Brevet FR3075306A1 — publié le 20190621

Dispositif d'actionnement pour vanne de controle moteur La presente invention concerne un dispositif d'actionnement destine a etre integre dans une vanne de controle moteur. La vanne peut etre une vanne de controle du debit de gaz d'echappement recircules a ('admission d'un moteur thermique, notamment d'automobile. II est bien connu d'utiliser des vannes a soupape pour les applications en tant que vanne doseuse du debit de gaz d'echappement recircules entre rechappement et ('admission d'un moteur thermique, notamment d'automobile. Ce type de vanne possede generalement une soupape mobile en translation disposee dans le conduit de circulation des gaz, et la soupape est mise en mouvement par un mecanisme de commande entraine par un moteur electrique. Afin d'obtenir un faible niveau de frottement et une bonne precision, it est connu d'integrer une vis a billes dans le mecanisme de transformation de mouvement du mouvement de rotation du moteur electrique en mouvement de translation de la soupape. Un tel exemple est decrit par exemple dans la demande de brevet FR3040746. De fawn classique, la vis a billes comporte deux bagues concentriques entre lesquelles sont interposees des billes. Les billes circulent dans une piste de roulement formee en partie sur la bague exterieure et en partie sur la bague interieure. La tige de soupape est inseree dans la bague interieure de la vis a billes. La tige de soupape et la bague interieure sont solidarisees par exemple par soudure, ou par emmanchement. Ce type d'assemblage de la tige de soupape dans la vis a billes permet d'utiliser une vis a billes de type standard, puisque la tige est rapportee dans la vis a billes. Par contre l'encombrement radial du dispositif est eleve. En effet, la tige de soupape est entouree par la bague interieure de la vis a billes, la bague interieure est elle-meme entouree par les billes, et les billes sont entourees par la bague exterieure. Cette configuration engendre donc un diametre eleve pour ('ensemble. Le but de l'invention est de fournir une solution permettant de diminuer l'encombrement radial de la vis a billes, ce qui facilite son integration dans une vanne de controle moteur. II est ainsi possible de diminuer l'encombrement global de la vanne. De plus, le nombre d'operations necessaires a l'assemblage de la vanne est reduit et par consequent l'assemblage de la vanne est facilite. A cet effet, l'invention propose un dispositif d'actionnement pour vanne de controle moteur, com portant : - une bague mobile selon un axe, - un arbre mobile selon l'axe, 2 - un ensemble de billes liant cinematiquement la bague et l'arbre, les billes etant agencees pour circuler dans une piste helicoIdale formee au moins partiellement sur l'arbre, - un obturateur solidaire d'une portion de fixation de l'arbre, caracterise en ce que la portion de fixation de l'arbre a l'obturateur et la piste helicoIdale forment un 5 ensemble monobloc. Ainsi, la vis de la vis a billes est formee directement sur l'arbre dont l'obturateur est solidaire. Autrement dit, lorsque l'obturateur est une soupape, la vis est formee directement sur la tige de soupape. La bague interieure d'une vis a billes classique est supprimee. L'encombrement radial de la vis a billes est donc reduit, c'est-a-dire que son diametre est reduit. 