Brevet FR3031783A1 — publié le 20160722

DISPOSITIF COMPRENANT UN ARBRE, AU MOINS TROIS ROULEMENTS ET UNE STRUCTURE DESTINÉE À SUPPORTER UNE CHARGE RADIALE La présente invention concerne un dispositif comprenant un arbre, trois roulements et une structure de l'arbre destinée à supporter une charge radiale et un moteur à combustion interne comprenant au moins un tel dispositif. Les moteurs à combustion interne peuvent comprendre des systèmes d'équilibrage, qui permettent de compenser les vibrations du moteur dues au 10 déplacement des pistons. Un moteur à combustion interne comprend parfois un seul arbre d'équilibrage, mais plus généralement deux arbres d'équilibrage entraînés en rotation en opposition de phase par une roue dentée du vilebrequin du moteur à combustion interne. Les arbres d'équilibrage comprennent généralement au moins une masse excentrée, qui 15 occasionne des charges radiales et axiales croissant avec la vitesse de rotation des arbres d'équilibrage. Les arbres d'équilibrage sont généralement montés dans des supports du moteur à combustion interne via des roulements à billes, à aiguilles ou à rouleaux. Il est connu notamment à partir du document US-A-2011/0247581 20 que l'on peut équiper les arbres d'équilibrage de roulements à une seule rangée de billes. De tels roulements présentent un jeu axial non contrôlable qui générera un bruit et une pollution importants et ont une durée de vie réduite quand ils sont utilisés pour supporter des arbres d'équilibrage. Il est connu à partir du document US 7,823,567 B2 que l'on peut équiper un 25 arbre d'équilibrage d'une came pour l'interaction avec un rouleau suiveur de came pour une pompe d'injection de carburant de moteur à combustion interne. L'intégration d'une came dans un arbre d'équilibrage impose des limitations, concernant le jeu axial de l'arbre d'équilibrage, auxquelles il est difficile de répondre, surtout en considération des forces axiales générées 30 par les roues dentées du vilebrequin à profil hélicoïdal. De plus, l'intégration d'une came ou d'une autre structure destinée à supporter une charge radiale peut poser des problèmes parce qu'une répartition inhomogène des charges radiales entraîne une usure des roulements inhomogène, l'usure du roulement supportant la plus grande fraction de la charge radiale étant la plus importante. En conséquence, la durée de vie du dispositif risque d'être réduite. C'est à ces inconvénients qu'entend remédier l'invention en proposant un dispositif comprenant un arbre avec une structure destinée à supporter une charge radiale et trois roulements où la répartition des charges sur les roulements est plus homogène. À cet effet, l'invention concerne un dispositif comprenant un arbre monté libre en rotation dans un bâti par au moins deux roulements radiaux latéraux et au moins un roulement radial central placé entre les roulements radiaux latéraux dans la direction axiale de l'arbre. L'arbre comprend au moins une structure destinée à supporter une charge radiale telle qu'une poulie ou une came. Ladite structure est placée entre un premier roulement radial latéral et le roulement central, de manière que ces deux roulements encadrent la structure. L'invention propose qu'un jeu radial du roulement central soit plus grand que le jeu radial du premier roulement latéral. Dans un mode de réalisation préféré, le jeu radial du roulement central est plus grand que le jeu radial des deux roulements latéraux. Grâce à cette configuration le jeu radial du roulement central permet une déformation en flexion dans les limites de la différence des jeux radiaux. Ainsi, la charge radiale n'est pas complètement interceptée par les deux roulements encadrant ladite structure mais une fraction de la charge radiale peut être supportée par le troisième roulement. Ainsi, la répartition des charges peut être homogénéisée. La limite supérieure pour le jeu radial est déterminée par la contrainte que la fraction de la charge radiale supportée par le roulement central ne soit pas zéro ou inférieure à la charge radiale supportée par le troisième roulement latéral. En pratique, les jeux radiaux des roulements