Brevet FR3083826A1 — publié le 20200117

Description Titre de l'invention : Unité de soupape, telle qu'une unité de clapet d'échappement pour véhicules automobiles [0001] L'invention concerne une unité de soupape, telle qu'une unité de clapet d'échappement, en particulier pour véhicule automobile, composée d'un corps de clapet, d'un arbre de clapet monté sur, et plongeant dans celui-ci, sur lequel est prévu un clapet disposé dans le corps de clapet et où l'arbre de clapet est fonctionnellement relié à un entraînement pour faire pivoter le clapet, et où le corps de clapet et l'entraînement sont reliés l'un à l'autre par un support ou une console en état de montage. Sont mis en oeuvre comme entraînements ou actionneurs des entraînements pneumatiques ou électriques, ces derniers sous forme de moteurs électriques avec ou sans engrenage, dont l'arbre de sortie est relié par un accouplement à l'arbre de clapet. [0002] De telles unités de soupape sont utilisées sur des moteurs à combustion interne, en particulier dans un système de passage d'admission ou d'échappement, et dans le dernier cas en liaison notamment avec une désactivation de cylindre, une rccirculation des gaz d'échappement, pour des catalyseurs d'échappement ou pour influencer les bruits de combustion ou d'échappement. Du fait du poids relativement élevé des unités d'entraînement - moteurs pneumatiques ou électriques comme susmentionné, ces derniers le plus souvent accouplés en plus à un engrenage, et également pourvus d'un accouplement - et ces unités d'entraînement représentant une masse fortement oscillante, en particulier pendant le démarrage, mais aussi pendant la conduite, les supports ou consoles sont soumis à des contraintes extrêmement élevées. [0003] De tels supports ou consoles servant d'organe de liaison entre corps de clapet et ac- tionneur sont notamment connus par les documents DE 10 2004 040 817 Al et DE 195 26 143 Al en tant que supports réalisés avec une forme en L. [0004] Des supports réalisés avec une forme en U, où les « branches » du « U » sont or- thogonales à la direction de flux ou parallèles à celle-ci et soudés au corps, ont notamment été divulgués par DE 10 2004 043 662 B3, DE 20 2006 003 593 VI, DE 10 2009 016 597 AI, DE 10 2009 013 815 Al et une première forme d'exécution d'une console suivant le document DE 10 2009 011 951 B4. [0005] Les supports réalisés avec une forme en L doivent être considérés comme le mode d'exécution le moins adapté, pour une raison de résistance. Mais les consoles en forme de U présentent un profil de rigidité fortement dépendant du vecteur d'excitation. Aussi les branches des consoles en forme de U perpendiculaires à l'extension du conduit présentent-elles une résistance au basculement lors d'excitations dynamiques dans la direction de flux ou dans la direction longitudinale du corps de clapet, qui est 2 sensiblement inférieure à celle lors d'excitations dynamiques orthogonales à la direction de flux. Les consoles avec des branches parallèles à la direction de flux présentent quant à elles un comportement contraire. Les deux modes d'exécution sont critiques, en fonction du cas de charge et d'utilisation. Aussi bien les consoles en L que celles en U n'offrent pratiquement pas de protection au palier et au joint contre l'eau de condensation ou les projections d'eau, la poussière, le sel et d'autres impuretés, et par conséquent contre la corrosion. [0006] Une certaine protection contre les influences susmentionnées est offerte par les solutions de DE 699 27 323 T2 et US 20050109024 Al, mais elles supposent une fabrication complexe et sont coûteuses ; elles sont pourvues d'un corps de clapet en tant que pièce moulée avec bride formée pour la pose d'une autre bride, laquelle en supporte encore une autre au moyen d'une pièce tubulaire, l'entraînement pourvu lui aussi d'une bride étant à fixer sur celle-ci. [0007] Les solutions de DE 696 11 604 et US 6,598,619 sont au moins aussi coûteuses. [0008] Une forme d'exécution avec un corps de clapet cylindrique sur lequel est monté un support en tôle en U, où est formé un bord de maintien en forme de collerette ou de tubulure en tant que console, sur laquelle est fichée une pièce de protection recevant le moteur d'entraînement ou une plaque de maintien à rebord moulé antagoniste, a été divulguée par DE 10 2010 027 