EP0460988B1

EP0460988B1 - Dispositif de commande par arbre à came et moyens transmetteurs d'efforts à galet

Info

Publication number: EP0460988B1
Application number: EP91401298A
Authority: EP
Inventors: Jean Frédéric Melchior
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1990-06-08
Filing date: 1991-05-21
Publication date: 1995-03-01
Anticipated expiration: 2011-05-21
Also published as: FR2663091A1; ES2069235T3; FR2663091B1; DE69107687T2; JPH05106410A; DE69107687D1; EP0460988A1; US5186130A

Description

L'invention est relative aux dispositifs de commande par arbres à came et moyens transmetteurs d'efforts à galet, permettant de transmettre un mouvement alternatif, qui est communiqué par la came d'un arbre à came tournant en sens constant autour de son axe, à un organe mécanique qui est animé d'un mouvement alternatif et qui est maintenu en appui sur ladite came par des moyens de rappel élastiques. Ces dispositifs de commande sont agencés pour transmettre le mouvement alternatif à l'organe mécanique ou bien par l'intermédiaire d'un poussoir portant ledit galet et coopérant directement avec ledit organe mécanique (commande par arbre à came en tête), ou bien indirectement par l'intermédiaire d'un culbuteur oscillant autour d'un axe et comportant une partie menante qui porte ledit galet et coopère avec la came de l'arbre à came et une partie menée qui coopère avec le susdit organe mécanique. L'invention concerne plus particulièrement les dispositifs de commande dont les moyens transmetteurs d'efforts à galets sont très chargés mécaniquement, c'est-à-dire capables de transmettre des efforts importants pour assurer à l'organe mécanique une levée très rapide et de grande amplitude.
L' invention s'applique en particulier, mais non exclusivement, aux moteurs à deux temps à balayage en boucle, à travers la culasse, commandé exclusivement par des soupapes en vue d'actionner celles-ci. Pour compenser la médiocre section offerte par une soupape au passage du fluide moteur, si l'on compare cette section à celle de lumières aménagées dans la chemise du ou de chaque cylindre du moteur, il est en effet souhaitable d'ouvrir les soupapes dans le laps de temps le plus court possible en donnant à la came le profil le plus "raide" possible. Par ailleurs, il est connu que ce type de moteur à deux temps, à balayage par soupapes, présente généralement des masques obturant partiellement le passage libéré par la soupape d'admission lorsqu'elle est ouverte, afin de réduire autant que possible les courts-circuits d'air entre les orifices d'admission et d'échappement. La présence de ces masques diminue encore la section débitante des soupapes. Pour compenser cette réduction de la section périphérique, on est conduit à augmenter, plus que ce qu'il est d'usage, la levée de ces soupapes. L'accroissement, dans un temps réduit, de cette levée pose des problèmes d'inertie qui se traduisent par une charge excessive des moyens transmetteurs d'efforts à galet et, en particulier, des culbuteurs lorsque la géométrie des culasses et la disposition de l'arbre à came imposent leur présence.
En vue d'éliminer certains inconvénients des susdits dispositifs de commande dont le galet est porté par un axe, il a été proposé, dans le document US-A-4.909.197, de supprimer cet axe et de monter le galet de façon qu'il tourne sur lui-même dans une cavité qui est ménagée dans la partie menante et délimitée, d'une part, par une paroi semi-cylindrique et, d'autre part, par les parois intérieures de deux flasques latéraux plans perpendiculaires à l'axe de la paroi semi-cylindrique. Mais ce document ne fait mention ni d'une arrivée d'huile sous pression dans ladite cavité, ni de la valeur des jeux entre le galet et son logement, et décrit d'ailleurs un mode de réalisation préféré (figure 5 et revendication 10) dans lequel une gorge annulaire menagée dans le galet empêcherait l'établissement d'une pression d'huile notable dans la susdite cavité au cas où il y serait introduit de l'huile sous pression.
L'invention, qui a essentiellement pour but de remédier aux inconvénients de cet état de la technique, a pour objet un dispositif de commande, par arbre à came et à galet porté par un poussoir ou par un culbuteur, d'un organe mécanique animé d'un mouvement alternatif, notamment pour moteurs à combustion interne, constitué de moyens transmetteurs d'efforts depuis la came de l'arbre à came jusqu'audit organe mécanique et comportant une partie menante portant un galet sensiblement cylindrique qui coopère avec la came de l'arbre à came et une partie menée qui est solidaire de la partie menante et qui coopère avec ledit organe mécanique,
ledit organe mécanique se déplaçant entre deux positions extrêmes dont l'une correspond au déplacement maximal du galet sur la came et dont l'autre est déterminée par une butée fixe sur laquelle vient buter l'organe mécanique rappelé par des moyens de rappel élastiques lorsque le galet coopère avec la partie descendante du nez de la came,