10 De preference, la piste helicoIdale est formee sur une partie de la peripherie de l'arbre. De preference encore, la bague possede une forme de cylindre creux possedant une surface interieure, et la piste helicoIdale est formee sur une partie de la surface interieure de la bague. Les billes sont ainsi disposees radialement entre la tige de soupape et la bague de la vis a billes. Les billes sont directement en contact d'une part avec la bague, et d'autre part avec la vis formee sur la 15 tige de soupape. Avantageusement, l'obturateur comporte un logement dans lequel est revue la portion de fixation de l'arbre. L'insertion de l'arbre dans le logement permet de garantir la resistance de ('assemblage entre l'arbre et l'obturateur. Plusieurs methodes d'assemblage sont possibles, comme l'emmanchement, une 20 soudure, une brasure, un sertissage. Selon un mode de realisation, le logement est cylindrique. Le logement est ainsi facilement fabriquable. Selon un mode de realisation prefere, le logement de l'obturateur est debouchant. Selon un mode de realisation, l'obturateur est emmanche sur l'arbre. 25 Avantageusement, une extremite de l'arbre affleure une surface axiale du logement. En variante ou de maniere complementaire, l'obturateur est soude sur l'arbre, notamment par soudure laser. Selon un autre mode de realisation, le logement de l'obturateur est borgne. L'etancheite entre l'arbre et l'obturateur est ainsi garantie. 30 Avantageusement, l'obturateur est soude par friction sur l'arbre. Selon un mode de realisation prefere, l'arbre est metallique. 3 Avantageusement, l'arbre est en acier. L'arbre peut ainsi resister a des temperatures elevees. Selon un mode de realisation, l'arbre est en acier inoxydable. L'arbre peut ainsi etre utilise dans une atmosphere corrosive. 5 En variante, l'arbre est en acier comportant entre 0,95% et 1,05% de carbone et entre 1,35% et 1,60% de chrome. Cette nuance d'acier permet d'assurer une faible usure et un faible coefficient de frottement. Selon un mode de realisation prefere, la bague est metallique. Avantageusement, la bague est en acier. 10 Selon un mode de realisation, la bague est en acier inoxydable. En variante, la bague est en acier comportant entre 0,95% et 1,05% de carbone et entre 1,35% et 1,60% de chrome. Selon un mode de realisation avantageux, les billes sont en acier. Avantageusement, les billes sont en acier comportant entre 0,95% et 1,05% de carbone et entre 15 1,35% et 1,60% de chrome. Cette nuance d'acier permet d'assurer une faible usure et un faible coefficient de frottement. Selon un mode de realisation, la bague comporte un chemin de recirculation permettant de recirculer les billes d'une extremite a I'autre de la piste helicoIdale. La recirculation des billes lors de la rotation de la bague par rapport a la vis permet d'avoir une 20 amplitude de rotation illimitee. Selon un exemple de mise en oeuvre de ('invention, le rapport entre le diametre exterieur de la bague et le diametre de l'arbre est compris entre 1,5 et 2,5. Autrement dit, l'encombrement radial du dispositif d'actionnement est reduit. Avantageusement, le rapport entre le diametre de l'arbre et le diametre des billes est compris entre 25 1,5 et 4. Cette plage de valeur permet de limiter l'encombrement radial tout en permettant un faible niveau de frottement entre les pieces en mouvement. Selon un mode de realisation, le jeu existant entre la surface exterieure de l'arbre et la surface interieure de la bague est compris entre 5% et 15% du diametre de l'arbre. 30 De preference, la piste helicofdale comporte un fond de forme hemispherique. 4 Cette forme, complementaire de celle des billes, permet un bon guidage des billes et un faible niveau de frottement. L'invention se rapporte egalement a une vanne de circulation de fluide, comportant : - Un corps definissant un conduit de circulation de fluide, 5 - Un dispositif d'actionnement tel que decrit precedemment, - L'obturateur etant mobile entre une position d'ouverture permettant le passage du fluide dans le conduit et une position de fermeture empechant le passage du fluide dans le conduit. Grace a I'encombrement radial reduit du dispositif d'actionnement, la vanne de circulation de fluide integrant le dispositif d'actionnement peut etre plus compacte. 