930 Ai. S'il est vrai que la console cylindrique formée sur le support en U entoure ici le palier fermé en coi, le support en U laisse toutefois pénétrer la poussière, les projections d'eau, la vapeur et les particules de saleté. Cette forme d'exécution est également coûteuse en raison du nombre relativement élevé de pièces relativement complexes à fabriquer, et la longueur visée pour une telle console est limitée. [0009] 111 a également été tenté de fabriquer le corps de clapet et la console en une seule pièce de tôle, comme le représente DE 94 19 537 Ul. Le corps de clapet s'y compose de deux demi-coques symétriques, préférentiellement fabriquées par forgeage, les deux demi-coques présentant chacune une demi-coque formée d'un seul tenant perpendiculairement à l'axe du corps, les deux demi-coques étant accolées et recevant des demi-coussinets céramiques pour le montage de l'arbre de clapet. De plus, les demi-coques formées d'un seul tenant sur le corps de clapet et qui constituent ensemble la console servent aussi à la fixation de l'entraînement, une pièce de tôle étant fixée à cet effet par sa première extrémité sur les faces frontales des demi-coques - ce qui n'est logiquement possible ici que par soudage, et l'autre extrémité de la pièce de tôle supporte l'entraînement. Sans même tenir compte de la fabrication coûteuse, un montage précis et avec lui l'étanchéité au niveau du palier ne sont pas garantis du fait des imprécisions de fabrication associées au procédé choisi et donc inévitables lors de l'assemblage des pièces de tôle sans rectification ultérieure. Une déformation 3 thermique est en outre inévitable pour cause de soudage de la pièce de tôle sur la console maintenant le palier et donc sur le palier lui-même. [0010] Une forme d'exécution manifestement en une seule pièce, elle aussi, du corps de clapet à console cylindrique formée ou tubulure de raccord cylindrique formée pour la fixation de l'entraînement résulte de la deuxième forme d'exécution de DE 10 2009 011 951 B4. Un support y est prévu entre tubulure de raccord et entraînement, lequel présente d'une part une section de maintien pour l'entraînement, et d'autre part une réception formée, correspondant à la tubulure de raccord et au moyen de laquelle le support et la tubulure de raccord sont raccordés, notamment par soudage. La longueur de la console est ici aussi limitée par la conception, ce qui représente un inconvénient du fait de l'action de la chaleur sur l'entraînement, en particulier sur ses composants électriques, électroniques ou en matière plastique. Une déformation thermique du palier de l'arbre de clapet y est de même inévitable par soudage de la réception et de la tubulure de raccord. Le dimensionnement du diamètre de la tubulure de raccord est lui aussi limité. En outre les projections d'eau, la poussière, le sel et les autres saletés ou l'eau de condensation ne peuvent pas être évacués suite à leur pénétration, d'où une corrosion et des dysfonctionnements. [0011] La présente invention vise à réaliser des unités de soupape perfectionnées, qui peuvent en particulier être fabriquées de manière simple et économique et se distinguent par une grande rigidité, en particulier une résistance au basculement notamment de leur console, et leur fiabilité de fonctionnement. Une conception appropriée doit en outre permettre de configurer différemment la rigidité des consoles en fonction des directions, de manière à prévoir des zones de rigidité supérieure, opposées à la direction principale des excitations dynamiques, ce qui permettra en particulier d'obtenir une meilleure résistance aux charges et/ou d'économiser du matériau. Enfin, pour réduire les effets de la chaleur sur l'entraînement, l'espacement entre le conduit d'échappement et l'entraînement devra être optimisé de manière simple et économique pour une protection maximale de la « vie intérieure », pour ainsi dire, de tout le clapet d'échappement, ainsi que du palier et de son étanchéité, mais aussi de l'accouplement, et de l'entraînement, contre les poussières et les particules de saleté, l'eau projetée, le sel, les vapeurs et la corrosion, un refroidissement optimal devant en outre être obtenu. [0012] Selon l'invention, ceci est obtenu en ce que la console est réalisée avec une forme tubulaire. En tant que composant propre, fabriqué séparément