le galet tourillonnant sur lui-même (et non pas sur un axe) dans une cavité qui est aménagée dans la partie menante et délimitée d'une part par une paroi semi-cylindrique circulaire et d'autre part par les parois intérieures de deux flasques latéraux plans perpendiculaires à l'axe géométrique de la paroi semi-cylindrique,
ladite paroi semi-cylindrique ayant un rayon légèrement supérieur au rayon extérieur du galet tandis que les parois intérieures des flasques latéraux sont séparées par une distance légèrement supérieure à la largeur du galet de manière à ne laisser entre le galet et, d'une part, les bords de la cavité semi-cylindrique et, d'autre part, les parois intérieures des flasques qu'un faible jeu de fonctionnement
caractérisé en ce que :
une arrivée permanente d'huile sous pression, communiquant avec un circuit d'alimentation en huile, débouche sur la paroi intérieure semi-cylindrique de la cavité, au voisinage de la génératrice extrême de la paroi semi-cylindrique située en amont, selon le sens de rotation du galet, et
ledit faible jeu étant tel que en fonctionnement, l'huile provenant de la susdite arrivée maintienne un film d'huile hydrodynamique entre le galet et les parois de la cavité assurant la lubrification et la suspension du galet dans ladite cavité et que les fuites latérales soient réduites au minimum.