sont déterminés de manière que la charge radiale supportée par la structure soit répartie de manière homogène sur les roulements. De préférence, l'homme du métier va utiliser une analyse de conception utilisant les éléments finis pour calculer les valeurs des jeux radiaux optimisées. Dans un mode de réalisation préféré, l'arbre est un arbre d'équilibrage adapté pour être entraîné en rotation par un vilebrequin d'un moteur à combustion interne. De préférence, la structure supportant les charges radiales est réalisée sous la forme d'une came pour l'interaction avec un rouleau suiveur de came. D'autres modes de réalisation comprenant une structure en la forme d'une poulie ou d'une roue dentée existent. Selon un mode de réalisation préféré, lesdits deux roulements sont à proximité immédiate de la came, c'est-à-dire qu'il n'existe aucune unité fonctionnelle ou espace non nécessaire entre la came et les roulements. Plus particulièrement, une distance axiale entre les faces axiales de la came et les faces axiales desdits deux roulements est inférieure à 1 cm, de préférence même inférieure à 0,5 cm. Selon un mode de réalisation de l'invention, l'arbre d'équilibrage comprend un balourd. L'invention propose qu'au moins un desdits deux roulements encadrant la structure supportant les charges radiales soit placé entre le balourd et ladite structure. Ainsi, on peut reprendre une force centrifuge générée par la masse excentrée du balourd d'une manière très efficace. Selon un mode de réalisation de l'invention, l'arbre d'équilibrage est équipé d'au moins un troisième roulement placé sur un côté axial du balourd éloigné de la structure. Selon un mode de réalisation de l'invention, lesdits roulements, en particulier lesdits roulements latéraux, sont des roulements à double rangée d'éléments roulants comprenant chacun deux roulements à une rangée d'éléments roulants appairés l'un à l'autre. Grâce à l'invention, le jeu axial des roulements qui supportent la rotation des arbres d'équilibrage peut être annulé, ce qui permet de réduire le bruit produit par les roulements, de réduire l'usure du rouleau suiveur de came et de sa piste de roulement et de prolonger leur durée de vie. Selon les aspects avantageux mais non obligatoires de l'invention, un tel dispositif peut incorporer une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises dans toute combinaison techniquement admissible : les éléments roulants sont des billes, des rouleaux ou des aiguilles. De plus, les roulements peuvent être à contacts obliques ou à contacts droits. Selon un mode de réalisation préféré, les roulements à une rangée d'éléments roulants comportent une première bague et une deuxième bague fabriquées de telle manière qu'il existe un écart axial entre les surfaces axiales de la première bague et de la deuxième bague dans une configuration sans forces axiales. De préférence, ces roulements à une rangée d'éléments roulants sont appairés tel que les deux roulements à une rangée d'éléments roulants, constituant un des roulements à double rangée d'éléments roulants, ont des écarts axiaux complémentaires. Selon un mode de réalisation préféré, les roulements à simple rangée de billes sont des roulements à billes à gorge profonde dont les bagues comportent une gorge circulaire toroïdale formant un chemin de roulement. Des billes sont disposées entre les chemins de roulement et sont maintenues à espacement circonférentiel régulier par une cage. Le roulement est monté avec un certain jeu interne radial et axial, qui dépend du diamètre des fonds de gorge des bagues, du diamètre des billes, et du rayon des chemins de roulement en section droite par un plan axial. Le jeu interne du roulement se traduit par la possibilité d'un léger déplacement radial exercé sur une bague par rapport à l'autre, sous l'action d'un effort radial ou axial exercé sur l'une les bagues. Grâce à la capacité de supporter des charges axiales importantes, l'invention permet la combinaison d'une came avec une roue dentée à profil hélicoïdal sur le même arbre d'équilibrage. Pour l'appairement des roulements, on fabrique et sélectionne les roulements qui, lorsqu'ils