Brevet FR2999242A1 — publié le 20140613

DOMAINE TECHNIQUE GENERAL La présente invention concerne le domaine des moteurs à pistons, et plus précisément les démarreurs de moteurs à piston. ETAT DE L'ART Dans le domaine de l'aviation, les démarreurs utilisés pour le démarrage des moteurs à pistons sont souvent fortement sollicités, en raison des cylindrées importantes des moteurs à pistons par rapport aux applications automobiles pour lesquels les démarreurs sont initialement conçus. Sur les moteurs à allumage par compression, par exemple les moteurs diesels, cette difficulté est encore plus ardue en raison du rapport volumétrique élevé. Afin d'absorber ces sollicitations élevées, le relais de démarrage et la batterie sont dimensionnés de façon à absorber les intensités très élevées dans le démarreur. Ces intensités sont directement causées par le couple résistant important lors du passage des compressions du moteur. Par ailleurs, pour des raisons d'encombrement, il peut s'avérer avantageux de positionner le démarreur dans une configuration perpendiculaire au vilebrequin du moteur à piston. Les solutions couramment utilisées pour réaliser un renvoi d'angle afin d'obtenir cette configuration comprennent ainsi par exemple un système à vis sans fin avec un embrayage à ressort qui gère l'accouplement du démarreur. Ces solutions ne sont toutefois pas satisfaisantes, en ce qu'elles conduisent à un surdimensionnement des différents composants du fait du couple résistant élevé lors du démarrage, et de la fiabilité insuffisante des solutions de renvoi d'angle. PRESENTATION DE L'INVENTION La présente invention vise ainsi à proposer un système ne présentant pas ces inconvénients. A cet effet, la présente invention propose un système pour le démarrage d'un moteur à piston, comprenant un vilebrequin et un démarreur, ledit système étant caractérisé en ce qu'il comprend en outre un train de cardans comprenant au moins un joint de cardan, ledit train de cardans comprenant un arbre d'entrée adapté pour être sélectivement lié en rotation au démarreur, et un arbre de sortie lié en rotation au vilebrequin, ledit train de cardans étant configuré de manière à ce que son arbre d'entrée et son arbre de sortie ne soient pas parallèles, et réalisant une transformation de la vitesse de rotation instantanée de l'arbre de sortie par rapport à l'arbre d'entrée permettant de lisser le couple résistant dû aux compressions. L'arbre d'entrée et l'arbre de sortie du train de cardan sont typiquement sensiblement perpendiculaires. Selon un mode de réalisation particulier, ledit train de cardans comprend deux joints de cardan montés en série et en phase, chacun desdits joints de cardan réalisant une transformation de la vitesse de rotation instantanée de son arbre de sortie par rapport à son arbre d'entrée afin de réduire la vitesse de son arbre de sortie par rapport à son arbre d'entrée lorsque le couple résistant est maximum. Chacun desdits joints de cardan présente alors typiquement un angle de brisure égal à 45°. Ladite réduction de la vitesse de l'arbre de sortie par rapport à l'arbre d'entrée du train de cardans va alors typiquement jusqu'à sensiblement 30% lorsque le couple résistant est maximum. Selon un mode de réalisation particulier, ledit système comprend en outre un réducteur disposé de manière à relier le démarreur avec l'arbre d'entrée du train de cardans. Selon un mode de réalisation particulier, ledit système comprend un réducteur de sortie disposé de manière à relier le vilebrequin avec l'arbre de sortie du train de cardans, ledit réducteur faisant coïncider la fréquence de la loi de transformation de la vitesse avec la fréquence des compressions. L'invention concerne également un moteur à piston comprenant un système tel que défini précédemment. Ledit moteur à piston comprend par exemple quatre cylindres dans lesquels des pistons sont entrainés en déplacement par le vilebrequin. PRESENTATION DES FIGURES D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention ressortiront de la description qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui doit être lue en regard des dessins annexés, sur lesquels : - La figure 1 est