Dans ce contexte, on appelle "galet sensiblement cylindrique" un galet qui a la forme d'un cylindre de révolution, avec éventuellement un léger bombé.
De préférence, les flasques sont constitués d'une seule pièce avec la partie menante du culbuteur.
Ainsi qu'il sera expliqué ci-après, un tel dispositif de commande remédie effectivement aux inconvénients des dispositifs de commande usuels à arbre à came et poussoir ou culbuteur.
L'invention va être exposée plus en détail à l'aide des dessins annexés.
Les figures 1 et 2 de ces dessins représentent un dispositif de commande à arbre à came et culbuteur établi conformément à l'invention, en coupe partielle respectivement selon les lignes I-I de la figure 2 et II-II de la figure 1.
Les figures 3 à 6 représentent schématiquement chacune des perfectionnements apportés au mode de réalisation des figures 1 et 2, par des extraits à plus grande échelle de la figure 1.
La figure 7 représente une variante d'une partie de la figure 2.
La figure 8 enfin représente schématiquement un dispositif de commande à arbre à came et poussoir.
Avant de décrire l'invention, il paraît utile de rappeler l'état de la technique en ce qui concerne les dispositifs de commande à culbuteur.
Comme le montrent les figures 1 et 2, un mécanisme connu de commande par arbre à came 1 et culbuteur 2 comprend généralement un axe 3 autour duquel pivote le culbuteur 2. A l'extrémité menante du culbuteur 2 tourillonne un galet 7, généralement de forme cylindrique. Ce galet 7 roule, de préférence sans glissement, sur le nez 8 d'une came 9 solidaire de l'arbre à came 1.
L'extrémité menée du culbuteur 2 coopère, généralement par l'intermédiaire d'une articulation sphérique 10, avec un organe mécanique animé d'un mouvement alternatif, généralement rectiligne ou approximativement rectiligne, tel que tige de soupape 11, tige de culbuteur, élément de pompe d'injection ou autre.
Lorsque le galet 7 attaque la partie descendante 8a du nez de came 8, la cohésion de l'ensemble mécanique, en particulier l'appui du galet 7 sur la came 9, est assuré par un ressort de rappel 12 qui peut être mécanique, comme représenté schématiquement à la figure 1, ou pneumatique jusqu'à ce que la tige 11, ou organe analogue, rencontre une butée. Dans le cas où la tige 11 fait partie d'une soupape 13 dont la tête 14 coopère avec un siège 15, cette butée est en général constituée par ce siège 15. La figure 1 montre en trait plein la tête de soupape 14 en position d'ouverture et en trait mixte en position de fermeture, en butée sur le siège 15.
Par ailleurs, lorsque le nez 8 de la came 9 est effacé du fait de la rotation de l'arbre à came 1 (rotation schématisée par une flèche à la figure 1), un jeu de fonctionnement est prévu entre le galet 7 et la came 9 de telle manière que la tige 11 puisse se dilater sans contrainte. Une rampe de rattrapage de jeu 8b est prévue sur la came 9 pour permettre la prise de contact, avec le moins de choc possible, entre le nez 8 de la came 9 et le galet 7 au tour suivant, mais cette mesure est en général insuffisante pour supprimer totalement un tel choc et le bruit ou cliquetis qui en résulte.
Conformément à l'état de la technique défini par le document US-A-4.909.197, le galet 7 tourillonne sur lui-même dans une cavité 16 qui est aménagée dans la partie menante du culbuteur 2 et délimitée d'une part par une paroi semi-cylindrique circulaire 17, d'axe X-X parallèle à l'axe géométrique Y-Y de rotation du culbuteur 2 autour de l'axe matériel 3 de celui-ci et d'autre part par les parois intérieures de deux flasques latéraux plans 18 perpendiculaires à l'axe X-X de la paroi semi-cylindrique 17.
Partant de cet état de la technique, le dispositif de commande selon l'invention, qui va d'abord être décrit dans son application aux culbuteurs, est identique aux dispositifs connus à l'exception du montage du galet 7 dans la partie menante du culbuteur 2, et il est essentiellement défini, comme illustré schématiquement aux figures 1 et 2, en ce que :

une arrivée permanente d'huile sous pression 19, communiquant avec un circuit d'alimentation en huile, débouche sur la paroi semi-cylindrique 17 de la cavité 16, au voisinage de la génératrice extrême 20 de la paroi semi-cylindrique 17 située en amont, selon le sens de rotation (schématisé par une flèche à la figure 1) du galet 7 ; et
la paroi semi-cylindrique 17 a un rayon R légèrement supérieur au rayon extérieur 2 du galet 7 et les parois intérieures des flasques latéraux 18 sont séparées par une distance L légèrement supérieure à la largeur du galet 7, de manière à ne laisser entre le galet 7 et, d'une part, les bords de la cavité semi-cylindrique 17 et, d'autre part, les parois intérieures des flasques 18 qu'un jeu de fonctionnement suffisamment faible pour que, en fonctionnement, l'huile provenant de l'arrivée 19 maintienne un film d'huile hydrodynamique entre le galet 7 et les parois de la cavité 16 et que les fuites latérales d'huile soient réduites au minimum.

