Brevet FR3034833A1 — publié le 20161014

PIGNON DE DEMARREUR POUR MOTEUR THERMIQUE DE VEHICULE AUTOMOBILE A PERFORMANCES MECANIQUES AMELIOREES La présente invention porte un pignon de démarreur pour moteur thermique de véhicule automobile à performances mécaniques améliorées. Afin de démarrer un moteur à combustion interne, notamment d'un véhicule automobile, il est connu d'utiliser une machine électrique tournante sous la forme d'un démarreur pourvu d'un lanceur capable de transmettre une énergie de rotation du démarreur à un vilebrequin du moteur thermique par l'intermédiaire d'une couronne d'entraînement. Ce lanceur est monté sur un arbre d'entraînement accouplé avec l'arbre de la machine électrique par l'intermédiaire d'un réducteur de vitesses. Le lanceur est monté mobile en translation sur l'arbre d'entraînement entre une position de repos dans laquelle les dents d'un pignon d'entraînement sont dégagées des dents d'une couronne de démarrage solidaire, de manière rigide ou élastique, du vilebrequin du moteur thermique, et une position d'activation dans laquelle les dents du pignon d'entraînement engrènent avec des dents de la couronne de démarrage. En particulier, le pignon est monté sur l'arbre par le biais d'une liaison hélicoïdale. Ce lanceur peut subir des chocs mécaniques importants lors du fonctionnement du démarreur. Ainsi, des chocs sont notamment observables en début de démarrage, lorsque les dents du pignon d'entraînement peuvent percuter et/ou glisser contre les dents de la couronne de démarrage en engageant entre celles-ci. Aprés cet engagement, par la transmission de couple avec la couronne, les flancs de dent sont sollicités et s'usent. . Ce type de contraintes mécaniques subies par le pignon est particulièrement important pour les démarreurs utilisés avec les systèmes d'arrêt et de redémarrage automatique du moteur (système dit "stop and start" en anglais) devant supporter un très grand nombre de cycles de fonctionnement ( notamment de l'ordre de 250 000 cycles). Afin d'augmenter la durée de vie des pignons, des essais ont été réalisés avec des pignons en acier fritté ayant une densité valant 7.3g/cm3. 3034833 2 Toutefois, compte tenu de la porosité relativement importante de ce matériau, une telle configuration génère des problèmes de tenue à l'usure lors de la transmission de couple. En outre, dans le cas où un traitement thermique est réalisé dans la masse de la pièce, cela augmente la dureté de 5 manière homogène du matériau du pignon. Lorsque cette dureté est trop basse il y a une usure du pignon lors de la transmission de couple trop importante pour dépasser 100000 cycles et lorsque l'on augmente la dureté pour supporter ces 100000 cycles il y a un important risque de casse du pignon lors de chocs du pignon sur la couronne. 10 L'invention vise à remédier à au moins un de ces inconvénients en proposant un pignon de démarreur de moteur thermique de véhicule automobile muni de dents, caractérisé en ce que ledit pignon est réalisé dans un matériau à base d'acier fritté ayant une densité apparente comprise entre 7.4 et 7.75 g/cm3. Par rapport aux pignons frittés ayant une densité apparente 15 moins élevée, une telle plage de densité minimise la porosité du pignon et donc améliore sa tenue à l'usure. Selon une réalisation, la densité apparente dudit pignon est comprise entre 7.4 et 7.5 g/cm3. Le fait de sélectionner des valeurs dans la partie basse de la plage préférentielle de base permet de réduire en outre le bruit compte 20 tenu de la présence de porosités dans le matériau qui contrarient la propagation des ondes sonores. Selon une réalisation, la densité apparente dudit pignon vaut de préférence 7.4 g/cm3. Une telle valeur préférentielle de densité permet d'obtenir un compromis optimum en termes de tenue mécanique et à l'usure et de 25 performance acoustique du démarreur. Selon une réalisation, ledit pignon présente un profil de dureté décroissant au moins dans la zone périphérique externe desdites dents, en sorte qu'entre les deux valeurs extrêmes de dureté, il existe un rapport d'au moins 1/3. Un tel profil de dureté permet d'obtenir une dureté élevée au niveau des dents 30 du pignon afin de garantir une tenue en durabilité (tenue à l'usure mécanique, fatigue) et une dureté plus faible en profondeur conférant une bonne résistance aux chocs (résilience). 