MCE-5 VCRi : repousser les limites de la réduction de consommation de carburant

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1 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 13 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 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 5rpm - 26 bar BMEP - 99 bar mx in-cylinder pressure - MPFI 4, 25 Figure 1 3, Stress 5 rpm Gear Speed rpm , 1 Stress (N) 1, -1, Speed (rpm) -2, , -2-4, -25 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 1

2 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. 6 MCE-5, L4-3, rpm 4 Torque (Nm) Crank angle ( ) Gear wheels inertia momentum CIT + Gear wheels inertia momentum Crankshaft Instantaneous Torque (CIT) Figure 2 Les études par éléments finis et l optimisation topologique ont été au cœur du développement de la roue de transmission MCE-5 VCRi L influence de la roue de transmission sur le comportement vibratoire du MCE-5 VCRi est quasi inexistante 2

3 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 = 259 tr/min à 6 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 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 3 et 7 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

4 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 3 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. ➀ ➁ 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 4

5 Dimensions Diamètre au cercle primitif (mm) 1 Module 3,33 Nombre de dents roue entière (sur 36 ) 3 Nombre de dents d un secteur 6 Rapport de conduite 1,42 Qualité géométrique des dentures qualité 5 selon norme ISO 1328 Rendement,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) 2 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 4 Effort maxi sur les pistes de roulement (N) 14 8 Effort tangentiel maxi admissible en fatigue (N) 53 Pression de Hertz maxi denture (MPa) 2 Profondeur de cisaillement maximum (mm),4 Contrainte maxi en pied de dent (MPa) 1 2 Contrainte maxi dans la pièce (MPa) 5 Flèche maxi sous charge (mm),6 Données techniques Montage de l axe libre, avec joncs d arrêt Géométrie de sortie d axe en " trompette " (15 µm) Matériau acier de cémentation 2MCD5 (2MnCrMo5) Traitement de surface cémentation (profondeur,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 5

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