Le sens de rotation du galet, ainsi que celui de l'arbre à came 1, sera choisi de façon que la génératrice extrême 20 soit aussi voisine que possible de l'axe 3.
De préférence, les flasques 18 sont constitués d'une seule pièce avec la partie menante du culbuteur 2, comme montré schématiquement à la figure 2.
Le débouché de l'arrivée d'huile sous pression 19 sur la paroi semi-cylindrique 17 est avantageusement constitué par une gorge transversale 21, aménagée le long de la génératrice 20.
De préférence, la susdite arrivée d'huile sous pression 19 est essentiellement constituée par un canal 22 ménagé dans le corps du culbuteur 2 et communiquant avec le circuit d'alimentation en huile (non représenté) par l'intermédiaire d'une gorge périphérique 23 ménagée dans l'axe 3, d'un passage radial 24 prévu dans l'axe 3 et d'un canal 25 percé longitudinalement dans l'axe 3.
Le canal 22 peut déboucher directement dans la gorge 21, comme représenté à la figure 1, ou avec interposition de moyens unidirectionnels, situés au plus près du débouché sur la paroi semi-cylindrique 17 et avantageusement constitués par un clapet anti-retour à bille 26, comme représenté à la figure 4, ce qui a pour effet d'empêcher l'huile contenue dans la cavité 16 d'être réaspirée vers le canal 25 dans le cas de fluctuations de la pression du circuit d'alimentation en huile.
Afin de rattraper automatiquement le jeu entre le galet 7 et la came 9 lorsque l'organe mécanique 11 coopérant avec la partie menée du culbuteur 2 est en appui sur sa butée telle que 15 (figure 1) du fait de l'action des moyens de rappel élastiques 12, on utilise le galet 7 dans la cavité 16 à la manière d'un piston hydrostatique dans un cylindre alimenté en huile sous pression, et ceci en prolongeant avantageusement, comme représenté à la figure 3, la paroi semi-cylindrique 17 d'axe X-X par deux parois 27 parallèles entre elles et à l'axe X-X et tangentes respectivement aux extrémités de cette paroi semi-cylindrique 17.
Afin de maintenir en place le galet 7 dans la cavité 16, on pourra prolonger, comme représenté à la figure 5, les deux extrémités de la paroi semi-cylindrique 17 (ou les deux parois parallèles 27 de la figure 3) respectivement par des languettes 28 dont les extrémités sont séparées par une distance légèrement inférieure au diamètre 2r du galet 7, comme représenté schématiquement à la figure 5. On choisira alors le métal dont est faite la partie menante du culbuteur 2 et/ou l'épaisseur des languettes 28 de façon à pouvoir mettre en place le galet 7 dans la cavité 16 par une poussée suffisante pour écarter élastiquement les extrémités des languettes 28, au passage du galet 7, ces extrémités reprenant ensuite élastiquement leur distance initiale de façon à emprisonner avec jeu le galet 7.
Quoique l'alimentation permanente (en fonctionnement) d'un film d'huile hydrodynamique, dans l'interstice limité par la paroi semi-cylindrique 17 et par la surface cylindrique du galet 7, évite l'usure en empêchant tout contact métal/métal entre le galet 7 et le corps du culbuteur 2, il peut être avantageux de revêtir les surfaces en mouvement relatif, ou du moins la paroi semi-cylindrique 17, d'un revêtement anti-friction tel que, par exemple, un dépôt électrolytique cuivreux.
On pourra également, comme montré à la figure 6, interposer entre le galet 7 et le culbuteur 2 une coquille métallique semi-cylindrique mince 29 en matériau anti-friction prenant appui sur la paroi semi-cylindrique 17 de la cavité désignée par 16 à la figure 1. Il faudra alors aménager un passage d'huile 30 à travers la coquille 29 et pratiquer la gorge 21 dans cette coquille pour permettre d'alimenter en huile l'interstice 31 entre le galet 7 et la coquille 29.
Sur les représentations en élévation des figures 1 et 3 à 6, le galet 7 est plein. Néanmoins et comme représenté en coupe à la figure 7, le galet 7 est de préférence creux et percé, de part en part, d'un trou axial 32 dont le diamètre, compte tenu de la matière dont est fait ce galet 7, est suffisamment faible pour empêcher toute déformation permanente dudit galet 7, sous les efforts auxquels il est soumis en fonctionnement, mais suffisamment grand pour permettre la déformation élastique de ce galet 7 au contact de la came 9 de manière à réduire la pression de Hertz du contact. De préférence, le diamètre intérieur Di du galet 7 est de l'ordre de 70 % de son diamètre extérieur De. En variante, une entretoise cylindrique circulaire 33, de diamètre extérieur inférieur au diamètre intérieur Di du galet creux 7, est montée dans l'axe X-X de la paroi semi-cylindrique 17, solidairement avec les deux flasques latéraux 18, auquel cas les languettes 28 ne sont plus nécessaires.
On obtient ainsi un dispositif de commande à culbuteur dont le fonctionnement est le suivant. L'huile arrivant sous pression dans la gorge 21 est répartie dans la cavité 16 par le galet 7 en rotation et elle y est maintenue sous une pression intermédiaire qui dépend de la pression d'alimentation et de la section du passage de fuite constitué par le jeu entre le galet 7 et les parois de son logement. Un film d'huile hydrostatique est ainsi entretenu entre le galet 7 et son logement et assure non seulement la lubrification du galet, mais encore sa suspension à l'intérieur du logement lui permettant de rouler malgré l'absence d'un axe matériel et son maintien en appui contre la came 9, sans apparition du cliquetis habituel.
Ce dispositif de commande présente les avantages suivants :

