FR3040459A1 - Bielle pour machine comprenant un piston et un vilebrequin - Google Patents

Abstract

L'invention concerne une bielle (3) pour machine comprenant un piston et un vilebrequin, cette bielle comportant un pied (10) destiné à être relié au piston, une tête (6) destinée être relié au vilebrequin et un corps (5) s'étendant entre la tête (6) et le pied (10) selon un axe longitudinal (Z), une canalisation (12) interne au corps (5) reliant la tête (6) au pied (10) et destinée au passage d'un fluide de lubrification, cette bielle comprenant en outre des moyens de pompage du fluide de lubrification de la tête (6) vers le (10) pied disposés dans la canalisation (12) interne.

Description

BIELLE POUR MACHINE COMPRENANT UN PISTON ET UN VILEBREQUIN

La présente invention se rapporte au domaine des éléments de machines à pistons. L’invention se rapporte plus particulièrement à une bielle et aux machines à pistons comprenant une telle bielle.

Le cycle de fonctionnement d’un moteur à combustion interne à piston dit à 4 temps se décompose de manière analytique en quatre temps ou phases : admission, compression, (combustion) détente, échappement. Le mouvement du piston est initié par la combustion d'un mélange de carburant et d'air qui a lieu durant ce cycle.

Le piston se déplace pendant le démarrage grâce à une source d'énergie externe, souvent par l’intermédiaire d’un démarreur, jusqu'à ce qu'au moins une combustion et une détente produise une force capable d'assurer les trois autres temps. Le moteur fonctionne dès lors seul et produit un couple sur son arbre de sortie.

Afin de réduire la consommation et donc les émissions polluantes, sans faire de concession sur la puissance, il est connu de réduire la cylindrée du moteur tout en augmentant la puissance délivrée par chaque cylindre. Cependant une telle augmentation de la puissance conduit à une augmentation des pressions dans les cylindres, ce qui induit des problèmes de tenue mécaniques et d’augmentation de perte moteur par frottement encore désigné PM F.

Le piston coulissant dans une chemise, la zone Segment - Piston - Chemise représente une part élevée des pertes moteur par frottement. En effet, l’établissement d’une vitesse nulle au Point Mort Haut (PMH) et au Point Mort Bas (PMB) durant le fonctionnement classique d’un moteur à quatre temps implique des régimes de lubrifications limites avec un frottement important métal-métal, car les surfaces ne sont plus séparées par l’huile, et par conséquent une forte augmentation des PMF à ces deux stades.

Il est connu par exemple document FR3005132 de faire tourner le piston de sorte à maintenir un film d’huile à ces deux stades et ainsi réduire les PMF. Dans ce document, le piston est relié à une bielle par une liaison rotule. La bielle comprend une canalisation d’amenée d’huile de lubrification de la tête de la bielle vers le pied de la bielle où se trouve la sphère de la liaison rotule. La mise en rotation du piston est alors provoquée par la circulation de l’huile à la surface de la sphère qui par frottement visqueux va faire tourner le piston. Cependant dans certaines conditions de régime moteur la vitesse de l’huile à la surface de la sphère peut être insuffisante pour entraîner correctement le piston.

Par conséquent, il existe toujours un besoin pour améliorer la vitesse de l’huile à la surface de la sphère afin de mieux maîtriser la rotation du piston et donc le régime de lubrification entre le piston et la chemise du moteur, en particulier au Point Mort Haut (PMH) et au Point Mort Bas (PMB).

Pour atteindre cet objectif, il est prévu selon l’invention une bielle pour machine comprenant un piston et un vilebrequin, cette bielle comportant un pied destiné à être relié au piston, une tête destinée être relié au vilebrequin et un corps s'étendant entre la tête et le pied selon un axe longitudinal, une canalisation interne au corps reliant la tête au pied et destinée au passage d’un fluide de lubrification, cette bielle étant caractérisée en ce qu’elle comprend des moyens de pompage du fluide de lubrification de la tête vers le pied disposés dans la canalisation interne. L’effet technique est de pouvoir ainsi accroître le flux de fluide de lubrification vers le pied de bielle et donc sa vitesse.