une représentation schématique d'un système selon un aspect de l'invention ; - La figure 2 représente un exemple de l'évolution du couple instantané causé par les compressions et les inerties d'un moteur à piston en l'absence de combustion. DESCRIPTION DETAILLEE La figure 1 est une représentation schématique d'un système selon un aspect de l'invention. Cette figure présente un système pour le démarrage d'un moteur à piston comprenant un vilebrequin 1 et un démarreur 2 adapté pour être sélectivement lié au vilebrequin 1 et ainsi l'entrainer en rotation. Le démarreur 2 comprend typiquement un moteur électrique associé à une batterie, et un arbre de sortie 21. Le système présenté comprend en outre un train de cardans 3 comprenant un ou plusieurs joints de cardan montés en série, et assurant la liaison entre le démarreur 2 et le vilebrequin 1. Le train de cardans comprend un arbre d'entrée 5 auquel un couple est appliqué par le démarreur 2, et un arbre de sortie 6 entrainant le vilebrequin 1 en rotation. Dans le mode de réalisation représenté, le train de cardans 3 comprend deux joints de cardans, respectivement 31 et 32, montés en série. En outre, dans le mode de réalisation représenté, un réducteur 4 est disposé entre le démarreur 2 et le train de cardans 3, afin d'appliquer un rapport de réduction entre l'arbre de sortie 21 du démarreur 2 et l'arbre d'entrée 5 du train de cardans 3. Un réducteur 7 de sortie est disposé entre le vilebrequin 1 et l'arbre de sortie 6, afin de conserver la même fréquence entre les joints de cardan du train de cardan 3 et les compressions du moteur associé au vilebrequin 1. En effet, une des caractéristiques de la liaison par un joint de cardan est que la loi de transformation de la vitesse est de fréquence double par rapport à la fréquence de rotation. Un système comprenant un tel joint de cardan ne peut donc filtrer que des compressions se produisant tous les multiples de 1800, ce qui correspond à la périodicité des compressions pour un moteur à quatre cylindres et est donc adapté à un tel moteur. Pour un moteur avec un nombre différent de cylindres, il est nécessaire de passer par une transmission assurant le rapport de vitesses adéquat de manière à faire coïncider la fréquence de la loi de transformation de la vitesse avec la fréquence des compressions, ce que permettent de réaliser les différents réducteurs. Pour réaliser des rapports de réduction importants tout en préservant le gain en encombrement, il est possible d'utiliser plusieurs engrenages en série ou un train épicycloïdal, au détriment de la masse totale du système. Le train de cardans exploite avantageusement le caractère non-10 homocinétique de la liaison réalisée par un joint de cardan afin d'atténuer et lisser le couple résistant auquel est soumis le démarreur 2, comme on le détaille par la suite. La figure 2 représente un exemple de l'évolution du couple instantané 15 (en Nm) causé par les compressions et les inerties d'un moteur à piston en l'absence de combustion en fonction de la rotation du vilebrequin, exprimée en degrés. On repère sur ce graphe trois courbes distinctes, représentant 20 respectivement Courbe 71 : couple instantané au niveau du vilebrequin 1. Courbe 72 : couple instantané au niveau du démarreur 2. Courbe 73 : couple instantané sur l'arbre entre les deux joints de cardan 31 et 32 représentés sur la figure 1. 25 Ces différentes courbes illustrent une succession de compressions, définissant un point mort haut tous les 1800 (ou demi-tour) du vilebrequin 1, peu avant lequel le couple résistant est maximum. On voit en effet sur la figure 2 que le couple résistant atteint sa valeur maximale 30 peu avant 180°, puis change de sens en passant par une zéro à 180°. Le fonctionnement est périodique tous les 180°. En effet, la rotation du vilebrequin 1 entraine le déplacement de pistons et par conséquent des cycles successifs de compression et de détente, et par conséquent un couple résistant variable, qui augmente lors de la compression jusqu'à atteindre sa valeur maximale peu avant le point mort haut, puis devient moteur lors de la détente. On voit sur la figure 2 l'effet du train de cardans 3 sur le