augmentation très importante de la surface portante du palier du galet 7, permettant de charger très fortement le culbuteur (levées rapides et de grande amplitude ; vitesses de rotation élevées) ;
rattrapage de jeu automatique entre la came 9 et le galet 7 (sans qu'il soit besoin de mettre en oeuvre des poussoirs hydrauliques coûteux et complexes) ;
fonctionnement de longue durée sans usure du fait du film hydrodynamique entretenu par la rotation du galet 7 ;
tolérance élevée sur les défauts de perpendicularité entre l'axe 3 du culbuteur 2 et sa direction longitudinale (rattrapage hydraulique des défauts de perpendicularité).

Dans la description des figures, il a été supposé jusqu'ici que, dans le dispositif de commande à arbre à came, le galet 7 était porté par la partie menante d'un culbuteur 2 mais l'invention s'applique tout aussi bien lorsque le galet 7 est porté par un poussoir 34 animé du même mouvement alternatif que l'organe mécanique 11, comme le montre schématiquement la figure 8. Les éléments de cette figure 8 qui sont identiques ou analogues à des éléments de figures précédentes y sont désignés par les mêmes signes de référence et il suffit donc de se reporter, à leur sujet, à la description de ces figures précédentes. Les seules différences notables consistent en ce que le poussoir 34 agit directement sur l'organe mécanique ou tige de soupape 11 et en ce que le canal d'arrivée d'huile 25 est disposé dans le guide 35 du poussoir 34 et est relié au canal 22 ménagé dans le poussoir 34 par l'intermédiaire d'une gorge annulaire 36 ménagée à la périphérie du poussoir 34. Le mode de fonctionnement et les avantages du dispositif de commande à poussoir 34 sont identiques à ceux des dispositifs de commande à culbuteur 2 ou peuvent en être déduits aisément par les spécialistes.

Claims

Dispositif de commande, par arbre à came (1) et à galet (7) porté par un poussoir ou culbuteur, d'un organe mécanique (11) animé d'un mouvement alternatif, notamment pour moteurs à combustion interne, constitué de moyens transmetteurs d'efforts depuis la came (9) de l'arbre à came (1) jusqu'audit organe mécanique (11) et comportant une partie menante portant un galet sensiblement cylindrique (7) qui coopère avec la came (9) de l'arbre à came (1) et une partie menée qui est solidaire de la partie menante et qui coopère avec ledit organe mécanique (11),
ledit organe mécanique (11) se déplaçant entre deux positions extrêmes dont l'une correspond au déplacement maximal du galet (7) sur la came (9) et dont l'autre est déterminée par une butée fixe (15) sur laquelle vient buter l'organe mécanique (11) rappelé par des moyens de rappel élastiques (12) lorsque le galet (7) coopère avec la partie descendante (8a) du nez (8) de la came (9),
- le galet (7) tourillonnant sur lui-même dans une cavité (16) qui est ménagée dans la partie menante et délimitée d'une part par une paroi semi-cylindrique circulaire (17) et d'autre part par les parois intérieures de deux flasques latéraux plans (18) perpendiculaires à l'axe (X-X) geométrique de la paroi semi-cylindrique (17)