en soi, elle est en l'occurrence positionnée directement sur le corps par une de ses faces frontales et est raccordée à celui-ci par liaison de matière, en particulier par soudage, le soudage par faisceau laser étant particulièrement indiqué. La console est fonctionnellement espacée radialement du coussinet de palier. [0013] Dans de nombreux cas, il est avantageux que la console soit fermée sur sa périphérie, et entoure ainsi une cavité, une section transversale en forme d'anneau circulaire pouvant être la solution optimale, même avec des épaisseurs de paroi relativement réduites, par son profil de rigidité homogène également sous des excitations importantes, y compris provenant de différentes directions, et ce d'autant plus d'un tube standard - tube profilé économique pourra être mis en oeuvre et qu'aucun outil spécial coûteux ne sera exigé. [0014] Dans certains cas, il pourra aussi être avantageux, notamment pour des raisons de place, de résistance ou de coût, de pourvoir la console d'une section transversale autre qu'annulaire, et de prévoir celui-ci p. ex. polygonale, elliptique ou similaire. La console pourra en l'occurrence être orientée de manière que les parties de résistance élevée à la flexion soient dirigées vers les excitations les plus fortes. L'épaisseur de matériau pourra ainsi être réduite. [0015] Dans d'autres cas d'application, il pourra être avantageux que la console soit ouverte au moins partiellement sur sa périphérie, soit p. ex. sur toute son extension longitudinale, ou au moins sur des parties de son extension longitudinale sur sa périphérie. Pour des raisons de rigidité, entre autres, il pourra être avantageux que la paroi entoure plus de 180 c, préférentiellement plus de 2/3, plus précisément les 34, et tout particulièrement 85 % de la périphérie, de manière à ne laisser qu'une fente ou un interstice étroit. L'axe de symétrie de la console est donc inclus ou entouré, les bords latéraux ou arêtes à extension longitudinale du corps sont opposés entre eux, la console tend en quelque sorte à avoir une forme fermée. Du fait que le bord périphérique par lequel la console repose sur le corps et est raccordée, en particulier soudée à celui-ci, dépasse la ligne de sommet de la courbure du corps, une résistance élevée au basculement est obtenue, ce qui épargne du matériau et de la place. De plus, la fabrication d'une telle console est simple et économique. [0016] Ici aussi, la console pourra en fonction du profil d'application s'étendre au moins sensiblement circulairement sur sa périphérie, ou présenter une forme autre que circulaire, p. ex. avec une section transversale polygonale mais aussi une forme elliptique ou en C. [0017] Les bords longitudinaux de telles consoles ouvertes sur leur périphérie pourront s'étendre parallèlement l'un à l'autre, mais aussi, avantageusement pour des cas d'application définis, obliquement l'un par rapport à l'autre et/ou non parallèlement à l'axe de la console, voire s'écarter d'une droite. [0018] Les consoles fermées sur leur périphérie aussi bien que celles non fermées sur leur périphérie pourront en fonction de leur destination fonctionnelle définir une cavité cylindrique droite ou oblique - notamment par rapport à l'axe du corps - ou une cavité conique ou pyramidale, mais aussi une cavité de forme différente de celles susmentionnées. [0019] En termes de résistance, il sera avantageux dans la plupart des cas que la console soit si possible soudée sur toute la périphérie au conduit d'échappement, dans certains cas il pourra être plus avantageux de ne souder que ponctuellement, et dans d'autres cas d'exclure certaines zones du soudage. [0020] Cette dernière possibilité sera envisagée en particulier dans les cas où, suivant un concept inventif complémentaire, un dégagement, autrement dit un espacement sera prévu sur les parties inférieures de la console et du corps opposées entre elles. Cet espacement pourra être formé par une gorge sur le corps et/ou par un évidement sur la console. Un tel dégagement permettra aux particules de saleté ou de poussière, à l'eau, au sel, aux dépôts, etc., présents à l'intérieur de la console de sortir, de s'écouler ou d'être évacués de celle-ci, la corrosion étant de cc fait également évitée à l'intérieur du clapet d'échappement, du palier et de l'accouplement. Les évidements