Brevet FR3023893A1 — publié le 20160122

La présente invention se rapporte à un mécanisme à engrenages, dont la particularité est de pouvoir réduire ou annuler sur une partie au moins de la course, les efforts radiaux indésirables, qui tendent naturellement à repousser les engrenages l'un par rapport à l'autre, en raison de l'angle de pression des dentures. D'une façon générale et par conception, l'effort transmis par une dent d'un élément d'engrenage à la dent correspondante d'un autre élément d'engrenage, se situe au point d'engrènement et possède une direction qui fait un angle non nul avec la perpendiculaire à la droite qui relie les centres desdits éléments d'engrenages. Ainsi, dans le cas d'un engrenage constitué de 2 roues dentées, l'effort transmis possède d'une part, une composante tangente aux cercles que décrivent les dentures des éléments d'engrenages, cette force tangente étant utile pour transmettre un couple entre lesdits éléments d'engrenages, et d'autre part, une composante radiale située sur la droite qui relie les centres des éléments d'engrenages et qui a pour effet indésirable de repousser ces éléments d'engrenages l'un par rapport à l'autre. Dans le cas très répandu des engrenages possédant des profils de dentures à développante de cercle, cet angle qui définit la direction de l'effort normal transmis entre les éléments de l'engrenage, dénommé angle de pression, est égal à 20° selon le standard Européen. Dans ce cas, la composante indésirable est égale à l'effort normal transmis entre les dents au point d'engrènement, que multiplie SINUS 20°, soit environ 0,342 x l'effort normal transmis au point d'engrènement. La présente invention propose de limiter ces efforts radiaux indésirables qui apparaissent entre les éléments d'engrenages, en particulier lorsque le mécanisme transmet un effort important. L'invention trouve une application particulièrement avantageuse dans le domaine des moteurs à combustion interne, et plus spécifiquement dans le domaine des moteurs à taux de compression variable qui utilisent parfois ce principe pour transformer de manière réglable le mouvement rectiligne des pistons en un mouvement circulaire, par l'intermédiaire d'une crémaillère liée au piston et qui coopère avec une roue dentée dont le centre est lié à une bielle qui entraîne un vilebrequin. On connaît le brevet publié sous le numéro de publication internationale WO 98/51911, qui décrit un mécanisme comprenant des engrenages constitués d'une roue dentée solidaire d'une bielle et qui s'engrène entre deux crémaillères. Ledit mécanisme est constitué de telle sorte que la roue dentée s'engrène d'une part sur une crémaillère mobile, solidaire d'un piston, et d'autre part sur une autre crémaillère solidaire d'une partie fixe du moteur et dont la position est réglable dans le sens longitudinal, cette disposition permettant de déplacer à la demande la position du point mort haut du piston, et par conséquent de modifier le taux de compression qui en résulte. Comme pour la plupart des mécanismes à engrenages, l'angle de pression des dentures a pour effet indésirable de repousser les éléments de l'engrenage les uns par rapport aux autres. Sur la grande majorité des engrenages traditionnels, ces efforts latéraux indésirables sont repris par les axes qui maintiennent les éléments de l'engrenage, lesdits éléments d'engrenages étant généralement constitués de composants tels que des roues dentées, pignons et crémaillères. Dans le cas du mécanisme décrit dans le brevet WO 98/51911, la roue dentée ne possède pas d'axe fixe, car elle entraîne en son centre une bielle destinée à actionner le vilebrequin du moteur à combustion interne à pistons. Ce mode d'utilisation des engrenages impose la mise en oeuvre d'une solution permettant la reprise des efforts radiaux, afin d'éviter que les éléments d'engrenages ne s'écartent les uns des autres lors de la transmission des efforts. Une des solutions appliquées dans le cas du mécanisme décrit dans le brevet WO 98/51911, consiste à prévoir un vérin presseur hydraulique solidaire du carter du moteur à combustion interne, tel que décrit dans le brevet publié sous le numéro EP 1979591, ledit vérin presseur exerçant une