couple résistant instantané, en particulier peu avant le point mort haut alors que le couple résistant atteint sa valeur maximale ; le couple résistant instantané est fortement réduit au niveau du démarreur 2 par rapport au couple résistant instantané au niveau du vilebrequin 1. En effet, un joint de cardan ne transmet pas la vitesse de rotation d'une manière constante au cours de la rotation lorsque les deux axes du joint de cardan ne sont pas alignés. En considérant un joint de cardan comprenant un arbre d'entrée et un arbre de sortie, on a la relation Cin x Win = Cout x Wout, ou Cin = Win / Wout x Cout, avec Cin est le couple appliqué à l'arbre d'entrée, Cout est le couple appliqué à l'arbre de sortie, Win est la vitesse de rotation de l'arbre d'entrée, et Wout est la vitesse de rotation de l'arbre de sortie. Par conséquent, du fait de la variation du rapport Win/Wout, on peut ainsi faire varier le rapport entre le couple d'entrée et le couple de sortie, et atténuer le couple résistant s'appliquant sur le démarreur 2. Pour un joint de cardan donné, le rapport Win/Wout dépend notamment de l'angle de brisure entre l'arbre d'entrée et l'arbre de sortie du joint de cardan. On configure ainsi les différents joints de cardan afin d'obtenir le rapport souhaité. L'angle de brisure de chacun des joints de cardan est typiquement compris entre 300 et 60°, par exemple égal à 45°. Selon un mode de réalisation particulier, le train de cardans 3 comprend deux joints de cardan présentant chacun un angle de brisure de 45°, l'angle de brisure total du train de cardans 3 étant ainsi égal à 90°. Une telle configuration permet d'obtenir un bon compromis entre les efforts s'exerçant sur les joints de cardan et la transformation de vitesse instantanée afin de réduire le couple résistant maximum. L'augmentation de l'angle de brisure permet d'améliorer l'effet sur la réduction du couple résistant, mais entraine une augmentation des contraintes s'exerçant sur le joint de cardan. A l'inverse, une réduction de l'angle de brisure permet de réduire les contraintes s'exerçant sur le joint de cardan, mais réduit son impact sur la réduction du couple résistant maximum. En outre, un train de cardans 3 comprenant deux joints de cardan ayant chacun un angle de brisure de 45°, et ayant donc un angle de brisure total égal à 90° permet d'améliorer la compacité du moteur. En considérant le système présenté sur la figure 1, on configure avantageusement le joint de cardan 32 de manière à ce que la vitesse de rotation instantanée de l'arbre de sortie de ce joint de cardan 32, en l'occurrence l'arbre de sortie 6 du train de cardans 3, soit supérieure à la vitesse de rotation instantanée de l'arbre de sortie de ce joint de cardan 32, en l'occurrence l'arbre intermédiaire entre les deux joints de cardan 31 et 32 représentés sur la figure 1, à l'instant où le couple résistant est maximum. La vitesse moyenne entre les arbres d'entrée et de sortie est identique entre l'arbre d'entrée 5 et l'arbre de sortie 6 du train de cardans 3 ; le train de cardans 3 réalisant une transformation de la loi de vitesse de manière à modifier la vitesse instantanée peu avant le point mort haut, afin de réduire le couple résistant maximum. En considérant l'exemple des courbes présentées sur la figure 2 correspondant à deux joints de cardan consécutifs ayant chacun un angle de brisure de 45°, le rapport entre le couple d'entrée et le couple de sortie à l'instant où le couple résistant est maximum peu avant le point mort haut est sensiblement égal à 850/1200 = 70%; le rapport entre la vitesse de sortie et la vitesse d'entrée est donc également de l'ordre de 70% à cet instant. D'une manière similaire, le rapport entre le couple d'entrée et le couple de sortie à l'instant où le couple résistant est maximum peu avant le point mort haut du joint de cardan 31 est sensiblement égal à 600/850 = 70%; le rapport entre la vitesse de sortie et la vitesse d'entrée est donc également de l'ordre de 70% à cet instant. Ainsi, en montant en série deux joints de cardan réalisant chacun une transformation de la vitesse instantanée et montés en phase de manière à ce que leurs propriétés de