FR2688563A1 - Device for balancing an internal combustion engine driving shaft - Google Patents
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Abstract
Dispositif pour équilibrer les efforts s'exerçant sur un arbre rotatif d'entraînement (5), ledit arbre (5), équipant notamment les moteurs à combustion interne, étant soumis à des variations cycliques de couple de la part des organes commandés (4, 3, 2), caractérisé en ce qu'il comprend des moyens générateurs de couple (6, 7, 52) aptes à exercer sur ledit arbre (5) un couple cyclique, de même amplitude que le couple de fonctionnement généré par les organes commandés (4, 3, 2) mais en opposition de phase, de manière que le couple résultant s'exerçant sur ledit arbre (5) soit sensiblement exempt de variations.Device for balancing the forces exerted on a rotary drive shaft (5), said shaft (5), fitted in particular to internal combustion engines, being subjected to cyclical variations in torque from the controlled members (4, 3, 2), characterized in that it comprises torque generating means (6, 7, 52) capable of exerting on said shaft (5) a cyclic torque, of the same amplitude as the operating torque generated by the controlled members (4, 3, 2) but in phase opposition, so that the resulting torque exerted on said shaft (5) is substantially free of variations.
Description
DISPOSITIF POUR EOUILIBRER UN ARBRE D'ENTRAINENENT DE MOITEUR A COMBUSTION INTERNE
La présente invention a pour objet un dispositif pour équilibrer les efforts s'exerçant sur un arbre d'entraînement, utilisé notamment dans un moteur à combustion interne.DEVICE FOR WATERING AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE DRIVE SHAFT
The present invention relates to a device for balancing the forces exerted on a drive shaft, used in particular in an internal combustion engine.
L'invention vise plus particulièrement l'équilibrage des efforts dynamiques cycliques s'exerçant sur les arbres à cames de moteur à combustion interne. The invention relates more particularly to the balancing of the dynamic cyclic forces exerted on the camshafts of an internal combustion engine.
L'arbre à cames d'un moteur à combustion interne a pour rôle d'opérer la levée des soupapes, commandant l'entrée des gaz dans chaque cylindre du moteur en début de cycle et leur sortie en fin de cycle, contre la force des ressorts de rappel appuyant chacune des soupapes contre son siège. Or la levée de chacune des soupapes provoque une variation de type sinusoïdale du couple dynamique instantané s'exerçant sur l'arbre sous l'action du ressort de soupape, dans l'intervalle de rotation correspondant à la levée. En effet pendant la phase d'ouverture proprement dite, le ressort exerce un couple résistant s'opposant à la rotation de l'arbre à cames, tandis que pendant la phase de fermeture le ressort exerce alors un couple moteur accompagnant la rotation. Il en résulte que l'arbre à cames est soumis de façon cyclique à des variations de couple qui peuvent être très importantes. The role of the camshaft of an internal combustion engine is to operate the lifting of the valves, controlling the entry of the gases into each cylinder of the engine at the start of the cycle and their exit at the end of the cycle, against the force of the return springs pressing each valve against its seat. However, the lifting of each of the valves causes a variation of the sinusoidal type of the instantaneous dynamic torque exerted on the shaft under the action of the valve spring, in the rotation interval corresponding to the lifting. In fact, during the actual opening phase, the spring exerts a resistant torque opposing the rotation of the camshaft, while during the closing phase the spring then exerts a driving torque accompanying the rotation. As a result, the camshaft is subjected cyclically to variations in torque which can be very significant.
De telles variations cycliques du couple sont fortement préjudiciables au fonctionnement de l'arbre à cames. Ces variations engendrent tout d'abord un surdimensionnement du système d'entraînement qui doit être adapté à résister aux valeurs maximales du couple s'exerçant sur l'arbre à cames et non pas à la valeur moyenne du couple à transmettre. De plus ces variations sont une source de résonnance du système d'entraînement qui se trouve être excité par la fréquence des variations, cette résonnance provoque d'une part de l'usure et la fatigue des pièces et d'autre part participe à la bruyance du moteur. Enfin le renversement du couple dynamique instantané, passant d'une valeur positive à une valeur négative, génère également de l'usure et du bruit par de brusques rattrapages de jeux. Such cyclical variations in torque are highly detrimental to the operation of the camshaft. These variations generate first of all an oversizing of the drive system which must be adapted to resist the maximum values of the torque exerted on the camshaft and not the average value of the torque to be transmitted. In addition these variations are a source of resonance of the drive system which happens to be excited by the frequency of the variations, this resonance causes on the one hand wear and fatigue of the parts and on the other hand participates in the noise of the motor. Finally, the reversal of the instantaneous dynamic torque, passing from a positive value to a negative value, also generates wear and noise by sudden backlash.