- ladite paroi semi-cylindrique (17) ayant un rayon (R) légèrement supérieur au rayon extérieur (r) du galet (7) tandis que les parois intérieures des flasques latéraux (18) sont séparées par une distance (L) légèrement supérieure à la largeur (1) du galet (7) de manière à ne laisser entre le galet (7) et, d'une part, les bords de la cavité semi-cylindrique (17) et, d'autre part, les parois intérieures des flasques (18) qu'un faible jeu de fonctionnement
caractérisé en ce que :
une arrivée permanente d'huile sous pression (19), communiquant avec un circuit d'alimentation en huile, débouche sur la paroi intérieure semi-cylindrique (17) de la cavité (16), au voisinage de la génératrice extrême (20) de la paroi semi-cylindrique (17) située en amont, selon le sens de rotation du galet (7), et
ledit faible jeu étant tel que, en fonctionnement, l'huile provenant de l'arrivée (19) maintienne un film d'huile hydrodynamique entre le galet (7) et les parois de la cavité (16) assurant la lubrification et la suspension du galet (7) dans ledite cavité (16) et que les fuites latérales d'huile soient réduites au minimum.
Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les flasques (18) sont constitués d'une seule pièce avec la partie menante.
Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le débouché de l'arrivée d'huile sous pression (19) sur la paroi semi-cylindrique (17) est constitué par une gorge transversale (21), aménagée le long de la génératrice extrême (20).
Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que des moyens unidirectionnels, avantageusement constitués par un clapet à bille (26), sont interposés dans le circuit d'huile sous pression au plus près du débouché sur la paroi semi-cylindrique (17).
Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la paroi semi-cylindrique (17) d'axe (X-X) est prolongée par deux parois (27) parallèles entre elles et à l'axe (X-X) et tangentes respectivement aux extrémités de cette paroi semi-cylindrique (17).
Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les deux extrémités de la paroi semi-cylindrique (17) ou les deux parois parallèles (27) sont prolongées respectivement par des languettes (28) dont les extrémités sont séparées par une distance légèrement inférieure au diamètre du galet (7).
Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les surfaces en mouvement relatif, ou du moins la paroi semi-cylindrique (17), sont revêtues d'un revêtement anti-friction tel que, par exemple, un dépôt électrolytique cuivreux.
Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il est interposé, entre le galet (7) et la partie menante, une coquille métallique semi-cylindrique mince (29) en matériau anti-friction prenant appui sur la paroi semi-cylindrique (17) de la cavité (16), un passage d'huile (30) étant prévu à travers la coquille (29).
Dispositif selon les revendications 3 et 8, caractérisé en ce que la gorge transversale (21) est aménagée dans la coquille (29), le passage d'huile (30) aboutissant à cette gorge (21).
Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le galet (7) est creux et percé, de part en part, d'un trou axial (32) de diamètre suffisamment faible pour empêcher toute déformation permanente du galet (7), mais suffisamment grand pour permettre la déformation élastique du galet (7) au contact de la came (9).
Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que le diamètre intérieur (Di) du galet creux (7) est de l'ordre de 70 % de diamètre extérieur (De) de ce galet (7).
Dispositif selon l'une des revendications 10 et 11, caractérisé en ce qu'une entretoise cylindrique circulaire (33), de diamètre extérieur inférieur au diamètre intérieur (Di) du galet creux (7), est montée dans l'axe (X-X) de la paroi semi-cylindrique (17) solidairement avec les deux flasques latéraux (18).
Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que les susdits moyens transmetteurs d'efforts sont constitués par un poussoir (34) animé du même mouvement alternatif au moins approximativement rectiligne que le susdit organe mécanique (11).
Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que les susdits moyens transmetteurs d'efforts sont constitués par un culbuteur (2) oscillant autour d'un axe (3) parallèle à l'axe géométrique (X-X) du galet (7).
Dispositif selon la revendication 14, caractérisé en ce que la susdite arrivée d'huile sous pression (19) est essentiellement constituée par un canal (22) ménagé dans le corps du culbuteur (2) et communiquant avec le circuit d'alimentation en huile par l'intermédiaire d'une gorge périphérique (23) de l'axe (3), d'un passage radial (24) ménagé dans l'axe (3) et d'un canal (25) percé longitudinalement dans l'axe (3).