3034833 3 Selon une réalisation, ledit pignon présente une plage de microdureté comprise entre 700 et 865 Vickers pour une profondeur dans ledit pignon comprise entre 0 et 0.4mm, et une plage de microdureté comprise entre 400 et 600 Vickers pour une profondeur comprise entre 0.7 et 1.2mm. Suivant 5 cette plage préférentielle, un pignon fritté selon l'invention permet de tenir au moins 150 000 cycles de fonctionnement. Selon une réalisation, ledit pignon présente une plage de microdureté comprise entre 725 et 865 Vickers pour une profondeur dans ledit pignon comprise entre 0 et 0.4mm, et une plage de microdureté comprise entre 400 10 et 600 Vickers pour une profondeur dans ledit pignon comprise entre 0.9 et 1.2mm. Suivant cette plage préférentielle, un pignon fritté selon l'invention permet de tenir au moins 200 000 cycles de fonctionnement. Selon une réalisation, ledit pignon comprend une microdureté comprise entre 740 et 850 Vickers entre 0 et 0,2mm de profondeur et comprend une 15 microdureté entre 430 et 575 Vickers à une profondeur entre 0,9 et 1,2 mm par rapport à la surface de contact. Suivant cette plage préférentielle, un pignon fritté selon l'invention permet de tenir au moins 250 000 cycles de fonctionnement. 20 Selon une réalisation, ledit pignon a subi une opération de cémentation trempe revenu afin d'obtenir le profil de dureté décroissant précité. Selon une réalisation, la totalité dudit pignon a subi l'opération de cémentation trempe revenu. Selon une réalisation, seule la zone périphérique externe desdites dents 25 dudit pignon a subi l'opération de cémentation trempe revenu. Selon une réalisation, ledit pignon est réalisé à partir d'une poudre contenant du fer, du carbone, et du Molybdène dont la teneur en masse est d'au moins 0.85%. Une telle composition de poudre permet d'obtenir une trempabilité suffisante pour obtenir une structure martensitique dans la couche cémentée 30 et une structure bainitique à coeur. 3034833 4 Selon une réalisation, pour une profondeur comprise entre 0 et 0,2mm, un taux de carbone est entre 1,5 et 4 fois plus élevé que pour une profondeur comprise entre 0,9mm et 1,2mm et de préférence entre 2 et 2,5 fois plus élevé. Cela permet d'avoir une bonne dureté à la surface pour éviter une 5 usure prématurée. L'invention a également pour objet un ensemble à pignon comportant: - un pignon tel que précédemment défini, et - un arbre porte-pignon sur lequel est monté ledit pignon, ledit pignon étant lié en rotation avec ledit arbre porte-pignon. 10 Selon une réalisation, ledit pignon est fixe en translation par rapport audit arbre porte-pignon. Selon une réalisation, ledit pignon est mobile en translation par rapport audit arbre porte-pignon. L'invention concerne en outre un démarreur de moteur thermique de véhicule 15 automobile comportant un pignon tel que précédemment défini ou un ensemble à pignon tel que précédemment défini. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à l'examen des figures qui l'accompagnent. Ces figures ne sont données qu'à titre illustratif mais nullement limitatif de l'invention. 20 La figure 1 est une vue schématique de côté d'un démarreur de moteur thermique de véhicule automobile selon la présente invention; La figure 2 est une vue schématique en perspective du pignon du démarreur selon la présente invention; La figure 3 représente un profil préférentiel de dureté en fonction de la 25 profondeur du pignon selon la présente invention; La figure 4 est une vue en perspective d'un ensemble à pignon selon la présente invention. Les éléments identiques, similaires ou analogues conservent les mêmes références d'une figure à l'autre. 3034833 5 On a représenté schématiquement sur la figure 1 un démarreur 1 pour moteur à combustion interne de véhicule automobile. Ce démarreur 1 à courant continu comprend, d'une part, un rotor 2, encore appelé induit, pouvant tourner autour d'un axe X, et d'autre part, un stator 3, encore appelé 5 inducteur, positionné autour du rotor 2. Dans l'exemple illustré, la machine électrique tournante formée par le stator 3 et le rotor 2 est de type six pôles. Ce stator 3 comporte une culasse 4 portant un ensemble d'aimants permanents 5 destinés à produire un champ inducteur. Les aimants permanents 5 sont conformés selon des segments cylindriques, en étant 10 angulairement répartis à intervalles réguliers à l'intérieur de la culasse 4, et séparés uniformément du rotor 2 par un entrefer radial 30. Le rotor 2 comporte un corps de rotor 7 et un bobinage 8 enroulé dans des encoches du corps de rotor 7. Le corps du rotor 7 consiste en