pression latérale sur la crémaillère servant au réglage du taux de compression, afin de compenser les efforts radiaux qui tendent à écarter ladite crémaillère de la roue dentée. Dans ce cas, la crémaillère solidaire du piston prend son appui latéral sur un galet qui roule sur une surface solidaire du carter moteur. Cette disposition assure le maintien d'un contact permanent entre les éléments constituant l'engrenage, quel que soit le niveau des efforts radiaux indésirables produits par ces derniers. L'inconvénient de cette solution provient de la relative complexité de mise en oeuvre des vérins presseurs hydrauliques ainsi que de leurs coûts. Une réduction significative des efforts radiaux indésirables permettrait de remplacer avantageusement les vérins presseurs hydrauliques par de simples ressorts déjà connus dans l'état de l'art, moins coûteux et capables de compenser des efforts radiaux plus limités. La présente invention propose une solution permettant une réduction significative des efforts radiaux, sur une partie au moins de la course des éléments d'engrenages et plus particulièrement dans la partie de la course où les efforts les plus importants sont transmis, permettant ainsi de simplifier, voire de supprimer les moyens d'appuis latéraux. Ainsi, la solution proposée par l'invention consiste à remplacer au moins une des dents sur chacun des éléments de l'engrenage, par des moyens d'appui respectivement solidaires de chacun desdits éléments d'engrenages, chacun desdits moyens d'appui coopérant avec un moyen d'appui situé en correspondance et solidaire de l'autre élément de l'engrenage correspondant, de sorte que les points de contacts obtenus entre ces moyens d'appui permettent de transmettre l'effort normal au point d'engrènement, dans une direction pratiquement parallèle à l'axe longitudinal de la crémaillère, avec pour effet d'éliminer la composante radiale indésirable. Afin d'expliquer cette solution, nous prendrons le cas d'un mécanisme à engrenages intégré dans un moteur à combustion interne et constitué d'une part, d'une roue dentée solidaire d'une bielle prévue pour entraîner le vilebrequin, et d'autre part, d'une crémaillère solidaire d'un piston, l'ensemble étant prévu pour transformer les efforts de translation transmis par la crémaillère solidaire du piston, en un couple sur la roue dentée, et ceci selon un mouvement alternatif, comme c'est le cas en particulier dans un moteur à combustion interne à taux de compression variable tel que décrit dans le brevet WO 98/51911. Dans ce cas spécifique, l'effort à transmettre n'est pas constant sur toute la course de l'ensemble crémaillère-roue dentée, et il sera avantageux de limiter l'action des moyens d'appui décrits ci-dessous et objets de la présente invention, à une zone située en extrémité de la zone active de la crémaillère, lorsque la pression sur le piston est maximale, à proximité du passage par le point mort haut, lorsque les gaz issus de la combustion commencent à libérer leur énergie. Ainsi, dans l'état de l'art actuel, lorsque la crémaillère transmet un effort maximal, peu après l'inversion de son mouvement et le passage par une vitesse relative nulle, les dents en contact d'engrènement entre ladite crémaillère et la roue dentée sont soumises à un effort important duquel il résulte, qu'en fonction de la valeur de l'angle de pression - en général 20° selon le standard Européen - un effort radial proportionnel apparaît et tend à repousser la crémaillère par rapport à la roue dentée. L'invention propose de substituer à ces dents en contacts d'engrènement, des moyens d'appui qui coopèrent l'un avec l'autre afin de transmettre les efforts entre la crémaillère et la roue dentée dans une direction parallèle à la crémaillère, sans composante radiale, lesdits moyens d'appui étant constitués d'une part, par une partie solidaire de la roue dentée, de forme courbe et cylindrique et dont la génératrice sera parallèle à l'axe de rotation de la roue dentée, et d'autre part, une partie de forme plane, solidaire de la crémaillère, de sorte que la partie plane soit pratiquement perpendiculaire à l'axe longitudinal de la crémaillère, permettant ainsi que l'effort transmis au point de