Diverses caractéristiques supplémentaires peuvent être prévues, seules ou en combinaisons : -les moyens de pompage du fluide de lubrification sont disposés dans la canalisation interne du côté de la tête de ladite bielle. -la bielle comprend une tête de bielle coupée selon un plan de coupe les moyens de pompage sont disposés dans une zone comprenant un logement aménagé au niveau du plan de coupe. -les moyens de pompage se présentent sous la forme d’une pompe volumétrique ou sous la forme d’une pompe à piston libre. - les moyens de pompage sont disposés dans une zone comprenant un logement aménagé au niveau de l’axe longitudinal. - les moyens de pompage se présentent sous la forme d’une vis sans fin comportant une came ou sous la forme d’un barillet comportant une came, ou sous la forme d’une vis sans fin comportant une crémaillère. -les moyens de pompage sont électriques. L’invention a aussi pour objet une machine comprenant un piston et un vilebrequin, caractérisée en ce qu’elle comprend une bielle de l’invention reliant le piston au vilebrequin. L’invention a aussi pour objet une machine comprenant un piston et un vilebrequin, caractérisée en ce qu’elle comprend une bielle de l’invention et en ce que le vilebrequin comprend un maneton comportant une came ou une crémaillère destinée à coopérer respectivement avec la came ou la crémaillère des moyens de pompage.

En variante, la machine est un moteur thermique et le piston est articulé par le pied de bielle par une liaison rotule entre une surface sphérique appartenant au piston et une surface sphérique appartenant au pied de la bielle, une des surfaces sphériques comportant des moyens de guidage du fluide de lubrification débouchant du pied de bielle, ces moyens de guidage présentant une forme de spirale pour que le fluide de lubrification amené à y circuler entraîne par frottement visqueux le piston en rotation. D’autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description ci-après d’un mode particulier de réalisation, non limitatif de l’invention, faite en référence aux figures dans lesquelles : - La figure 1 est une vue en coupe axiale un moteur thermique comprenant un piston articulé avec une bielle de l’invention par une liaison à rotule. - La figure 2 est une représentation schématique d’un premier exemple de moyens de pompage d’huile de lubrification intégrés dans la bielle. - La figure 3 est une représentation schématique d’un second exemple de moyens de pompage d’huile de lubrification intégrés dans la bielle. - La figure 4 est une représentation schématique d’un troisième exemple de moyens de pompage d’huile de lubrification intégrés dans la bielle. - La figure 5 est une représentation schématique d’un quatrième exemple de moyens de pompage d’huile de lubrification intégrés dans la bielle. - La figure 6 est une représentation schématique d’un cinquième exemple de moyens de pompage d’huile de lubrification intégrés dans la bielle.

La figure 1 présente en coupe axiale un moteur thermique comprenant un piston articulé à une bielle de l’invention par une liaison à rotule.

Sur la figure 1, le piston 2 est articulé sur la bielle 3 par une liaison rotule entre une surface sphérique S1 appartenant au piston et une surface sphérique S2 appartenant à la bielle 3.

La bielle 3 comprend un corps ou âme 5 qui forme sa partie centrale et une partie d’extrémité classiquement dénommée tête 6 de bielle, destinée à enserrer un maneton (non représenté) du vilebrequin du moteur 4. Pour permettre le montage dans le cas d'un vilebrequin assemblé, la tête 6 est coupée en deux dans un plan diamétral perpendiculaire à l'axe longitudinal Z de la bielle 3. La partie coupée s'appelle le chapeau 7 de bielle. Après montage, le chapeau 7 est réassemblé au reste de la bielle 3 par des boulons 8, 8’. Le chapeau 7 et l’âme 5 délimitent l’alésage circulaire 9 destiné à recevoir le maneton.

La bielle 3 comprend encore une autre partie d’extrémité classiquement dénommée pied 10 de bielle, destinée à être assemblée au piston 2. Dans ce mode réalisation le pied 10 de bielle présente la forme d’un embout sphérique 11.

La bielle 3 comprend de plus une canalisation 12 interne au corps 5 reliant la tête 6 au pied 10 de la bielle selon l’axe longitudinal Z de la bielle 3 et destinée au passage d’un fluide de lubrification, tel que de l’huile de lubrification du moteur sous pression, vers la liaison rotule.

La canalisation 12 interne s’étend d’un orifice d’entrée 13 d’huile débouchant dans la tête 6 de bielle au niveau de l’alésage circulaire 9 à un orifice 14 de sortie débouchant du pied 10 de bielle, au niveau de l’embout sphérique 11 en traversant l’âme 5 de la bielle et l’embout sphérique 11.

En fonctionnement, l’huile de lubrification entre donc par l’orifice 13 d’entrée au niveau de l’alésage circulaire, traverse la conduite interne 12 et débouche au niveau de la liaison rotule par l’orifice 14 de sortie pour venir s’intercaler entre les deux surfaces S1, S2, former un film huile et réduire les frottements entre les deux surfaces S1, S2.