Classiquement on a cherché à atténuer ces variations cycliques en augmentant le couple d'entraînement moyen, de manière à éliminer le renversement de couple, par exemple en rajoutant des poids d'équilibrage comme cela est décrit dans la publication-Fr-A 2.558.232, ou encore en faisant entraîner directement par l'arbre à cames des accessoires tels que la pompe à essence ou la pompe à huile ou encore le distributeur d'allumage. Conventionally, we have sought to attenuate these cyclical variations by increasing the average drive torque, so as to eliminate the torque reversal, for example by adding balancing weights as described in the publication-Fr-A 2.558.232 , or by having accessories such as the fuel pump or oil pump or the ignition distributor driven directly by the camshaft.
Ces approches par augmentation du couple moyen n'est pas très satisfaisante car elle n'élimine pas l'excitation générée par la variation de couple, additionnellement elle augmente encore plus le couple maximum et d'autre part elle perturbe le régime de rotation des accessoires. These approaches by increasing the average torque is not very satisfactory because it does not eliminate the excitation generated by the torque variation, additionally it increases the maximum torque even more and on the other hand it disturbs the rotation speed of the accessories .
Le but de la présente invention est donc de proposer un dispositif pour équilibrer les efforts s'exerçant sur un arbre d'entraînement de façon à éliminer toute ou partie des variations cycliques du couple dynamique appliqué à ce dernier. The object of the present invention is therefore to propose a device for balancing the forces exerted on a drive shaft so as to eliminate all or part of the cyclic variations in the dynamic torque applied to the latter.
Le dispositif selon l'invention pour équilibrer les efforts s'exerçant sur un arbre rotatif d'entraînement concerne plus particulièrement les arbres rotatifs, équipant notamment les moteurs à combustion interne, soumis à des variations cycliques de couple de la part des organes commandés. The device according to the invention for balancing the forces exerted on a rotary drive shaft relates more particularly to rotary shafts, fitted in particular to internal combustion engines, subjected to cyclic variations in torque on the part of the controlled members.
Selon l'invention le dispositif pour équilibrer les efforts s'exerçant sur un arbre d'entraînement est caractérisé en ce qu'il comprend des moyens générateurs de couple aptes à exercer sur ledit arbre un couple cyclique, de même amplitude que le couple de fonctionnement généré par les organes commandés mais en opposition de phase, de manière que le couple résultant s 1exerçant sur ledit arbre soit sensiblement exempt de variations. According to the invention the device for balancing the forces exerted on a drive shaft is characterized in that it comprises torque generating means capable of exerting on said shaft a cyclic torque, of the same amplitude as the operating torque generated by the controlled members but in phase opposition, so that the resulting torque exerted on said shaft is substantially free from variations.
Selon une autre caractéristique du dispositif pour équilibrer les efforts s'exerçant sur un arbre d'entraînement, les moyens générateurs de couple sont aptes à absorber et à régénérer de l'énergie pendant la rotation de l'arbre. According to another characteristic of the device for balancing the forces exerted on a drive shaft, the torque generating means are capable of absorbing and regenerating energy during the rotation of the shaft.
Selon une autre caractéristique du dispositif pour équilibrer les efforts s'exerçant sur un arbre d'entraînement, les moyens générateurs de couple comportent des moyens élastiques de rappel. According to another characteristic of the device for balancing the forces exerted on a drive shaft, the torque generating means comprise elastic return means.
Selon un mode de réalisation privilégié de l'invention le dispositif pour équilibrer les efforts s'exerçant sur un arbre rotatif d'entraînement est destiné plus particulièrement à un arbre à cames de moteur à combustion interne du type comportant une première série de cames de manoeuvre pour actionner les soupapes d'admission et/ou d'échappement dudit moteur contre l'action de ressorts de rappel. According to a preferred embodiment of the invention, the device for balancing the forces exerted on a rotary drive shaft is intended more particularly for a camshaft of an internal combustion engine of the type comprising a first series of operating cams for actuating the intake and / or exhaust valves of said engine against the action of return springs.