non-homocinétique s'additionnent, on réduit avantageusement sensiblement de moitié le couple résistant maximum s'exerçant sur le démarreur. En outre, le montage est avantageusement réalisé de manière à atténuer le couple résistant avant le point mort haut, sans affecter le couple moteur après le point mort haut. En outre, l'utilisation d'un train de cardans 3 comprenant au moins un joint de cardan pour réaliser la liaison entre le démarreur 2 et le vilebrequin 1 permet de positionner le démarreur 2 sur un axe non parallèle à l'axe du vilebrequin 1, ce qui est avantageux en termes d'encombrement. Le système proposé présente plusieurs avantages par rapport à un démarreur conventionnel. En premier lieu, le système proposé permet d'atténuer le couple instantané à chaque compression. Pour un même démarreur, ceci permet donc un démarrage plus fluide avec moins de risque d'arrêt sur une compression. De plus, le lissage du couple auquel est soumis le démarreur 2 lors du point mort haut réduit les irrégularités de couple entre le démarreur 2 et le réducteur 4, ce qui améliore la longévité du système. De plus, du fait de ce lissage du couple, les pics d'intensité traversant le démarreur 2 et les composants électriques qui y sont communément associés tels qu'une batterie et un relais électrique sont diminués pendant le démarrage, à l'exception d'une phase de démarrage lors de laquelle la vitesse est sensiblement nulle et où les frottements sont prépondérants, ce qui réduit les risques d'endommagement du système par échauffement des composants. Il en résulte également une diminution du besoin en courant, ce qui permet soit d'utiliser un système de démarrage électrique plus compact, soit d'augmenter le nombre de démarrages possibles entre deux recharges de la batterie d'un tel système de démarrage électrique.20 REVENDICATIONS1. Système pour le démarrage d'un moteur à piston, comprenant un vilebrequin (1) et un démarreur (2), ledit système étant caractérisé en ce qu'il comprend en outre un train de cardans (3) comprenant au moins un joint de cardan, ledit train de cardans (3) comprenant un arbre d'entrée (5) adapté pour être sélectivement lié en rotation au démarreur (2), et un arbre de sortie (6) lié en rotation au vilebrequin (1), ledit train de cardans (3) étant configuré de manière à ce que son arbre d'entrée (5) et son arbre de sortie (6) ne soient pas parallèles, et réalisant une transformation de la vitesse de rotation instantanée de l'arbre de sortie (6) par rapport à l'arbre d'entrée (5) afin de réduire le couple résistant maximum dû aux compressions. 2. Système selon la revendication 1, dans lequel l'arbre d'entrée (5) et l'arbre de sortie (6) du train de cardan (3) sont sensiblement perpendiculaires. 3. Système selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel ledit train de cardans (3) comprend deux joints de cardan (31, 32) montés en série et en phase, chacun desdits joints de cardan (31, 32) réalisant une transformation de la vitesse de rotation instantanée de son arbre de sortie par rapport à son arbre d'entrée afin de réduire la vitesse de son arbre de sortie (6) par rapport à son arbre d'entrée (5) lorsque le couple résistant est maximum. 4. Système selon la revendication 3, dans lequel chacun desdits joints de cardan (31, 32) présente un angle de brisure égal à 45°. 5. Système selon l'une des revendications 3 ou 4, dans lequel ladite réduction de la vitesse de l'arbre de sortie (6) par rapport à l'arbred'entrée (5) du train de cardans (3) va jusqu'à sensiblement 30% lorsque le couple résistant est maximum. 6. Système selon l'une des revendications 1 à 5, comprenant en outre un réducteur (4) disposé de manière à relier le démarreur (2) avec l'arbre d'entrée (5) du train de cardans (3). 7. Système selon l'une des revendications 1 à 6, comprenant en outre un réducteur (7) de sortie disposé de manière à relier le vilebrequin (1) avec l'arbre de sortie (6) du train de cardans (3). 8. Moteur à piston comprenant un système selon l'une des revendications 1 à 7. 9. Moteur à piston selon la revendication 8 comprenant quatre cylindres dans lesquels des pistons sont entrainés en déplacement par le vilebrequin (1).