10 Selon un mode de realisation d'une vanne selon l'invention, la bague est fixe en translation et libre en rotation, l'arbre etant fixe en rotation et libre en translation. Cette configuration est adaptee a l'obtention d'un mouvement de translation de l'obturateur a partir d'un mouvement de rotation d'un organe d'entrainement. De preference, la vanne comporte un moteur electrique agence pour entrainer la bague en rotation. 15 La position de l'obturateur est controlee par le moteur electrique, ce qui permet un controle rapide et précis. Selon un mode de realisation, l'axe du moteur electrique est perpendiculaire a l'axe de l'arbre. Cette disposition permet de limiter la hauteur de la vanne et d'obtenir une vanne compacte. Avantageusement, la vanne comporte une roue dentee solidaire de la bague, le moteur electrique 20 etant agence pour engrener avec la roue dentee, l'arbre comportant un dispositif d'anti-rotation. Selon un mode de realisation, la bague est maintenue dans une cage interieure d'un roulement. Avantageusement, une cage exterieure du roulement est maintenue dans le corps de vanne. L'utilisation d'un roulement pour le positionnement et le guidage de la bague de la vis a billes permet une bonne precision et un faible niveau de frottement. 25 Selon un mode de realisation, le fluide circulant dans le conduit contient des gaz d'echappement d'un moteur thermique. Selon un exemple de mise en oeuvre, la vanne est une vanne de recirculation des gaz d'echappement entre un circuit d'echappement et un circuit d'admission d'un moteur thermique. Pour ce type d'application it est souhaitable de disposer d'une vanne compacte et permettant un 30 controle précis du debit, comme on peut l'obtenir grace a l'invention. Avantageusement, les gaz d'echappement recircules sont recircules dans le circuit d'admission en aval d'un compresseur d'un dispositif de suralimentation du moteur thermique. 5 Autrement dit, la vanne est utilisee selon ('architecture dite « haute pression ». Ce type de vanne est bien adapts a cette application, en raison notamment de son faible niveau de fuites. D'autres caracteristiques et avantages de ('invention apparaitront a la lecture de la description detainee des modes de realisation donnee a titre d'exemples non limitatifs, accompagnee des figures 5 ci-dessous : La figure 1 represente une vue en coupe d'une vanne de recirculation de gaz d'echappement integrant un dispositif d'actionnement selon ('invention, La figure 2 est une vue en coupe partielle, d'une vanne integrant un dispositif d'actionnement selon l'etat de l'art, 10 - La figure 3 est une vue en coupe, partielle, de la vanne de la figure 1, - La figure 4 est une vue de detail, partielle, du dispositif d'actionnement de la figure 3. Sur les differentes figures, les elements analogues sont designes par des references numerique identiques. Afin de faciliter la lecture des figures, les differents elements ne sont pas necessairement representes a l'echelle. 15 On a represents sur la figure 1 une vanne 30 de circulation de fluide, comportant : - Un corps 14 definissant un conduit 15 de circulation de fluide, - Un dispositif d'actionnement 20, - Un obturateur 5 etant mobile entre une position d'ouverture permettant le passage du fluide dans le conduit 15 et une position de fermeture empechant le passage du fluide dans le conduit 15. 