sont disposés côte à côte et face contre face, forment un ensemble qui présente un jeu axial voisin de zéro et un certain angle de contact entre les billes et les chemins de roulement afin de pouvoir fonctionner en supportant à la fois une charge radiale et une charge axiale. La fabrication des roulements à une rangée de billes peut inclure une étape de rectification pour réduire la largeur d'une des bagues, qui sont d'abord fabriquées avec une largeur axiale égale. On entend par largeur, la dimension axiale d'une surface radiale frontale à l'autre. L'ensemble ainsi formé forme un palier à roulement fonctionnant avec un jeu axial très proche de zéro et capable de supporter des charges axiales et radiales. Selon un mode de réalisation de l'invention, les roulements permettant la rotation de l'arbre d'équilibrage sont à contacts obliques. Dans un autre mode de réalisation de l'invention, les roulements permettant la rotation de l'arbre d'équilibrage sont à contacts droits. Selon un mode de réalisation, les écarts axiaux réels sont mesurés pour une pluralité des roulements et l'on appaire les roulements ayant des écarts complémentaires ou nuls. La sélection des roulements pour l'appairement peut en plus être effectuée en mesurant les écarts relatifs des surfaces radiales terminales des bagues et en appliquant des forces axiales opposées. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lumière de la description qui va suivre d'un moteur à combustion interne conforme à son principe, donné à titre d'exemple non limitatif en référence aux dessins annexes dans lesquels : - La figure 1 est une vue en coupe d'un moteur à combustion interne conforme à l'invention ; - la figure 2 est une vue à plus grande échelle du détail II de la figure 1 ; - la figure 3 est une illustration schématique d'un dispositif avec un roulement central ayant un jeu radial trop important ; - la figure 4 est une illustration schématique d'un dispositif avec un roulement central ayant un jeu radial trop petit ; et - la figure 5 est une illustration schématique d'un dispositif avec un roulement central ayant un jeu radial choisi selon l'invention. Un arbre d'équilibrage 10 d'un moteur à combustion interne M est représenté sur la figure 1. Le moteur M comprend un bâti B. Le moteur à combustion interne M comprend un vilebrequin (non représenté) dont une extrémité est munie d'une roue dentée. La roue dentée du vilebrequin est en prise avec une roue dentée 20 de l'arbre d'équilibrage 10, qui est monté libre en rotation dans deux supports 22 du bâti B. La rotation de l'arbre d'équilibrage 10 dans les supports est permise par trois roulements radiaux 12, 13 et 14 à double rangée d'éléments roulants sur un premier côté de la roue dentée 20 à profil hélicoïdal. Un quatrième roulement axial 15 est placé sur un deuxième côté de la roue dentée. Les roulements radiaux 12, 13, 14 comportent deux roulements radiaux latéraux 12, 14 et un roulement radial central 13. L'ensemble comportant l'arbre 10 et les trois roulements radiaux 12, 13 et 14 est un dispositif selon l'invention. L'arbre d'équilibrage 10 comporte une masse excentrée ou balourd 42 qui permet d'obtenir la compensation désirée des vibrations dues au déplacement des pistons, qui ne sont pas représentés pour des raisons de clarté. Selon l'invention, l'arbre d'équilibrage 10 comporte une structure supportant une charge radiale sous la forme d'une came 16 pour l'interaction avec un rouleau suiveur de came 18 pour une pompe d'injection de carburant. Le premier roulement latéral 12 est placé sur une première extrémité de l'arbre d'équilibrage 10 à proximité immédiate du côté axial de la came 16 écarté de la roue dentée 20. Le roulement central 13 est placé sur l'arbre d'équilibrage 10 à proximité immédiate du côté axial de la came 16 faisant face à la roue dentée 20. On peut ainsi reprendre les charges axiales introduites par le suiveur de came 18 d'une manière très efficace. Une distance axiale entre les faces axiales de la came 16 et les faces axiales des roulements 12 et 13 est inférieure à 1 cm, de préférence même inférieure à 0,5 cm. L'arbre d'équilibrage 10 