permettront aussi une dissipation thermique. [0021] La disposition d'au moins un tel dégagement au point le plus bas de l'assemblage console / corps sera fonctionnelle aussi bien pour des consoles fermées que des consoles non fermées sur leur périphérie. Sur des consoles ouvertes, il pourra être judicieux de le disposer de telle manière que la partie ouverte de la console associée au corps soit la partie inférieure. [0022] En particulier pour des consoles fermées sur leur périphérie, il pourra être avantageux qu'au moins une ouverture soit également prévue dans la partie supérieure, pour optimiser les conditions thermiques pour le palier, l'accouplement et l'actionneur avec ses composants électriques, électroniques ou en matière plastique. Si une pièce intercalaire telle qu'une plaque de retenue est utilisée pour la fixation de l'entraînement sur la console, il sera judicieux de prévoir une ouverture entre celle-ci et la console. Pour une meilleure dissipation de chaleur, il pourra également être avantageux de perforer la console sur sa longueur, et il pourra être judicieux de prévoir cette perforation dans la direction la moins exposée aux influences extérieures telles que projections d'eau. [0023] Il sera également avantageux que la console soit au moins partiellement recouverte par une pièce en forme de couvercle sur le côté opposé à l'actionneur, ou rendue étanche - sauf le passage de l'arbre d'entraînement - pour que des gaz d'échappement sortant éventuellement du palier, mais aussi de la poussière, de l'humidité, etc., ne puissent pas arriver sur ou dans l'actionneur avec ses composants en matière plastique, ni sur les composants électriques et électroniques. La pièce en forme de couvercle pourra en outre être pourvue d'un bord rabattu sur des parties axiales de la console et soudé à la console. Ce couvercle pourra aussi supporter une plaque de couverture ou de retenue sur laquelle sera fixé l'entraînement. Une tubulure pourra aussi être formée sur la plaque de couverture ou de retenue, préférentiellement logée dans la console où elle 6 sera centrée. [0024] L'invention sera commentée en détail en référence aux figures 1 à 5. Celles-ci re- présentent: [0025] [fig.1] une unité de soupape ou unité de clapet d'échappement dans la direction de l'axe du corps de clapet, [0026] [fig.2] une coupe suivant la ligne II-II de la fig. 1, [0027] [fig.3] une vue en perspective d'une unité de soupape selon l'invention, [0028] [fig.4] une variante, conforme au concept de l'invention, correspondant au fragment IV de la. fig. 2, vu en agrandissement, [0029] [fig.5] un fragment entre les flèches V-V, avec une autre caractéristique de l' invention. [0030] Comme il ressort des fig. 1 à 3, l'unité de soupape A se compose d'un corps de clapet 1 - préférentiellement fabriqué en acier inoxydable - sur lequel un arbre de clapet 4 est monté de manière rotative au moyen d'un palier supérieur et d'un palier inférieur 2 et 3. Le clapet 5, représenté ici en position d'ouverture, est fixé sur l'arbre 4. Les paliers 2 et 3 se composent chacun d'un coussinet de palier 2a et 3a fixé sur le corps de manière étanche aux gaz, où est prévu un support respectif 2b, 3b. Ces paliers 2 et 3 pourront notamment être exécutés conformément à la demande de brevet allemand P 10 2013 003 981, reprise dans la demande de priorité P 10 2014 003 133, appartenant à la demanderesse. [0031] L'entraînement pour le réglage du clapet se compose ici d'une unité d'entraînement 6 avec moteur électrique et engrenage, laquelle est fixée sur une plaque de retenue ou de protection?. La plaque de retenue est ici fixée au moyen d'une console 9 sur le corps 1, par intercalation d'une douille 8 en forme de godet, la plaque de retenue 7 étant soudée à la douille 8, celle-ci par sa partie de bord 8a à la console 9 et cette dernière au corps 1. [0032] La console cylindrique 9, qui peut être fabriquée à partir d'un tube profilé standard, préférentiellement en acier inoxydable, est ajustée au contour du corps sur pratiquement l'essentiel de sa partie d'extrémité distante de l'unité d'entraînement 6 - l'exception de deux évidements 9a dans la console 9 - et elle est raccordée par soudage à celui-ci. Elle se trouve radialement espacée du palier 2, si bien que le risque d'une déformation thermique est inexistant dans cette zone. Sur sa partie