20 Sur l'exemple decrit, la vanne est une vanne de recirculation des gaz d'echappement entre un circuit d'echappement et un circuit d'admission d'un moteur thermique. La vanne 30 peut etre utilisee selon ('architecture dite « haute pression ». Autrement dit, les gaz d'echappement recircules sont recircules dans le circuit d'admission en aval du compresseur d'un dispositif de suralimentation du moteur thermique. Les gaz d'echappement recircules sont preleves 25 dans le circuit d'echappement du moteur en amont de la turbine. Le corps de vanne 14 recoit les principaux elements de la vanne. La vanne possede un capot 24 permettant de fermer de maniere hermetique aux corps solides et liquides le corps de vanne 14. L'obturateur 5 est mobile en translation entre une position de fermeture du conduit 15 dans laquelle l'obturateur repose sur un siege 23, comme represents sur la figure 1, et une position de levee 30 maximale 00 la distance entre l'obturateur et le siege est maximale. Une unite electronique de controle, par exemple celle pilotant le fonctionnement du moteur thermique, controle le courant d'alimentation du moteur electrique 16 de la vanne 30, afin d'assurer 6 le degre d'ouverture souhaite de l'obturateur 5. Le debit de gaz d'echappement recircules peut ainsi etre regule a sa valeur de consigne, et peut varier de fagon continue. L'unite electronique de controle n'a pas ete representee. Le connecteur 25 situe sur le capot 24 permet Ia connexion electrique entre Ia vanne 30 et l'unite electronique de controle. 5 Lorsque l'obturateur 5 repose sur son siege 23, le debit de gaz dans le conduit est nul. Par debit nul, on entend qu'iI n'y a pas d'ecoulement de gaz, a ('exception des inevitables fuites parasites. Lorsque l'obturateur 5 est en position de levee maximale, Ia section de passage des gaz dans le conduit 15 est maximale. L'obturateur 5 peut aussi etre designe par le terme « tete de soupape », l'arbre 2 pouvant lui etre designe par le terme « tige de soupape ». 10 Le dispositif d'actionnement 20 permet de convertir un mouvement de rotation de Ia bague 1 en un mouvement de translation de l'arbre 2. La bague 1 est fixe en translation et libre en rotation, l'arbre 2 etant fixe en rotation et libre en translation. La bague 1 tourne autour de l'axe D1, et l'arbre 2 se translate le long de l'axe Dl. La vanne 30 comporte un moteur electrique 16 agence pour entrainer Ia bague 1 en rotation. 15 Le moteur electrique 16 est un moteur a courant continu. L'axe D2 du moteur electrique 16 est perpendiculaire a l'axe D1 de l'arbre 2. La vanne 30 comporte une roue dentee 17 solidaire de Ia bague 1, le moteur electrique 16 etant agence pour engrener avec Ia roue dentee 17, l'arbre 2 comportant un dispositif d'anti-rotation 18. Un pignon 26 est fixe a l'arbre du moteur electrique 16 et permet l'engrenement avec Ia roue dentee 20 17. Le dispositif d'anti-rotation 18 est fixe a l'arbre 2 et prend appui sur une partie rigidement !lee au corps de vanne 14. L'arbre 2 peut ainsi se deplacer en translation mais est bloque en rotation. La bague 1 est maintenue dans une cage interieure 21 d'un roulement 19. La cage exterieure 22 du roulement 19 est maintenue dans le corps de vanne 14. Le roulement 19 est 25 dispose dans un alesage du corps 14, l'alesage assurant le maintien radial. Le maintien axial du roulement 19 est assure par deux vis non representees. Les vis prennent appui sur une surface laterale de Ia cage exterieure 22 et plaquent le roulement 19 contre Ia paroi de fond de l'alesage. La figure 2 detaille un dispositif d'actionnement de l'obturateur selon l'etat de l'art. Le dispositif d'actionnement comporte une vis a billes possedant une bague exterieure 27 et une 30 bague interieure 28. Un ensemble de billes 3 est dispose radialement entre les deux bagues et circule dans une piste helicoIdale 4 lors d'une rotation d'une bague par rapport a l'autre. L'arbre 2 sur lequel est fixe l'obturateur est insere dans la bague interieure 28. L'arbre est solidarise avec la bague interieure 28 par soudure, ou par brasure, ou par sertissage, ou par emmanchement. 