un paquet de tôles présentant des encoches longitudinales. Pour former le bobinage 8, des 15 fils conducteurs en forme d'épingle 11 sont enfilés à l'intérieur des encoches 16 généralement sur deux couches distinctes. Le bobinage 8 forme, de part et d'autre du corps de rotor 7, des chignons 9. Le rotor 2 est pourvu, à l'arrière, d'un collecteur 12 comprenant une pluralité de pièces de contact connectées électriquement aux éléments conducteurs, 20 formés dans l'exemple considéré par les épingles 11 du bobinage 8. Un groupe de balais 13 et 14 est prévu pour l'alimentation électrique du bobinage 8, l'un des balais 13 étant relié à la masse du démarreur 1 et un autre des balais 14 étant relié à une borne électrique 15 d'un contacteur 17. Les balais sont par exemple au nombre de quatre. 25 Les balais 13 et 14 viennent frotter sur le collecteur 12 lorsque le rotor 2 est en rotation, permettant l'alimentation du rotor 2 par commutation du courant électrique dans des sections du rotor 2. Le contacteur 17 comprend, outre la borne 15 reliée au balai 14, une borne 29 reliée, via un élément de liaison électrique, à une alimentation électrique 30 du véhicule, notamment une batterie. 3034 833 6 Le démarreur 1 comporte en outre un ensemble lanceur 19 monté de manière coulissante sur un arbre d'entraînement 18 et pouvant être entraîné en rotation autour de l'axe X par le rotor 2. Un ensemble réducteur de vitesses 20 est interposé entre un arbre du rotor 2 5 et l'arbre d'entraînement 18. L'ensemble lanceur 19 comporte un élément d'entraînement formé par un pignon 21 et destiné à s'engager sur un organe d'entraînement du moteur thermique, tel qu'une couronne de démarrage. En variante, il serait possible d'utiliser un système à poulie. L'ensemble lanceur 19 comprend en outre une roue libre 22 et une rondelle 10 poulie 23 définissant entre elles une gorge 24 pour recevoir l'extrémité 25 d'une fourchette 27. La fourchette 27 est actionnée par le contacteur 17 pour déplacer l'ensemble lanceur 19 par rapport à l'arbre d'entraînement 18, suivant l'axe X, entre une première position dans laquelle l'ensemble lanceur 19 entraîne le moteur thermique par l'intermédiaire du pignon d'entrainement 15 21, et une deuxième position dans laquelle l'ensemble lanceur 19 est désengagé de la couronne d'entraînement du moteur thermique. Lors de l'activation du contacteur 17, une plaque de contact interne (non représentée) permet d'établir une connexion entre les bornes 15 et 29 afin de mettre sous tension le moteur électrique. Cette connexion sera coupée lors 20 de la désactivation du contacteur 17. La figure 2 montre le pignon 21 destiné à engrener avec l'organe d'entraînement du moteur. Ce pignon 21 comporte un corps 211 de forme globalement annulaire, muni de dents 212 à sa périphérie externe, et d'une face 213 cannelée en périphérie interne. 25 Le pignon 21 est réalisé dans un matériau à base d'acier fritté ayant une densité apparente comprise entre 7.4 et 7.75 g/cm3. Par rapport aux pignons frittés ayant une densité apparente moins élevée, on minimise la porosité du pignon 21 et donc on améliore sa tenue à l'usure. La densité apparente du pignon 21 est comprise avantageusement entre 7.4 et 7.5g/cm3. Le fait de 30 sélectionner des valeurs dans la partie basse de la plage préférentielle permet de réduire en outre le bruit compte tenu de la présence de porosités dans le matériau qui contrarient la propagation des ondes sonores. Afin d'obtenir un compromis optimum en termes de tenue à l'usure et de 3034833 7 performance acoustique du démarreur, la densité apparente du pignon 21 vaut de préférence 7.4 g/cm3. Comme cela est bien visible sur la figure 3, le pignon 21 présente un profil de dureté décroissant lorsque l'on se déplace de la surface externe du pignon 5 21 (en particulier au niveau des dents 212) vers la profondeur Pr du matériau et ce au moins dans la zone périphérique externe des dents 212. Le profil est tel entre les deux valeurs extrêmes de dureté, il existe un rapport d'au moins 1/6 et en moyenne 1/3. Un tel profil de dureté permet d'obtenir une dureté élevée au niveau des dents 212 afin de garantir une tenue en durabilité 10 (tenue à l'usure mécanique, fatigue) et une dureté plus faible en profondeur conférant une bonne résistance aux chocs (résilience). Avantageusement, le pignon 21 présente une plage de microdureté comprise entre 700 et 865 Vickers pour une profondeur Pr dans le pignon 21 comprise entre 0 et 0.4mm (0 