Roue de transmission - MCE

MCE-5 VCRi : repousser les limites de la réduction de consommation de carburant
Roue de transmission
La roue de transmission est la pièce la plus caractéristique de la
technologie MCE-5. Il s’agit d’un pignon à denture en
développante de cercle, tels que ceux que l’on trouve dans les
boîtes à vitesses. Cependant, son profil est tronqué pour définir
deux secteurs utiles. Un MCE-5 à 4 cylindres comporte 4 roues
de transmission et 8 crémaillères. Les roues de transmission
actuelles du MCE-5 peuvent supporter une pression cylindre de
130 bar et transmettre les efforts résultants à la bielle. Selon la
définition actuelle des moteurs MCE-5 prototypes, l’effort
tangentiel appliqué aux dentures de la roue est de 57 000 N (5,7
tonnes).
Les conditions de fonctionnement de la roue de transmission du
MCE-5 sont assez différentes de celles des pignons de boîtes à
vitesses :
1. Son sens de rotation s’inverse à chaque tour (piston
descendant, piston ascendant). Sa vitesse de rotation varie ainsi
constamment (figure 1).
2. Elle est lubrifiée à l’huile moteur qui n’est pas formulée pour
les engrenages (les boîtes à vitesses utilisent de l’huile
« extrême pression »). L’huile moteur est en outre chargée de
résidus de combustion et de diverses impuretés, elle contient de
l’essence, et elle s’oxyde entre deux vidanges dans
d’importantes proportions de sorte qu’elle perd une part de ses
facultés lubrifiantes.
La roue de transmission est la pièce la plus emblématique
et la plus reconnaissable du MCE-5 VCRi
3. Elle ne subit pas de chocs tels qu’on en trouve dans les boîtes
à vitesses : lâcher brutal de la pédale d’embrayage, lâcher
d’accélérateur, reprise d’accélération (inversion du sens de
l’effort dans toute la chaîne de transmission) ou choc trottoir. La
Stress and rotational speed applied to the gearwheel
5000rpm - 26 bar BMEP - 99 bar mx in-cylinder pressure - MPFI
40,000
2500
Figure 1
Stress 5000 rpm
30,000
2000
Gear Speed rpm
1500
20,000
Stress (N)
10,000
500
0
0
0
90
180
270
360
450
540
630
-500
-10,000
Speed (rpm)
1000
-1000
-20,000
-1500
-30,000
-2000
-40,000
-2500
Crankshaft Angle (°)
Le régime de rotation de la roue du MCE-5 VCRi reste toujours faible tandis que les efforts tangentiels élevés
et les fortes pressions de Hertz qui en résultent ne sont jamais combinés avec les vitesses de rotation instantanées les plus élevées
www.vcr-i.com
1
MCE-5 VCRi : repousser les limites de la réduction de consommation de carburant
roue MCE-5 est placée entre la bielle et le piston et subit les
efforts d’inertie du piston combinés aux efforts de pression des
gaz dans la chambre de combustion. Ces efforts sont élevés
mais ne s’apparentent pas à un choc (faible gradient).
4. Les pressions appliquées à la surface de ses dents (pression
de Hertz) sont comparables à celles appliquées à la surface des
dents d’engrenages de boîtes à vitesses.
5. Le produit Pression x Vitesse (p.v) au contact des dentures
reste toujours faible (figure 1) : les fortes pressions cylindre et les
efforts d’inertie élevés se produisent toujours à vitesse faible (au
voisinage du PMH et PMB), tandis que les vitesses de rotation
élevées se produisent toujours à efforts faibles (mi-course : peu
de pression cylindre, peu d’efforts d’inertie). Ce produit p.v
faible permet le bon maintien du film d’huile entre les dentures :
la température éclair n’est jamais atteinte quelles que soient les
conditions de fonctionnement (température de vaporisation du
film d’huile).
La roue de transmission est articulée sur la bielle au moyen d’un
axe (1). Cet axe est monté libre dans la roue et est arrêté
axialement par des joncs d’arrêt. L’alésage de logement d’axe
est doté de réservoirs d’huile et a une forme en double
« trompette » de sorte à accompagner la déformation et
l’ovalisation de l’axe. Le débattement angulaire de la roue par
rapport à la bielle est supérieur à celui trouvé entre un piston
classique et sa bielle (jusqu’à 2 fois supérieur) du fait de son
mouvement propre par rapport au cylindre. Ce surcroît de
débattement est favorable au maintien d’un régime de
lubrification hydrodynamique, mais augmente le critère
« vitesse » du produit p.v. La mise au point du fonctionnement de
l’axe de roue a nécessité plusieurs années d’étude et d’essais.
MCE-5, L4 - 3,000 rpm
600
Torque (Nm)
400
200
0
0
100
200
300
400
500
600
700
-200
-400
-600
Crank angle (°)
Gear wheels inertia momentum
CIT + Gear wheels inertia momentum
Les études par éléments finis et l’optimisation topologique ont été
au cœur du développement de la roue de transmission MCE-5 VCRi
www.vcr-i.com
Crankshaft Instantaneous Torque (CIT)
Figure 2
L’influence de la roue de transmission sur le comportement vibratoire
du MCE-5 VCRi est quasi inexistante
2
MCE-5 VCRi : repousser les limites de la réduction de consommation de carburant
La mise au point de l’axe bielle/roue a constitué un challenge et a été particulièrement longue et complexe
Cette liaison ne pose désormais plus aucun problème, même sous endurance longue à charges extrêmes
La roue de transmission du MCE-5 tourne à une vitesse absolue
faible (vitesse maximale = 2590 tr/min à 6000 tr/min moteur).