Selon une caractéristique du dispositif selon l'invention pour équilibrer les efforts s'exerçant sur un arbre à cames de moteur à combustion interne, l'arbre à cames est équipé d'au moins une came de compensation coopérant avec des moyens élastiques de rappel de raideur prédéterminée. According to a characteristic of the device according to the invention for balancing the forces exerted on a camshaft of an internal combustion engine, the camshaft is equipped with at least one compensation cam cooperating with elastic return means for predetermined stiffness.
Selon une autre caractéristique du dispositif selon l'invention pour équilibrer les efforts s'exerçant sur un arbre à cames de moteur à combustion interne, les moyens élastiques sont formé par un poussoir comprenant un ressort hélicoïdal de rappel, en appui contre ladite came de compensation. According to another characteristic of the device according to the invention for balancing the forces exerted on an internal combustion engine camshaft, the elastic means are formed by a pusher comprising a helical return spring, bearing against said compensation cam .
Selon une autre caractéristique du dispositif selon l'invention pour équilibrer les efforts s'exerçant sur un arbre à cames selon l'invention, la came de compensation comporte un flanc concave associé au flanc de la zone de levée d'une came de manoeuvre. According to another characteristic of the device according to the invention for balancing the forces exerted on a camshaft according to the invention, the compensation cam comprises a concave flank associated with the flank of the lifting zone of an operating cam.
Selon une autre caractéristique du dispositif selon l'invention pour équilibrer les efforts s'exerçant sur un arbre à cames selon l'invention, la came de compensation présente autant de flancs concaves que l'arbre à cames présente de cames de manoeuvre. According to another characteristic of the device according to the invention for balancing the forces exerted on a camshaft according to the invention, the compensation cam has as many concave sides as the camshaft has maneuvering cams.
On comprendra mieux les buts, aspects et avantages de la présente invention, d'après la description donnée ci-après d'un mode de réalisation de l'invention, donné à titre d'exemple non limitatif, en se référant au dessin annexé, dans lequel
la figure 1 est un diagramme précisant l'évolution du couple induit sur un arbre à cames par l'entraînement d'une soupape
la figure 2 présente un schéma de principe d'un dispositif pour équilibrer les efforts s'exerçant sur un arbre d'entraînement ;
la figure 3 présente une vue partielle d'un moteur à combustion interne équipé d'un dispositif pour équilibrer les efforts s'exerçant sur l'arbre à cames.The aims, aspects and advantages of the present invention will be better understood from the description given below of an embodiment of the invention, given by way of nonlimiting example, with reference to the attached drawing, in which
Figure 1 is a diagram detailing the evolution of the torque induced on a camshaft by the driving of a valve
Figure 2 shows a block diagram of a device for balancing the forces exerted on a drive shaft;
FIG. 3 shows a partial view of an internal combustion engine equipped with a device for balancing the forces exerted on the camshaft.
La figure 1 montre l'incidence sur le couple d'entraînement dynamique d'un arbre à cames, de l'ouverture et de la fermeture d'une soupape de moteur à combustion interne appliquée classiquement contre son siège par un ressort hélicoïdal de rappel. Il apparait clairement que le couple dynamique (qui est mesuré expérimentalement au banc d'essai à partir d'un capteur piézoélectrique) évolue de façon très importante de part et d'autre de la valeur du couple moyen d'entraînement de l'arbre. Cette variation d'amplitude est considérable, par exemple à un régime de 1500 tr/mn et par rapport à un couple moyen à transmettre de 4 mN, on a pu noter que le couple dynamique de la distribution varie d'environ + ou - 10 mN. Une telle variation d'amplitude implique donc un dimensionnement adapté de l'arbre, c'est à dire un surdimensionnement par rapport au couple moyen à transmettre. Figure 1 shows the impact on the dynamic drive torque of a camshaft, of the opening and closing of an internal combustion engine valve conventionally applied against its seat by a helical return spring. It is clear that the dynamic torque (which is measured experimentally on a test bench from a piezoelectric sensor) changes very significantly on both sides of the value of the average drive torque of the shaft. This variation in amplitude is considerable, for example at a speed of 1500 rpm and compared to an average torque to be transmitted of 4 mN, it has been noted that the dynamic torque of the distribution varies by approximately + or - 10 mN. Such a variation in amplitude therefore implies an adapted dimensioning of the shaft, that is to say an oversizing with respect to the average torque to be transmitted.