Dans ce mode de réalisation, l’embout 11 sphérique est une pièce démontable qui comprend une zone 15 de préhension surmontée d’une sphère 16 pour la liaison rotule. Pour des raisons de simplicité, l’embout 11 sphérique peut être assemblé sur l’âme 5 de la bielle par vissage de l’embout 11 directement sur l’âme 5 de la bielle. Dans ce cas, il est prévu sur la zone 15 de préhension des méplats qui permettent l'utilisation d’un outil pour la saisie de l’embout 11 et son vissage sur l’âme 5 de la bielle 3.

La mise en rotation du piston est provoquée à l’aide d’une forme 17 spiroïdale, autrement dit en forme de spirale, usinée sur la sphère 11 du pied 10 de bielle, débutant à l’orifice 14 de sortie. La circulation de l’huile dans la forme 17 spiroïdale, va par frottement visqueux faire tourner le piston 2 dans la chemise du moteur 4.

Afin d’améliorer l’entrainement en rotation du piston il est prévu d’améliorer l’alimentation en huile de cette forme spiroïdale en disposant dans la canalisation 12 interne de la bielle 3 des moyens de pompage de l’huile de lubrification.

Afin de limiter les modifications de l’architecture de la bielle 3 les moyens de pompage sont de préférence intégrés dans la canalisation 12 interne au niveau de la tête 6 de bielle selon l’axe longitudinal et central Z (zone Z1 identifiée sur la figure 1). En effet, la bielle 3 est dans cette zone plus épaisse qu’en pied de bielle, ce qui laisse plus d’espace pour l’intégration des moyens de pompage.

La figure 2 présente maintenant un premier exemple de moyens de pompage intégrés dans la bielle 3 se présentant sous la forme d’une vis sans fin à came avec un ressort de rappel.

Sur la figure 2, une vis sans fin 18 est disposée dans un logement 19 aménagé par agrandissement de la canalisation 12. Dans ce mode de réalisation, l’orifice 13 d’entrée du fluide de lubrification débouche dans un alésage 9 de la tête 10 de bielle parallèlement à l’axe longitudinal Z. Dans ce mode de réalisation, la vis 18 et le logement 19 s’étendent parallèlement à l’axe longitudinal Z de la bielle 3. Du côté du pied de bielle, au fond du logement 19, un ressort 20 de rappel est disposé pour maintenir un contact constant entre la vis 18 et le maneton 22 du vilebrequin. La vis 18 comprend, à son extrémité destinée à venir en contact avec le maneton 22, une came 21.

Le maneton 22 du vilebrequin comprend également une came 23 destinée à coopérer avec la came 21 de la vis 18.

Durant la rotation du vilebrequin, lorsque les deux cames 21, 23 entrent en contact, un mouvement alternatif est créé. Le maneton 22 peut comprendre plusieurs cames 23 pour avoir un mouvement alternatif plus fréquent.

Le pompage de l’huile et donc son augmentation de vitesse est provoqué par le mouvement alternatif initié par le dispositif à cames et le mouvement rotatif initié par la géométrie en hélice de la vis 18. La vitesse de l’huile augmentera donc à chaque fois que la vis fera un mouvement alternatif et rotatif. Comme indiqué par la flèche H en pointillé, l’huile entre par l’orifice 13 d’entrée pour être refoulé vers le pied 10 de bielle.

Un clapet anti retour, non représenté, peut être prévu dans la canalisation 12, en aval, pris relativement au sens de circulation désiré de l’huile, de la vis 18 pour éviter un éventuel retour d’huile.

La figure 3 présente un autre exemple de moyens de pompage intégrés dans la bielle 3 se présentant sous la forme d’un barillet à came avec un ressort de rappel.

Cet exemple de moyens de pompage diffère du précédent mode de réalisation décrit à l’aide de la figure 2 en ce que la vis sans fin est remplacée par un barillet 24. Les éléments identiques au précédent mode de réalisation conservent les mêmes références.

En référence à la figure 2, le barillet 24 se présente sous la forme d’un cylindre disposé dans le logement 19. Dans ce mode de réalisation, le barillet 24 et le logement 19 s’étendent parallèlement à l’axe longitudinal Z de la bielle 3. Le barillet 24 comprend plusieurs canaux 25 le traversant longitudinalement, pouvant être répartis régulièrement autour de l’axe du barillet 24.