correspondant à la surface externe du pignon 21 en 15 contact avec l'atmosphère), et une plage de microdureté comprise entre 400 et 600 Vickers pour une profondeur Pr comprise entre 0.7 et 1.2mm. Idéalement, comme cela est illustré par la figure 3, le pignon 21 présente une plage de microdureté P1 comprise entre 725 et 865 Vickers pour une profondeur Pr dans le pignon 21 comprise entre 0 et 0.2mm, et une plage de 20 microdureté P2 comprise entre 400 et 600 Vickers pour une profondeur Pr dans le pignon 21 comprise entre 0.9 et 1.2mm. Entre ces deux plages de dureté P1, P2, la microdureté du pignon 21 décroît progressivement. Suivant ce profil de microdureté préférentiel, pour un pignon comprenant 13 dents, le pignon 21 permet de tenir au moins 25 250000 cycles de fonctionnement. Le pignon 21 a subi une opération de cémentation trempe revenu de détente afin d'obtenir le profil de dureté décroissant précité. Cette opération de cémentation trempe revenu consiste en un traitement thermochimique, c'est-à-dire qu'il s'agit d'un traitement thermique à haute température qui 30 s'accompagne d'une modification de la composition chimique de l'alliage de base par enrichissement et d'une diffusion en carbone apporté par une atmosphère du four riche en élément carbone. Le pignon 21 à traiter étant en contact avec cette atmosphère riche en carbone dans le four de traitement, 3034833 8 le carbone va alors enrichir la surface puis diffuser sur une certaine profondeur Pr créant ainsi un gradient de concentration en carbone décroissant depuis la surface et sur une certaine profondeur Pr jusqu'à retrouver la teneur initiale en carbone de l'alliage. 5 Une fois cette étape réalisée à haute température, on procède ensuite à l'opération de trempe consistant en une phase de refroidissement brutal de la pièce. Cela va permettre d'obtenir les transformations de structures métallurgiques et des modifications de dureté afin d'obtenir le profil de dureté décroissant précité dans toute la couche superficielle cémentée (depuis la 10 surface et sur une certaine profondeur Pr). Enfin, les pièces ne restent pas à l'état brut de trempe (sinon elles seraient plus fragiles). Les pièces subissent un revenu de détente qui a un léger impact sur la dureté en surface et à proximité, c'est-à-dire à une profondeur Pr de l'ordre de 0.2mm par exemple mais pas sur le reste du profil de dureté. 15 Le pignon 21 obtenu à l'issue de l'opération de "cémentation trempe revenu" présente pour une profondeur comprise entre 0 et 0,2mm, un taux de carbone est entre 1,5 et 4 fois plus élevé que pour une profondeur comprise entre 0,9mm et 1,2mm et de préférence entre 2 et 2,5 fois plus élevé. Cela permet d'avoir une bonne dureté à la surface pour éviter une usure 20 prématurée. Dans le cas où le taux entre 0 et 0.2mm de profondeur est inférieur à deux fois le taux de carbone entre 0.9 et 1.2mm de profondeur, il est préférable que l'alliage comporte des matières qui augmentent la trempabilité, ou toute autre composition chimique de la poudre permettant d'avoir une trempabilité suffisante pour obtenir 25 le profil de dureté décroissant précité. Afin d'évaluer le profil de carbone en surface (et donc de dureté) et à différentes profondeurs Pr dans la couche cémentée, plusieurs techniques pourront être mises en oeuvre en fonction de la géométrie de la pièce, et du type de matériau. Il sera également nécessaire de réaliser des filiations de 30 dureté sous charge réduite avec un microduromètre. Il est à noter que l'ensemble du pignon 21 pourra subir l'opération de cémentation trempe revenu. Alternativement, seule la zone périphérique 3034833 9 externe des dents 212 du pignon 21 pourra subir l'opération de cémentation trempe revenu. Dans le cadre de l'opération par cémentation trempe et revenu, le pignon 21 est réalisé à partir d'une poudre contenant du fer, du carbone, et du 5 Molybdène dont la teneur en masse est d'au moins 0.85%. Une telle composition de poudre permet d'obtenir une trempabilité suffisante pour obtenir une structure martensitique dans la couche cémentée et une structure bainitique à coeur. Le pignon 21 de la figure 2 décrit précédemment pourra être monté tel quel 10 sur l'arbre d'entraînement 18. En variante, le pignon 21 appartient à un ensemble à pignon 31 montré sur la figure 4. Cet ensemble 31 comporte ainsi le pignon 21 monté sur un arbre porte-pignon 32. L'arbre porte-pignon 32 est muni à une de ses extrémités d'une piste 33 de la roue libre 