La figure 2 illustre schématiquement le principe de l'invention : pouvoir générer un couple de compensation (Cs) cyclique, de même amplitude que le couple (Cp) de fonctionnement généré par les organes de distribution mais en opposition de phase, de sorte que le couple résultant (Cr),
Cr=Cs+Cp, s'exerçant sur ledit arbre (5) soit sensiblement exempt de variation cyclique.FIG. 2 schematically illustrates the principle of the invention: being able to generate a cyclic compensation torque (Cs), of the same amplitude as the operating torque (Cp) generated by the distribution members but in phase opposition, so that the resulting torque (Cr),
Cr = Cs + Cp, acting on said shaft (5) is substantially free from cyclic variation.
Pour ce faire l'arbre à cames 25 est muni d'une came supplémentaire ou came de compensation 252 sur laquelle vient en appui un poussoir 26 appliqué par des moyens élastiques tels qu'un ressort hélicoïdal de rappel 27. Le profil de la came ainsi que l'inertie et la raideur du ressort sont optimisés au banc d'essai pour réduire et si possible supprimer les variations du couple dynamique résultant appliqué à l'arbre à cames 25. To do this, the camshaft 25 is provided with an additional cam or compensation cam 252 on which bears a plunger 26 applied by elastic means such as a helical return spring 27. The profile of the cam thus that the inertia and the stiffness of the spring are optimized on the test bench to reduce and if possible eliminate the variations in the resulting dynamic torque applied to the camshaft 25.
L'ensemble came de compensation - poussoir a pour objet de produire un couple de même amplitude mais en opposition de phase que le couple dynamique engendrés par les organes de distribution commandés et notamment les ressorts de rappel de soupapes. The purpose of the compensation cam-pushbutton assembly is to produce a torque of the same amplitude but in phase opposition as the dynamic torque generated by the controlled distribution members and in particular the valve return springs.
Dans le cas d'un arbre à cames 25 portant quatre cames disposées à 90" d'intervalle, la came de compensation 252 doit produire un couple correspondant à la somme des quatre couples élémentaires produits par les ressorts de chacune des soupapes. Pour ce faire la came de compensation 252 présente quatre lobes espacés de 90 , les zones de raccordement entre deux lobes successifs étant de forme concave. Cette came est positionnée sur l'arbre à cames 25 de sorte qu'à chaque zone de levé des cames de manoeuvre correspondent une zone de raccordement de la came de compensation, de sorte qu'à la compression puis à la détente d'un ressort de soupape corresponde la détente puis la compression du ressort 27. Ainsi grâce à cette came de compensation le ressort 27 va exercer un couple dynamique sur l'arbre à cames 25 de même amplitude mais en opposition de phase avec chaque couple généré par chacun des ressorts de soupape entraînés par l'arbre à cames 25. In the case of a camshaft 25 carrying four cams arranged at 90 "intervals, the compensating cam 252 must produce a torque corresponding to the sum of the four elementary torques produced by the springs of each of the valves. To do this the compensation cam 252 has four lobes spaced 90 apart, the connection zones between two successive lobes being of concave shape This cam is positioned on the camshaft 25 so that each actuating cam corresponds to each lifted zone a zone for connecting the compensation cam, so that the compression then the expansion of a valve spring corresponds to the expansion then the compression of the spring 27. Thus, thanks to this compensation cam, the spring 27 will exert a dynamic torque on the camshaft 25 of the same amplitude but in phase opposition with each torque generated by each of the valve springs driven by the camshaft 25.
La figure 3 représente le dispositif d'équilibrage en position dans la culasse d'un moteur à combustion interne classique à quatre cylindres en ligne. Seuls les éléments contribuant à la compréhension de l'invention ont été figurés. FIG. 3 represents the balancing device in position in the cylinder head of a conventional internal combustion engine with four cylinders in line. Only the elements contributing to the understanding of the invention have been shown.