contact entre la partie plane et la partie courbe reste parallèle à l'axe longitudinal de la crémaillère, lors des mouvements relatifs de la roue dentée et de la crémaillère. Cette disposition permet ainsi, pour au moins un certain débattement angulaire de la roue dentée, de transmettre un effort sans composante radiale indésirable, ce qui rend possible une simplification des moyens de reprise des efforts radiaux. Dans l'exemple présenté, qui décrit un mode de réalisation possible de l'invention, nous prévoyons une roue dentée sur une partie seulement de sa circonférence et qui s'engrène sur une crémaillère rectiligne disposant d'une denture correspondante, le module de denture proposé étant d'environ 4,55 et le nombre de dents prévues sur la roue dentée pour s'engrener avec la crémaillère étant simplement limité à 4. Le diamètre primitif de la roue dentée prise dans cet exemple est de 100 mm et le nombre de dents prévues sur la crémaillère est de 5 dents, de sorte que la roue dentée peut effectuer un mouvement de va-et-vient au contact de la crémaillère, les 2 dents d'extrémité de la roue dentée venant s'engrener entre les 2 dernières dents de chaque extrémité de la crémaillère. L'une des extrémités de la crémaillère est supposée soumise à un effort maximal à transmettre, comme c'est le cas lorsqu'un piston transmet les efforts produits par la combustion et c'est la face active de la dent correspondante de ladite crémaillère qui sera remplacée par un moyen d'appui comprenant une partie plane, pratiquement perpendiculaire à l'axe longitudinal de la crémaillère et qui viendra coopérer avec un moyen d'appui solidaire de la roue dentée venant remplacer la dernière dent correspondante de ladite roue dentée, ledit moyen d'appui solidaire de la roue dentée étant constitué par une partie suffisamment rigide pour supporter les efforts à transmettre et comprenant une forme courbe cylindrique dont la génératrice sera parallèle à l'axe de rotation de la roue dentée, ladite forme courbe pouvant être d'une dimension plus importante que la dent d'origine à laquelle elle se substitue. Ledit moyen d'appui solidaire de la roue dentée viendra coopérer avec la surface plane prévue sur le moyen d'appui solidaire de la crémaillère, sans interférence avec les autres dents de la crémaillère lors du mouvement relatif entre la roue dentée et ladite crémaillère. La présente invention propose un mécanisme à engrenages permettant de limiter les efforts radiaux indésirables dus à l'angle de pression entre les dentures desdits engrenages, ledit mécanisme à engrenages pouvant être intégré dans un moteur à combustion interne et étant constitué d'au moins une roue dentée pouvant être rendue solidaire d'une bielle prévue pour entraîner un vilebrequin, ainsi que d'une crémaillère pouvant être rendue solidaire d'un piston, l'ensemble étant prévu pour transformer les efforts de translation relative transmis par la crémaillère solidaire du piston, en un couple permettant d'actionner la roue dentée, et ceci selon un mouvement alternatif. Selon l'invention, au moins une dent de la crémaillère sera remplacée par un moyen d'appui solidaire de la crémaillère et constitué par une partie comprenant une forme plane, perpendiculaire à l'axe longitudinal de la crémaillère, et au moins une dent de la roue dentée sera remplacée par un moyen d'appui solidaire de la roue dentée et constitué par une partie comprenant une forme courbe cylindrique dont la génératrice sera parallèle à l'axe de rotation de la roue dentée, lesdits moyens d'appui venant en correspondance l'un avec l'autre de sorte à coopérer pour transmettre les efforts entre la crémaillère et la roue dentée, lesdits efforts transmis au point de contact entre la partie plane du moyen d'appui solidaire de la crémaillère et la partie courbe du moyen d'appui solidaire de la roue dentée, restant parallèles à l'axe longitudinal de la crémaillère, sans composante radiale indésirable, lors des mouvements relatifs de la roue dentée et de la crémaillère. -Selon l'invention, lesdits moyens d'appuis solidaires de la crémaillère d'une part, et de la roue dentée d'autre part, auront une rigidité suffisante pour supporter les efforts à transmettre