comprend un balourd 42. Le roulement central 13 est placé entre le balourd 42 et la came 16. Ainsi, on peut reprendre une force centrifuge générée par la masse excentrée du balourd 42 d'une manière très efficace. Le jeu radial du roulement central 13 arrangé entre le balourd 42 et la came 16 est supérieur au jeu radial du premier roulement 12. On peut ainsi obtenir une distribution homogène des forces radiales sur les roulements 12, 13 et 14 comme expliqué en plus grand détail en faisant référence aux figures 3 - 5. Le troisième roulement, soit le deuxième roulement latéral 14, est placé sur un côté axial du balourd 42 écarté de la came 16. En pratique, le moteur à combustion interne comporte deux arbres d'équilibrage 10 et chacun de ces arbres d'équilibrage peut être monté libre en rotation en utilisant quatre ou encore plus de roulements. Les roulements radiaux latéraux 12, 14 à double rangée d'éléments roulants comportent chacun deux roulements 12a, 12b; 14a et 14b à une rangée d'éléments roulants appairés l'un à l'autre. Les roulements 12a, 12b; 14a et 14b à une rangée d'éléments roulants sont des roulements à contacts droits. En particulier, chacun des deux roulements 12a, 12b; 14a, 14b à une rangée d'éléments roulants comporte une première bague et une deuxième bague fabriqués de telle manière qu'il existe un écart axial entre les surfaces axiales de la première bague et de la deuxième bague, dans une configuration sans forces axiales. Les roulements 12a, 12b; 14a et 14b à une rangée d'éléments roulants sont sélectionnés et appairés tel que les roulements 12a, 12b; 14a et 14b à une rangée d'éléments roulants constituant un des roulements 12, 14 à double rangée d'éléments roulants ont des écarts axiaux complémentaires. Grâce à l'appairement, les jeux radiaux des roulements radiaux latéraux 12, 14 sont très faibles. De la même manière, le roulement radial central 13 peut comporter deux roulements 13a, 13b à une rangée d'éléments roulants appairés l'un à l'autre. Cependant, le jeu radial du roulement radial central 13 doit être choisi plus grand que celui des deux roulements radiaux latéraux 12, 14. Selon un mode de réalisation, les roulements 12, 13 et 14 à double rangée d'éléments roulants sont lubrifiés par une huile de lubrification du moteur à combustion interne M. Selon un mode de réalisation, les roulements 12, 13 et 14 à double rangée d'éléments roulants sont équipés de joints d'étanchéité qui maintiennent, dans une chambre de roulement délimitée par lesdits joints, un lubrifiant, tel qu'une huile ou une graisse, disposée avant l'assemblage desdits joints avec les bagues du roulement. L'appairement des roulements 12a, 12b; 13a; 13b; 14a et 14b permet d'éliminer le bruit généré par le fonctionnement des roulements 12, 13 et 14 en supprimant le jeu axial. Comme représenté sur la figure 2 pour le roulement radial latéral 12 uniquement, le roulement 12 comporte un premier roulement 12a à une seule rangée de billes et un second roulement 12b à une seule rangée de billes. Chacun des roulements 12a et 12b comporte respectivement une rangée de billes, disposée entre une bague intérieure et une bague extérieure. Les roulements 12a et 12b sont accolés l'un à l'autre le long d'un axe de rotation qui correspond également à l'axe longitudinal des roulements 12a et 12b. Les bagues intérieures et les bagues extérieures sont accolées l'une à l'autre par un contact surfacique entre les faces latérales du roulement 12a et les faces latérales du roulement 12b opposées aux faces latérales du roulement 12a. Les caractéristiques techniques des modes de réalisation et variantes décrits ci-dessus peuvent être combinées dans le cadre de la présente invention tel que défini dans les revendications. Les figures 3 - 5 sont des illustrations schématiques. Les déformations de l'arbre 10 ainsi que le jeu du roulement radial central 13 sont illustrés d'une manière très exagérée pour mieux visualiser l'effet. La figure 3 est une illustration schématique d'un dispositif avec un roulement central 13 ayant un jeu radial trop important. Une force radiale F appliquée par le suiveur de came sur la came (non illustré) est répartie sur les roulements latéraux 12 et 14 supportant une force F12 et F14 respectivement. Le jeu radial du roulement central 13 est tellement grand qu'aucune force radiale n'est transférée sur la bague extérieure de ce roulement 13. La figure 4 est une illustration schématique d'un dispositif avec un roulement central 13 ayant un jeu radial trop petit ou bien un jeu radial égal au jeu radial des roulements latéraux 12, 14. Une force radiale F appliquée par le suiveur de came sur la came (non illustré) est répartie sur le premier roulement latéral 12 et le roulement central 13 supportant une force F12 et F13 respectivement. Le jeu radial du roulement central 13 est tellement petit qu'aucune force radiale ne peut être transférée sur le roulement 14. Par contre, une déformation en forme de S peut même résulter en une charge radiale négative, c'est-à-dire dans un sens opposé du sens de la force radiale F. La figure 5 est une illustration schématique d'un dispositif avec un roulement central 13 ayant un jeu radial choisi selon l'invention tel que la force F est répartie sur trois forces F12, F13 et F14 d'une manière aussi homogène que possible.15 REVENDICATIONS1. Dispositif comprenant un arbre (10) monté libre en rotation dans un bâti par au moins deux roulements radiaux latéraux (12, 14) et au moins un roulement radial central (13) placé entre les roulements radiaux latéraux (12, 14) dans la direction axiale de l'arbre (10), l'arbre comprenant au moins une structure (16) destinée à supporter une charge radiale, ladite structure (16) étant placée entre un premier roulement radial latéral (12, 14) et le roulement radial central (13), caractérisé en ce qu'un jeu radial du roulement radial central (13) est plus grand que le jeu radial du premier roulement radial latéral (12). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le jeu radial du roulement radial central (13) est plus grand que le jeu radial des deux roulements radiaux latéraux (12). 3. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les jeux radiaux des roulements sont déterminés de manière que la charge radiale supportée par la structure soit répartie de manière homogène sur les roulements (12, 13, 14). 4. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'arbre (10) est un arbre d'équilibrage (10) adapté pour être entraîné en rotation par un vilebrequin d'un moteur à combustion interne, et en ce que la structure (16) est réalisée sous la forme d'une came (16) pour l'interaction avec un rouleau suiveur de came (18). 5. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'une distance axiale entre les faces axiales de la structure (16) et les faces axiales desdits deux roulements (12, 13) encadrant la structure (16) est inférieure à 1 cm. 6. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'arbre (10) comprend un balourd (42) et en ce qu'au moins un desdits deux roulements (12, 13) encadrant la came (16) est placé entre le balourd (42) et la came (16). 7 Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdits roulements (12, 13, 14) sont des roulements à double rangée d'éléments roulants. 15 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que lesdits roulements (12, 13, 14) comportent chacun deux roulements (12a, 12b; 13a, 13b, 14a, 14b) à une rangée d'éléments roulants appairés l'un à l'autre. 20 9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que chacun des deux roulements (12a, 12b; 13a, 13b, 14a, 14b) à une rangée d'éléments roulants comporte une première bague et une deuxième bague fabriquées de telle manière qu'il existe un écart axial entre des surfaces axiales de la 25 première bague et de la deuxième bague dans une configuration sans forces axiales, les roulements (12a, 12b; 13a, 13b, 14a, 14b) à une rangée d'éléments roulants étant appairés de telle manière que les roulements (12a, 12b; 13a, 13b, 14a, 14b) à une rangée d'éléments roulants constituant un des roulements (12, 13, 14) à 30 double rangée d'éléments roulants ont des écarts axiaux complémentaires. 10. Moteur à combustion interne comportant un dispositif selon l'une des revendications précédentes. 10 35