Son déplacement vertical est deux fois plus petit que celui du
piston. Elle génère un moment d’inertie du fait de sa rotation
alternée dont la valeur est de l’ordre de 9 fois inférieur au
moment de rotation appliqué au moteur par les variations de
couple de vilebrequin. De ce fait, le moment d’inertie de la roue
ne génère aucun effet perceptible car elle se traduit par un
simple décalage temporel du basculement du moteur induit par
les variations de couple de vilebrequin (figure 2).
La roue de transmission du MCE-5 est dissymétrique et
comporte des dents de largeur variable : les dents larges
assument les efforts élevés de pression des gaz au PMH, tandis
que les dents étroites en assument les efforts faibles. Les dents
étroites permettent en outre à la roue de pénétrer à l’intérieur du
cylindre du moteur, de sorte à gagner environ 25 mm en hauteur
moteur. Les dents de la roue de transmission du MCE-5 sont
conçues pour générer une friction minimale. Leur module et leur
nombre sont prévus pour couvrir les besoins en course de
piston et course de contrôle VCR tout en préservant de hauts
coefficients de sécurité de résistance à la fatigue en contrainte
alternée (dents courtes et rayons de pied de dent optimisés).
Pour limiter le frottement, le rapport de conduite des dentures
www.vcr-i.com
de la roue est également minimal pour réduire la composante de
glissement de l’engrènement.
La roue de transmission du MCE-5 comporte une piste de
roulement centrale qui coopère avec celle que comportent les
crémaillères de piston et de commande. Cette piste maintient
l’entraxe des dentures à la valeur souhaitée de sorte à conserver
un jeu fonctionnel entre dents compris entre 30 et 70 microns.
Ce jeu faible évite tout bruit de fonctionnement perceptible. En
outre, cette piste reprend les efforts d’appui de bielle et des
vérins presseurs qui maintiennent les pièces du MCE-5 en
contact les unes avec les autres. L’effort tangentiel appliqué à la
roue par le piston de combustion est repris par les dentures,
tandis que l’effort radial est repris par ses pistes de roulement :
les deux fonctions sont ainsi dissociées.
La structure générale de la roue de transmission MCE-5 assure
un minimum de déformation sous charge avec un minimum de
matière. Des calculs d’optimisation topologique ont conduit à sa
forme « organique » caractéristique qui lui donne une rigidité
maximale. La géométrie de la roue de transmission est
également dictée par les procédés de forgeage prévus pour sa
production en grande série.
3
MCE-5 VCRi : repousser les limites de la réduction de consommation de carburant
9 années d’essai sous diverses conditions ont prouvé l’extrême
robustesse de la roue de transmission MCE-5. La résistance à la
fatigue en contrainte alternée, la résistance à la pression de
contact (pression de Hertz), le bon maintien des conditions de
lubrification, l’absence d’usure (de l’ordre du micron durant la
vie du véhicule sur 300 000 km), de grippage, d’écaillage, en
font une pièce centrale d’une grande fiabilité, capable d’assurer
un service fiable sur une large production de véhicules.
➁
➀
➂
➃
La gamme de fabrication de la roue de transmission du MCE-5 VCRi conduit à un excellent rapport qualité/coût pour cette pièce stratégique
www.vcr-i.com
4
MCE-5 VCRi : repousser les limites de la réduction de consommation de carburant
Dimensions
Diamètre au cercle primitif (mm)
100
Module
3,33
Nombre de dents roue entière (sur 360°)
30
Nombre de dents d’un secteur
6
Rapport de conduite
1,42
Qualité géométrique des dentures
qualité 5 selon norme ISO 1328
Rendement
0,99694
Corrections de denture
Bombé de 6 µ
Largeur hors tout (mm)
59,5
Largeur de contact des dentures (mm)
37,8
Largeur des pistes de roulement (mm)
7
Bombé piste (µm)
20
Jeu diamétral axe (µm)
32 < < 45
Jeu axial (µm)
14 < < 22
Débattement angulaire (course moteur + course VCR)
64°
Masse (g)
991
Sollicitations
Pression de Hertz maxi sur pistes de roulement (MPa)
1 400
Effort maxi sur les pistes de roulement (N)
14 800
Effort tangentiel maxi admissible en fatigue (N)
53 000
Pression de Hertz maxi denture (MPa)
2 000
Profondeur de cisaillement maximum (mm)
0,4
Contrainte maxi en pied de dent (MPa)
1 200
Contrainte maxi dans la pièce (MPa)
500
Flèche maxi sous charge (mm)
0,06
Données techniques
Montage de l’axe
libre, avec joncs d’arrêt
Géométrie de sortie d’axe
en " trompette " (15 µm)
Matériau
acier de cémentation 20MCD5 (20MnCrMo5)
Traitement de surface
cémentation (profondeur 0,8mm), shot peening, tribofinition
Procédé de fabrication industriel
forgeage par demi-roues, soudage, taillage, rectification
Caractéristiques principales de la roue de transmission du MCE-5 VCRi
www.vcr-i.com
5