et pourront avoir des dimensions différentes des dents qu'elles remplacent, selon lesdits efforts à transmettre. -Selon l'invention, il sera avantageux de limiter l'étendue des moyens d'appuis décrits ci- dessus, à un secteur situé en extrémité de la zone active de la crémaillère, afin de limiter les pertes par friction indésirables liées au glissement relatif entre les formes des moyens d'appui venant en correspondance l'une avec l'autre. On notera que ledit secteur situé en extrémité de la zone active de la crémaillère est proche du point d'inversion du mouvement de l'ensemble crémaillère - roue dentée, la vitesse relative entre la crémaillère et la roue dentée étant réduite dans ce secteur et passant précisément par une valeur nulle au point d'inversion. -Une variante du mécanisme à engrenages objet de la présente invention, consiste à prévoir une deuxième crémaillère située de façon à ce que l'engrènement entre ladite deuxième crémaillère et la roue dentée s'effectue de façon diamétralement opposée par rapport à l'engrènement entre la première crémaillère et ladite roue dentée, ladite deuxième crémaillère pouvant être rendue solidaire d'une partie fixe du moteur à combustion interne, avec néanmoins une possibilité de réglage longitudinal. L'invention prévoit dans ce cas, que les mêmes dispositions prévues pour limiter les efforts radiaux indésirables entre la première crémaillère et la roue dentée, pourront s'appliquer afin de limiter les efforts radiaux indésirables entre la deuxième crémaillère et la roue dentée. L'invention prévoit qu'il sera alors avantageux de positionner les moyens d'appui décrits par l'invention et prévus sur la roue dentée pour coopérer avec des moyens d'appui prévus sur la deuxième crémaillère, de telle façon que les moyens d'appuis prévus sur la roue dentée et coopérant respectivement avec la première et la deuxième crémaillère soient pratiquement diamétralement opposés. Ainsi, les composantes radiales indésirables apparaissant respectivement entre la roue dentée et chacune des deux crémaillères, peuvent être réduites simultanément, et plus précisément dans un secteur où l'effort à transmettre est maximum. Cette disposition trouvera une application particulièrement avantageuse dans le cas d'un moteur à pistons à taux de compression variable équipé d'un tel mécanisme, les efforts radiaux indésirables reportés sur le carter dudit moteur étant ainsi réduits. D'autres buts et avantages de la présente invention apparaitront dans la description qui va suivre, ayant valeur d'exemple non limitatif et dont la compréhension sera facilitée en se référant aux figures ci-jointes, qui illustrent de façon schématique un mode de réalisation du mécanisme proposé par l'invention : FIG. 1 : Schéma du mécanisme à engrenages (1), constitué d'une roue dentée (12) et d'une crémaillère (13) ayant pour caractéristique de réduire les efforts radiaux indésirables entre les dentures lors de la transmission des efforts. FIG. 2 : Schéma d'une variante de l'invention qui consiste à disposer une deuxième crémaillère (14) qui coopère avec la roue dentée (12), de sorte que l'engrènement entre ladite deuxième crémaillère (14) et la roue dentée (12) s'effectue de façon diamétralement opposée par rapport à l'engrènement entre la première crémaillère (13) et ladite roue dentée (12). La présente invention propose un mécanisme à engrenages (1) (FIG. 1 et FIG. 2), permettant de transmettre des efforts importants tout en limitant les efforts radiaux indésirables dus à l'angle de pression entre les dentures desdits engrenages, ledit mécanisme à engrenages (1) pouvant être intégré dans un moteur à combustion interne et en particulier dans un moteur à taux de compression variable, ledit mécanisme à engrenages (1) étant constitué d'au moins une roue dentée (12) pouvant être rendue solidaire d'une bielle prévue pour entraîner un vilebrequin, ainsi que d'une crémaillère (13) pouvant être rendue solidaire d'un piston, l'ensemble étant prévu pour transformer les efforts de translation relative transmis par la crémaillère (13), en un couple permettant d'actionner la roue dentée (12), et ceci selon un mouvement alternatif Selon l'invention, au moins une dent de la