis le coussinet inférieur 15 ce qui permet une lubrification permanente des manetons. REVENDICATIONS1. Système de lubrification de vilebrequin (10) de moteur à combustion interne, le système comporte : - un vilebrequin (10) comportant au moins un tourillon (12), - un palier (17) fixé au carter cylindres et un chapeau de palier (18) complémentaire destinés à entourer le tourillon, le palier comportant un conduit (19) d'amenée d'huile, - un coussinet supérieur (14) et un coussinet inférieur (15) complémentaires entourant un tourillon du vilebrequin, caractérisé en ce que lesdits coussinets supérieur et inférieur comprennent chacun deux demi-cylindres (14a, 14b, 15a, 15b) disposés en vis-à-vis et séparés par un espace annulaire (24). 2. Système de lubrification selon la revendication 1, caractérisé en ce que le conduit (19) d'amenée d'huile débouche dans l'espace annulaire (24) dans le coussinet supérieur (14). 3. Système de lubrification selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'espace annulaire (24) a une largeur comprise entre 3% et 15% de la largeur totale du coussinet (14, 15). 4. Système de lubrification selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les demi-cylindres (15a, 15b) du coussinet inférieur (15) comportent trois couches métalliques. 5. Système de lubrification selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les demi-cylindres (15a, 15b) du 25 coussinet (15) inférieur présentent une dureté superficielle supérieure à 80 HV. 6. Système de lubrification selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les demi-cylindres (15a, 15b) du coussinet inférieur (15) comportent une couche de polymère. 7. Moteur à combustion interne comportant un vilebrequin (10) 30 entouré par des coussinets supérieur (14) et inférieur (15) selon l'une des revendications 1 à 6.