Le système de distribution représenté comprend une soupape 2 apte à obturer l'orifice d'un conduit d'admission des gaz frais (ou d'échappement des gaz brulés) débouchant dans une chambre de combustion. La soupape 2, montée coulissante dans la culasse 1 du moteur est rappelée à sa position de fermeture par un ressort 3 qui s'appuie sur un poussoir 4. L'ouverture de la soupape 2 est commandée par la came de manoeuvre 51 de l'arbre à cames 5 monté rotatif dans la culasse et entraîné par le vilebrequin. La came de manoeuvre 51 appuie directement sur la partie supérieure du poussoir 4 alors que l'extrémité inférieure de ce dernier repose sur l'extrémité supérieure de la tige de la soupape. The distribution system shown comprises a valve 2 capable of closing the orifice of a fresh gas intake (or exhaust of burnt gas) conduit opening into a combustion chamber. The valve 2, slidably mounted in the cylinder head 1 of the engine is returned to its closed position by a spring 3 which is supported on a pusher 4. The opening of the valve 2 is controlled by the operating cam 51 of the camshaft 5 rotatably mounted in the cylinder head and driven by the crankshaft. The operating cam 51 presses directly on the upper part of the pusher 4 while the lower end of the latter rests on the upper end of the valve stem.
Le dispositif d'équilibrage est disposé en situation dans la culasse 1. Il comprend un poussoir 6 rappelé en appui contre une came de compensation 52 portée par l'arbre à came 5 par un ressort 7 logé pour partie dans une cavité correspondante 81 du couvre-culasse 8 chapeautant la culasse 1. Le profil et le positionnement angulaire de la came 52 sont définis de façon que le couple dynamique produit par le poussoir 52 sur l'arbre à cames 5 lors de la rotation de ce dernier soit de même amplitude mais en opposition de phase avec le couple dynamique résultant de l'action exercée par chacune des cames de manoeuvre sur les poussoirs de distribution 4 entraînés par l'arbre à cames 5. Dans l'hypothèse d'un arbre à cames portant quatre cames 51 de manoeuvre de soupapes (2) disposées à 900 d'intervalle, la came 52 se présente sous la forme de la came à quatre lobes décrit à la figure 2. The balancing device is placed in position in the cylinder head 1. It comprises a pusher 6 biased in abutment against a compensation cam 52 carried by the cam shaft 5 by a spring 7 partially housed in a corresponding cavity 81 of the cover - cylinder head 8 overseeing the cylinder head 1. The profile and the angular positioning of the cam 52 are defined so that the dynamic torque produced by the tappet 52 on the camshaft 5 during the rotation of the latter is of the same amplitude but in phase opposition with the dynamic torque resulting from the action exerted by each of the operating cams on the timing pushers 4 driven by the camshaft 5. In the hypothesis of a camshaft carrying four cams 51 of operation of valves (2) arranged at an interval of 900, the cam 52 is in the form of the four-lobe cam described in FIG. 2.
Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée au mode de réalisation décrit et illustré qui n'a été donné qu'à titre d'exemple. Of course, the invention is in no way limited to the embodiment described and illustrated, which has been given only by way of example.
Au contraire, l'invention comprend tous les équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons si celles-ci sont effectuées suivant son esprit. On the contrary, the invention includes all the technical equivalents of the means described and their combinations if these are carried out according to the spirit.
Ainsi le dispositif d'équilibrage peut mettre en oeuvre aussi bien des moyens purement mécaniques tels que des ressorts hélicoïdaux que des ressorts à gaz, etc. Thus the balancing device can use both purely mechanical means such as helical springs as well as gas springs, etc.
Ainsi le dispositif d'équilibrage peut être mis en oeuvre avec un système à basculeur de type culbuteur : une extrémité du culbuteur reposant sur la came de compensation tandis que l'autre extrémité repose sur le ressort de rappel associé logé dans la culasse ou le couvre-culasse. Thus the balancing device can be implemented with a rocker-type rocker system: one end of the rocker resting on the compensation cam while the other end rests on the associated return spring housed in the cylinder head or covers it -cylinder head.
Ainsi le dispositif d'équilibrage peut mettre en oeuvre une pluralité de cames de compensation et notamment une came de compensation associée à chaque came de manoeuvre. Thus the balancing device can implement a plurality of compensation cams and in particular a compensation cam associated with each operating cam.
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