crémaillère (13) sera remplacée par un moyen d'appui (131) solidaire de la crémaillère et constitué par une partie comprenant une forme plane (1311), perpendiculaire à l'axe longitudinal de la crémaillère (13), et au moins une dent de la roue dentée (12) sera remplacée par un moyen d'appui (121) solidaire de la roue dentée (12) et constitué par une partie comprenant une forme courbe cylindrique (1211) dont la génératrice sera parallèle à l'axe de rotation de la roue dentée (12), lesdits moyens d'appui (131) et (121) venant en correspondance l'un avec l'autre de sorte à coopérer pour transmettre les efforts entre la crémaillère (13) et la roue dentée (12), tandis que lesdits efforts transmis au point de contact entre la partie comprenant une forme plane (1311) du moyen d'appui (131) solidaire de la crémaillère (13) et la partie comprenant une forme courbe cylindrique (1211) du moyen d'appui (121) solidaire de la roue dentée (12) restent parallèles à l'axe longitudinal de la crémaillère (13), sans composante radiale indésirable, lors des mouvements relatifs de la roue dentée (12) et de la crémaillère (13).35 Selon l'invention, lesdits moyens d'appuis (131) et (121) solidaires respectivement de la crémaillère (13) d'une part, et de la roue dentée (12) d'autre part, auront une rigidité suffisante pour supporter les efforts à transmettre et pourront avoir des dimensions différentes des dents qu'ils remplacent, selon les efforts à transmettre. Selon l'invention, il sera avantageux de limiter l'étendue des moyens d'appuis (121) et (131) décrits ci-dessus, à un secteur (132) situé en extrémité de la zone active de la crémaillère (13), afin de limiter les pertes par friction indésirables liées au glissement relatif entre les formes (1211) et (1311) des moyens d'appui (121) et (131) venant en correspondance l'une avec l'autre. On notera que ledit secteur (132) situé en extrémité de la zone active de la crémaillère (13), est proche du point d'inversion du mouvement de l'ensemble crémaillère (13) - roue dentée (12), la vitesse relative entre la crémaillère (13) et la roue dentée (12) étant réduite dans ce secteur (132) et passant par une valeur nulle au point d'inversion. Une variante du mécanisme à engrenages (1) objet de la présente invention, consiste à prévoir une deuxième crémaillère (14) située de façon à ce que l'engrènement entre ladite deuxième crémaillère (14) et la roue dentée (12) s'effectue de façon diamétralement opposée par rapport à l'engrènement entre la première crémaillère (13) et ladite roue dentée (12), ladite deuxième crémaillère (14) pouvant être rendue solidaire d'une partie fixe (2) du moteur à combustion interne, avec néanmoins une possibilité de réglage longitudinal. L'invention prévoit dans ce cas, que les mêmes dispositions prévues pour limiter les efforts radiaux indésirables entre la première crémaillère (13) et la roue dentée (12), pourront s'appliquer afin de limiter les efforts radiaux indésirables entre la deuxième crémaillère (14) et la roue dentée (12). Ainsi, des moyens d'appui (122) solidaires de la roue dentée (12) (FIG. 2) et répondant aux mêmes caractéristiques que les moyens d'appui (121) viendront coopérer avec des moyens d'appui (141) solidaires de ladite deuxième crémaillère (14) (FIG. 2), de sorte que les efforts transmis par lesdits moyens d'appui (141) et (121) entre la crémaillère (14) et la roue dentée (12), restent parallèles à l'axe longitudinal de la crémaillère (14), sans composante radiale indésirable, lors des mouvements relatifs de la roue dentée (12) et de la crémaillère (14). L'invention prévoit qu'il sera alors avantageux de positionner lesdits moyens d'appuis (121) et (122) prévus sur la roue dentée (12) et coopérant respectivement avec la première crémaillère (13) et la deuxième crémaillère (14), pratiquement diamétralement opposés. Ainsi, les composantes radiales indésirables apparaissant respectivement entre la roue dentée (12) et chacune des deux crémaillères (13) et (14), peuvent être réduites simultanément, et plus précisément dans un secteur où l'effort à transmettre est maximum. Cette disposition trouvera une application particulièrement avantageuse dans le cas d'un moteur à pistons.