d'extrémité distante du corps 1, la console 9 est rendue largement étanche par la douille 8 et par son fond 8b, qui ne présente qu'un seul évidement 8c étroitement accolé à l'arbre de sortie 10 de l'unité d'entraînement 6. [0033] L'arbre de sortie 10 est - comme il ressort également de la fig. 4 - relié à l'arbre de clapet 4 par un accouplement 11 qui se compose ici d'un disque 10a prévu solidaire en rotation contre l'arbre 10, avec des fentes radiales sur sa périphérie extérieure et, 7 pénétrant dans celles-ci, des languettes 4a axiales d'un disque 4b relié à l'arbre 4, et qui peut être réalisé conformément à un des accouplements décrits dans la demande de brevet allemand P 10 2013 019 956. [0034] En coopération avec le corps 1 et la douille 8, la console 9 rend le palier 2 et l'accouplement 11 largement étanches par rapport à l'atmosphère extérieure et protège ceux-ci conte d'éventuels dommages mécaniques. [0035] L'encrassement par des particules de saleté ou de poussière, l'eau, le sel, est pra- tiquement exclu, ceux-ci pouvant être évacués avec l'eau de condensation, des dépôts, des résidus d'usure éventuelle de l'accouplement ou des supports, par les interstices réalisés sous la forme des évidements 9a entre la douille 9 et le corps 1 et qui sont prévus dans les parties les plus inférieures en état de montage sur le véhicule, où la console et le corps sont en vis-à-vis. [0036] L'ouverture Sc étroitement accolée à l'arbre 10 protège largement l'unité d'entraînement 6 contre la sortie éventuelle de gaz d'échappement chauds par le palier. [0037] Il pourra également être avantageux de prévoir au moins une ouverture au moins dans la partie supérieure de la console 9 ou de la douille 8, comme celle indiquée par le signe de référence 12, une meilleure dissipation de chaleur pouvant ainsi être obtenue. Cet effet pourra encore être amélioré si la console 9 ou la douille 8 présentent plusieurs ouvertures, comme celles [0038] indiquées par le signe de référence 13, donc si une perforation est pratiquement prévue. [0039] Comme représenté en fig. 4, la fixation de l'unité d'entraînement sur la console 9 pourra cependant être également réalisée au moyen d'un rebord 7a formé sur la plaque de retenue 7 et centré dans une gorge 9b de la console 9. Le soudage de la console 9 et de la plaque de retenue sera ici directement effectué. [0040] La conformation cylindrique ici représentée de la console offre une rigidité optimale pour plusieurs cas d'application, y compris en cas de fortes excitations dynamiques provenant de différentes directions, ainsi qu'une protection contre la saleté. [0041] Alors que les fig. 1 à 4 représentent une console fermée sur sa périphérie, c'est une console ouverte sur sa périphérie qui est représentée en fig. 5. La console 15 ici une forme de base elliptique, en l'occurrence la forme d'un « C », elle entoure sur plus de la moitié de sa périphérie une cavité, elle est donc fermée sur plus de 180° autour de son axe de symétrie, présente deux bords longitudinaux ou arêtes 15a. 15b opposées l'une à l'autre et elle tend vers une forme fermée. Elle présente une grande stabilité de ce fait. Elle peut aussi être orientée par sa partie ouverte de manière que celle-ci soit dans la direction de la plus faible excitation. Du matériau pourra ainsi être économisé, même en épaisseur de paroi. Il pourra également être judicieux de prévoir les deux arêtes 15a, 15b dans les parties les plus inférieures de la console en état de montage sur 8 le véhicule. Il pourra également être judicieux de prévoir un dégagement, comme indiqué par le signe de référence 17, sur l'autre partie inférieure, également supérieure au point de sommet, où la console et le corps sont opposés l'une à l'autre. Tout comme dans le précédent exemple d'exécution, des ouvertures ou une perforation pourront aussi être ménagées dans la console 15, pour améliorer les conditions thermiques. [0042] Les consoles selon la présente invention pourront aussi être disposées ou réalisées sur la pièce de connexion, p. ex. en fonction de l'espace de construction disponible, de manière que leur axe soit oblique par rapport à l'axe de la pièce de connexion et/ou passe contre celui-ci. L'axe pourra aussi s'écarter d'une droite. 9 [Revendication I] [Revendication 2] [Revendication 3] [Revendication 4] [Revendication 5]