Comme pour le précédent mode de réalisation, le pompage de l’huile et donc son augmentation de vitesse est provoqué par le mouvement alternatif initié par le dispositif à cames.

Un clapet anti retour, non représenté, peut également être prévu dans la canalisation 12, en aval, pris relativement au sens de circulation désiré de l’huile, du barillet 24 pour éviter un éventuel retour d’huile.

La figure 4 présente un autre exemple de moyens de pompage intégrés dans la bielle 3 se présentant sous la forme d’une vis sans fin comportant une crémaillère.

Cet exemple de moyens de pompage diffère du premier mode de réalisation décrit à l’aide de la figure 2 en ce que la came de la vis est remplacée par une crémaillère et en ce que le ressort de rappel est supprimé.

La vis 18 comprend, à son extrémité destinée à venir en contact avec le maneton 22, une crémaillère 26.

Le maneton 22 du vilebrequin comprend également une crémaillère 27 destinée à coopérer avec la crémaillère 26 de la vis 18.

Durant la rotation du vilebrequin, la crémaillère du maneton entraîne la vis 18 en rotation par l’intermédiaire de sa crémaillère 26. Le pompage de l’huile et donc son augmentation de vitesse est provoqué par le mouvement rotatif de la vis 18.

Un clapet anti retour, non représenté, peut être prévu dans la canalisation 12, en aval, pris relativement au sens de circulation désiré de l’huile, de la vis 18 pour éviter un éventuel retour d’huile.

Dans le cas d’une tête 6 de bielle coupée, comme illustré aux figure 5 et 6, afin de limiter les modifications de l’architecture de la bielle 3 les moyens de pompage peuvent également être intégrés dans la tête 6 de bielle au niveau du plan de coupe C de la bielle 3 (zone Z2 identifiées sur les figure 5 ou 6). En effet, la bielle 3 est également dans cette zone plus épaisse qu’en pied de bielle, ce qui laisse plus d’espace pour l’intégration des moyens de pompage.

La figure 5 présente un autre exemple de moyens de pompage intégrés dans la bielle 3. Dans ce mode de réalisation, les moyens de pompage intégrés dans la bielle 3 se présentant sous la forme d’une pompe à piston libre.

Dans ce mode de réalisation, la bielle 3 comprend un orifice d’entrée 13’ du fluide de lubrification dans les moyens de pompage qui débouche dans l’alésage 9 de la tête 6 perpendiculairement à l’axe longitudinal Z de la bielle 3, sensiblement au niveau du plan de coupe C de la bielle 3. Les moyens de pompage sont disposés directement au niveau de l’orifice d’entrée 13’ du fluide de lubrification.

Un piston 28 est disposé dans un logement 19’ aménagé dans la tête 6 de bielle dans lequel le piston 28 coulisse librement. Une partie du logement 19’ est réalisé dans le chapeau 7 tandis que la partie complémentaire du logement 19’ est réalisé dans la partie de la tête de bielle solidaire du corps 5 de la bielle 3. Une canalisation 12’ annexe est prévue pour acheminer le fluide de lubrification comprimé par le piston à la canalisation 12 principale.

Le mouvement alternatif du piston 28 dans le logement est initié par le mouvement alternatif de la bielle 3 durant la rotation du vilebrequin. Le mouvement alternatif du piston 28 aura pour effet dans un sens de fermer l’orifice 13’ et pousser le fluide de lubrification dans la canalisation 12’ annexe et dans l’autre sens d’ouvrir l’orifice 13’ au logement 19’ pour le remplissage de ce dernier.

Ensuite, une fois dans la canalisation 12 principale traversant l’âme 5 de la bielle 3, le fluide de lubrification est acheminé jusqu’au pied de la bielle 3.

Un clapet anti retour, non représenté, peut être prévu dans la canalisation 12’, en aval, pris relativement au sens de circulation désiré de l’huile, des moyens de pompage pour éviter un éventuel retour d’huile.

Sur la figure 5, deux pompes à piston libre ont été représentées, cependant il est possible de n’en prévoir qu’une.

La figure 6 présente un autre exemple de moyens de pompage intégrés dans la bielle 3. Dans ce mode de réalisation, les moyens de pompage intégrés dans la bielle 3 se présentant sous la forme d’une pompe volumétrique.

Cet exemple de moyens de pompage diffère du précédent mode de réalisation en ce que la pompe à piston libre est remplacée par une pompe volumétrique. La pompe volumétrique comprend une roue 29 dont la rotation est assurée par l’entrée du fluide de lubrification dans l’orifice d’entrée 13’. La rotation de la roue 29 a pour effet de pousser l’huile dans la canalisation annexe 12’.