22 ménagée en périphérie externe de l'arbre 32. Dans ce cas la face interne 15 213 de la périphérie interne est lisse contrairement au cas de la figure 2 pour laquelle le pignon comporte des cannelures sur la surface interne 213. En effet, le pignon doit pouvoir rester libre en rotation par rapport à l'arbre d'entraînement sur lequel il est monté lorsque la roue libre (comprenant la piste 33) est débrayée par le fait du pignon qui est entraîné plus vite en 20 rotation que l'arbre d'entraînement. Le pignon 21 est lié en rotation avec l'arbre porte-pignon 32. Le pignon 21 est fixe en translation par rapport à l'arbre porte-pignon 32, ou mobile en translation par rapport à l'arbre porte-pignon 32 en particulier dans le cas où un dispositif d'absorption des chocs est intégré dans l'arbre porte pignon 32. 25 Un tel dispositif comporte un ressort sollicitant le pignon 21 contre une butée à l'état repos et en cas de choc axial avec les dents de la couronne d'entraînement le ressort est comprimé par le déplacement en translation du pignon 21 qui a alors tendance à reculer par rapport à la butée. REVENDICATIONS1. Pignon (21) de démarreur de moteur thermique de véhicule automobile muni de dents (212), caractérisé en ce que ledit pignon (21) est réalisé dans un matériau à base d'acier fritté ayant une densité apparente 5 comprise entre 7.4 et 7.75 g/cm3. 2. Pignon selon la revendication 11 caractérisé en ce que la densité apparente dudit pignon (21) est comprise entre 7.4 et 7.5 g/cm3. 3. Pignon selon la revendication 2, caractérisé en ce que la densité apparente dudit pignon (21) vaut de préférence 7.4 g/c,m3. 10 4. Pignon selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ledit pignon (21) présente un profil de dureté décroissant au moins dans la zone périphérique externe desdites dents (212), en sorte qu'entre les deux valeurs extrêmes de dureté, il existe un rapport d'au moins 1/6, de préférence 1/3. 15 5. Pignon selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit pignon (21) présente une plage de microdureté comprise entre 700 et 865 Vickers pour une profondeur (Pr) dans ledit pignon (21) comprise entre 0 et 0.4mm, et une plage de microdureté comprise entre 400 et 600 Vickers pour une profondeur (Pr) comprise entre 0.7 et 1.2mm. 20 6. Pignon selon la revendication 5, caractérisé en ce que ledit pignon (21) présente une plage de dureté (P1) comprise entre 725 et 866 Vickers pour une profondeur (Pr) dans ledit pignon (21) comprise entre 0 et 0.2mm, et une plage de dureté (P2) comprise entre 400 et 600 Vickers pour une profondeur (Pr) dans ledit pignon (21) comprise entre 0.9 et 1.2mm. 25 7. Pignon selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que ledit pignon (21) a subi une opération de cémentation trempe revenu afin d'obtenir le profil de dureté décroissant précité. 3034833 11 8. Pignon selon la revendication 7, caractérisé en ce que la totalité dudit pignon (21) a subi l'opération de cémentation trempe revenu. 9. Pignon selon la revendication 7, caractérisé en ce que seule la zone périphérique externe desdites dents (212) dudit pignon (21) a subi l'opération de cémentation trempe revenu. 10. Pignon selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que ledit pignon (21) est réalisé à partir d'une poudre contenant du fer, du carbone, et du Molybdène dont la teneur en masse est d'au moins 0.85%. 11. Pignon selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que pour une profondeur (Pr) comprise entre 0 et 0,2mm, un taux de carbone est entre 1,5 et 4 fois plus élevé que dans une profondeur (Pr) comprise entre 0,9mm et 1,2mm et de préférence entre 2 et 2,5 fois plus élevé. 12. Ensemble à pignon (31) comportant: - un pignon (21) tel que défini selon l'une quelconque des revendications précédentes, et - un arbre porte-pignon (32) sur lequel est monté ledit pignon (21), ledit pignon (21) étant lié en rotation avec ledit arbre porte-pignon (32). 13. Ensemble selon la revendication 12, caractérisé en ce que ledit pignon (21) est fixe en translation par rapport audit arbre porte-pignon (32). 14. Ensemble selon la revendication 12 ou 13, caractérisé en ce que ledit pignon (21) est mobile en translation par rapport audit arbre porte-pignon (32). 15. Démarreur de moteur thermique de véhicule automobile comportant un pignon (21) tel que défini selon l'une quelconque des revendications 1 à 11 ou un ensemble à pignon (31) tel que défini selon l'une quelconque des revendications 12 à 14.