7 Cette solution permet d'utiliser une vis a billes de type standard, mais presente un encombrement radial important. En effet, l'encombrement radial de la bague interieure s'ajoute a l'encombrement radial de la bague exterieure. De plus, un jeu est present entre les deux bagues. L'invention decrite sur les figures 1, 3, 4 vise a diminuer l'encombrement radial de la vis a billes afin 5 de faciliter son integration dans une vanne de circulation de gaz. On a represents sur la figure 1 un dispositif d'actionnement 20 pour vanne 30 de controle moteur, comportant : - une bague 1 mobile selon un axe D1, - un arbre 2 mobile selon l'axe D1, 10 - un ensemble de billes 3 liant cinematiquement la bague 1 et l'arbre 2, les billes 3 etant agencees pour circuler dans une piste helicoIdale 4 formee au moins partiellement sur l'arbre 2, - un obturateur 5 solidaire d'une portion de fixation 6 de l'arbre 2, caracterise en ce que la portion de fixation 6 de l'arbre 2 a l'obturateur 5 et la piste helicoIdale 4 forment un ensemble monobloc. 15 Ainsi, dans le dispositif d'actionnement selon ('invention, la vis de la vis a billes est formee directement sur l'arbre dont l'obturateur est solidaire. Autrement dit, la vis est formee directement sur la tige de soupape. L'obturateur 5 est fixe sur la vis sans aucune piece intermediaire. La bague interieure 28 presente sur une vis a billes selon l'etat de l'art est ici supprimee. Le diametre exterieur de la seule bague 1 peut donc etre diminue. L'encombrement radial de la vis a billes est 20 donc reduit. La piste helicoIdale 4 est formee sur une partie de la peripherie de l'arbre 2. La bague 1 possede une forme de cylindre creux possedant une surface interieure 7, et la piste helicoIdale 4 est formee sur une partie de la surface interieure 7 de la bague 1. Les billes 3 sont ainsi disposees radialement entre la tige de soupape 2 et la bague 1 de la vis a billes. 25 Les billes 3 sont directement en contact d'une part avec la bague 1, et d'autre part avec la vis formee sur la tige de soupape. Comme represents sur la figure 4, l'obturateur 5 comporte un logement 8 dans lequel est revue la portion de fixation 6 de l'arbre 2. L'insertion de l'arbre 2 dans le logement 8 permet de garantir la resistance de ('assemblage entre 30 l'arbre 2 et l'obturateur 5. Le logement 8 est cylindrique. Sur l'exemple represents, le logement 8 de l'obturateur 5 est debouchant. Une extremite 9 de l'arbre 2 affleure une surface axiale 13 du logement 8. L'obturateur 5 est soude sur l'arbre 2, notamment par soudure laser. 8 L'arbre 2 est metallique. Plus precisement, l'arbre 2 est en acier. Plus precisement, l'arbre 2 est en acier comportant entre 0,95% et 1,05% de carbone et entre 1,35% et 1,60% de chrome. Cette nuance d'acier permet d'assurer une faible usure et un faible coefficient de frottement. 5 De la meme maniere, la bague 1 est metallique. Ainsi, la bague 1 est en acier. Plus precisement, la bague est en acier comportant entre 0,95% et 1,05% de carbone et entre 1,35% et 1,60% de chrome. De fawn similaire, les billes 3 sont en acier. Plus precisement, les billes 3 sont en acier comportant entre 0,95% et 1,05% de carbone et entre 1,35% et 1,60% de chrome. 10 Comme precedemment, cette nuance d'acier permet d'assurer une faible usure et un faible coefficient de frottement. La bague 1 comporte un chemin de recirculation 10 permettant de recirculer les billes 3 d'une extremite a I'autre de la piste helicoIdale 4. La recirculation des billes 3 lors de la rotation de la bague 1 par rapport a l'arbre 2 permet d'avoir une amplitude de rotation non limitee. 15 Le rapport entre le diametre exterieur El de Ia bague 1 et le diametre E2 de l'arbre 2 est compris entre 1,5 et 2,5. On entend par « rapport » le resultat du quotient de Ia valeur du diametre exterieur El et du diametre exterieur E2. Le diametre exterieur E2 de l'arbre 2 est mesure sur Ia partie cylindrique de l'arbre, hors de Ia zone evidee formee par Ia piste helicoIdale 4. 