Ensuite, une fois dans la canalisation 12 principale traversant l’âme 5 de la bielle 3, le fluide de lubrification est acheminé jusqu’au pied de la bielle 3.

Un clapet anti retour, non représenté, peut être prévu dans la canalisation 12’, en aval, pris relativement au sens de circulation désiré de l’huile, des moyens de pompage pour éviter un éventuel retour d’huile.

Sur la figure 6, deux pompes volumétriques ont été représentées, cependant il est possible de n’en prévoir qu’une. L’invention permet une intensification du débit de fluide de lubrification et donc une rotation suffisante du piston et / ou adapté y compris dans des situations de faible régime moteur. L’invention ne se limite pas aux modes de réalisation décrits.

Dans une variante, la bielle de l’invention peut équiper des machines à piston et à vilebrequin autre qu’un moteur thermique.

En variante encore la machine peut comprendre entre le vilebrequin et la tête de bielle des demi-coussinets rainurés pour favoriser la régularité de l’alimentation en fluide de lubrification de la bielle. Le rainurage des demi-coussinets assemblés est de préférence réalisé à 360°.

En variante encore, le pied de bielle peut comporter un autre alésage en remplacement d’un embout sphérique.

En variante encore, les moyens de pompage peuvent être électriques.

Claims (10)

1. Revendications

   1. Bielle (3) pour machine comprenant un piston et un vilebrequin, cette bielle comportant un pied (10) destiné à être relié au piston, une tête (6) destinée être relié au vilebrequin et un corps (5) s'étendant entre la tête (6) et le pied (10) selon un axe longitudinal (Z), une canalisation (12, 12’) interne au corps (5) reliant la tête (6) au pied (10) et destinée au passage d’un fluide de lubrification, caractérisée en ce qu’elle comprend des moyens de pompage du fluide de lubrification de la tête (6) vers le (10) pied disposés dans la canalisation (12, 12’) interne.
2. 2. Bielle (3) selon la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens de pompage du fluide de lubrification sont disposés dans la canalisation (12, 12’) interne du côté de la tête (6) de ladite bielle.
3. 3. Bielle (3) selon la revendication 2, caractérisée en ce qu’elle comprend une tête (6) de bielle coupée selon un plan de coupe (C) et en ce que les moyens de pompage sont disposés dans une zone (Z2) comprenant un logement (19’) aménagé au niveau du plan de coupe (C).
4. 4. Bielle (3) selon la revendication 3, caractérisée en ce que les moyens de pompage se présentent sous la forme d’une pompe volumétrique ou sous la forme d’une pompe à piston (28) libre.
5. 5. Bielle (3) selon la revendication 2 à 4, caractérisée en ce que les moyens de pompage sont disposés dans une zone (Z1) comprenant un logement (19) aménagé au niveau de l’axe longitudinal (Z).
6. 6. Bielle (3) selon la revendication 5, caractérisée en ce que les moyens de pompage se présentent sous la forme d’une vis sans fin (18) comportant une came (21) ou sous la forme d’un barillet (24) comportant une came (21), ou sous la forme d’une vis sans fin (18) comportant une crémaillère (26).
7. 7. Bielle (3) selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisée en ce que les moyens de pompage sont électriques.
8. 8. Machine comprenant un piston et un vilebrequin, caractérisée en ce qu’elle comprend une bielle (3) selon l’une quelconque des revendications 1 à 5 ou selon la revendication 7 reliant le piston au vilebrequin.
9. 9. Machine comprenant un piston et un vilebrequin, caractérisée en ce qu’elle comprend une bielle (3) selon la revendication 6 et en ce que le vilebrequin comprend un maneton comportant une came (23) ou une crémaillère (27) destinée à coopérer respectivement avec la came (21) ou la crémaillère (26) des moyens de pompage.
10. 10. Machine selon la revendication 8 ou la revendication 9, caractérisée en ce qu’il s’agit d’un moteur thermique et en ce que le piston est articulé par le pied (10) de bielle par une liaison rotule entre une surface sphérique (S1) appartenant au piston et une surface sphérique (S2) appartenant au pied (10) de la bielle (3), une des surfaces sphériques (S1, S2) comportant des moyens de guidage du fluide de lubrification débouchant du pied (10) de bielle, ces moyens de guidage présentant une forme de spirale pour que le fluide de lubrification amené à y circuler entraîne par frottement visqueux le piston (2) en rotation.