20 Le rapport entre le diametre E2 de l'arbre 2 et le diametre E3 des billes 3 est compris entre 1,5 et 4. Le jeu J existant entre Ia surface exterieure 11 de l'arbre 2 et Ia surface interieure 7 de Ia bague 1 est compris entre 5% et 15% du diametre E2 de l'arbre 2. Comme precedemment, le jeu J est mesure sur Ia partie cylindrique de l'arbre 2 et sur Ia partie cylindrique de Ia surface interieure, hors de Ia zone evidee cree sur l'une et l'autre des pieces par Ia 25 piste de circulation des billes. La piste helicoIdale 4 comporte un fond 12 de forme hemispherique. Cette forme, complementaire de celle des billes, permet un bon guidage des billes et un faible niveau de frottement. Selon des modes de realisation non representes, le dispositif d'actionnement ainsi que la vanne de 30 circulation de fluide integrant ce dispositif peuvent egalement comprendre une ou plusieurs des caracteristiques ci-dessous, considerees individuellement ou combinees entre elles : L'obturateur 5 peut etre emmanche sur l'arbre 2. Autrement dit, l'arbre 2 est insere en force dans l'obturateur 5, cette insertion provoquant une deformation du logement 8 de l'obturateur. 9 - Le logement 8 de I'obturateur 5 peut etre borgne. Autrement dit, le logement 8 ne traverse pas I'obturateur 5 et possede une paroi de fond. - L'obturateur 5 peut etre soude par friction sur I'arbre 2. - L'arbre 2 peut etre en acier inoxydable. 5 - La bague 1 peut etre en acier inoxydable. Bien entendu, ('invention n'est nullement limitee aux modes de realisation decrits et illustres, qui n'ont ete donnes qu'a titre d'exemples. REVENDICATIONS1. Dispositif d'actionnement (20) pour vanne (30) de controle moteur, comportant : - une bague (1) mobile selon un axe (D1), - un arbre (2) mobile selon I'axe (D1), - un ensemble de billes (3) liant cinematiquement Ia bague (1) et l'arbre (2), les billes (3) etant agencees pour circuler dans une piste helicoIdale (4) formee au moins partiellement sur l'arbre (2), - un obturateur (5) solidaire d'une portion de fixation (6) de l'arbre (2), caracterise en ce que Ia portion de fixation (6) de l'arbre (2) a l'obturateur (5) et Ia piste helicoIdale (4) forment un ensemble monobloc. 2. Dispositif d'actionnement (20) selon la revendication precedente, dans lequel l'obturateur (5) comporte un logement (8) dans lequel est revue la portion de fixation (6) de l'arbre (2). 3. Dispositif d'actionnement (20) selon la revendication precedente, dans lequel le logement (8) est cylindrique. 4. Dispositif d'actionnement (20) selon la revendication 2 ou 3, dans lequel le logement (8) de l'obturateur (5) est debouchant. 5. Dispositif d'actionnement (20) selon l'une des revendications precedentes, dans lequel le rapport entre le diametre exterieur (El) de la bague (1) et le diametre (E2) de l'arbre (2) est compris entre 1,5 et 2,5. 6. Dispositif d'actionnement (20) selon l'unes des revendications precedentes, dans lequel le rapport entre le diametre (E2) de l'arbre (2) et le diametre (E3) des billes (3) est compris entre 1,5 et 4. 7. Vanne (30) de circulation de fluide, comportant : - Un corps (14) definissant un conduit (15) de circulation de fluide, - Un dispositif d'actionnement (20) selon l'une des revendications precedentes, - L'obturateur (5) etant mobile entre une position d'ouverture permettant le passage du fluide dans le conduit (15) et une position de fermeture empechant le passage du fluide dans le conduit (15). 8. Vanne (30) selon la revendication precedente, la bague (1) etant fixe en translation et libre en rotation, l'arbre (2) etant fixe en rotation et libre en translation. 9. Vanne (30) selon la revendication 7 ou 8, dans laquelle la vanne comporte un moteur electrique (16) agence pour entrainer la bague (1) en rotation. 11 10. Vanne (30) selon I'une des revendications 7 a 9, dans laquelle la vanne est une vanne de recirculation des gaz d'echappement entre un circuit d'echappement et un circuit d'admission d'un moteur thermique.