roue de transmission
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La roue de transmission est la pièce la plus caractéristique de latechnologie MCE-5. Il s’agit d’un pignon à denture endéveloppante de cercle, tels que ceux que l’on trouve dans lesboîtes à vitesses. Cependant, son profil est tronqué pour définirdeux secteurs utiles. Un MCE-5 à 4 cylindres comporte 4 rouesde transmission et 8 crémaillères. Les roues de transmissionactuelles du MCE-5 peuvent supporter une pression cylindre de130 bar et transmettre les efforts résultants à la bielle. Selon ladéfinition actuelle des moteurs MCE-5 prototypes, l’efforttangentiel appliqué aux dentures de la roue est de 57 000 N (5,7tonnes).
Les conditions de fonctionnement de la roue de transmission duMCE-5 sont assez différentes de celles des pignons de boîtes àvitesses :
1. Son sens de rotation s’inverse à chaque tour (pistondescendant, piston ascendant). Sa vitesse de rotation varie ainsiconstamment (figure 1).
2. Elle est lubrifiée à l’huile moteur qui n’est pas formulée pourles engrenages (les boîtes à vitesses utilisent de l’huile« extrême pression »). L’huile moteur est en outre chargée derésidus de combustion et de diverses impuretés, elle contient del’essence, et elle s’oxyde entre deux vidanges dansd’importantes proportions de sorte qu’elle perd une part de sesfacultés lubrifiantes.
3. Elle ne subit pas de chocs tels qu’on en trouve dans les boîtesà vitesses : lâcher brutal de la pédale d’embrayage, lâcherd’accélérateur, reprise d’accélération (inversion du sens del’effort dans toute la chaîne de transmission) ou choc trottoir. La
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Roue de transmission
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Stress and rotational speed applied to the gearwheel5000rpm - 26 bar BMEP - 99 bar mx in-cylinder pressure - MPFI
-40,000
-30,000
-20,000
-10,000
0
10,000
20,000
30,000
40,000
Crankshaft Angle (°)
Str
ess (
N)
-2500
-2000
-1500
-1000
-500
0
500
1000
1500
2000
2500
Sp
eed
(r
pm
)
180 270900 360 450 540 630
Stress 5000 rpm
Gear Speed rpm
Le régime de rotation de la roue du MCE-5 VCRi reste toujours faible tandis que les efforts tangentiels élevéset les fortes pressions de Hertz qui en résultent ne sont jamais combinés avec les vitesses de rotation instantanées les plus élevées
La roue de transmission est la pièce la plus emblématiqueet la plus reconnaissable du MCE-5 VCRi
Figure 1
roue MCE-5 est placée entre la bielle et le piston et subit lesefforts d’inertie du piston combinés aux efforts de pression desgaz dans la chambre de combustion. Ces efforts sont élevésmais ne s’apparentent pas à un choc (faible gradient).
4. Les pressions appliquées à la surface de ses dents (pressionde Hertz) sont comparables à celles appliquées à la surface desdents d’engrenages de boîtes à vitesses.
5. Le produit Pression x Vitesse (p.v) au contact des denturesreste toujours faible (figure 1) : les fortes pressions cylindre et lesefforts d’inertie élevés se produisent toujours à vitesse faible (auvoisinage du PMH et PMB), tandis que les vitesses de rotationélevées se produisent toujours à efforts faibles (mi-course : peude pression cylindre, peu d’efforts d’inertie). Ce produit p.vfaible permet le bon maintien du film d’huile entre les dentures :la température éclair n’est jamais atteinte quelles que soient lesconditions de fonctionnement (température de vaporisation dufilm d’huile).
La roue de transmission est articulée sur la bielle au moyen d’unaxe (1). Cet axe est monté libre dans la roue et est arrêtéaxialement par des joncs d’arrêt. L’alésage de logement d’axeest doté de réservoirs d’huile et a une forme en double« trompette » de sorte à accompagner la déformation etl’ovalisation de l’axe. Le débattement angulaire de la roue parrapport à la bielle est supérieur à celui trouvé entre un pistonclassique et sa bielle (jusqu’à 2 fois supérieur) du fait de sonmouvement propre par rapport au cylindre. Ce surcroît dedébattement est favorable au maintien d’un régime delubrification hydrodynamique, mais augmente le critère« vitesse » du produit p.v. La mise au point du fonctionnement del’axe de roue a nécessité plusieurs années d’étude et d’essais.
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Les études par éléments finis et l’optimisation topologique ont étéau cœur du développement de la roue de transmission MCE-5 VCRi
MCE-5, L4 - 3,000 rpm
-600
-400
-200
0
200
400
600
Crank angle (°)
To
rqu
e (
Nm
)
Gear wheels inertia momentum Crankshaft Instantaneous Torque (CIT)
CIT + Gear wheels inertia momentum
0 300 400 500 600 700200100
L’influence de la roue de transmission sur le comportement vibratoiredu MCE-5 VCRi est quasi inexistante
Figure 2
La roue de transmission du MCE-5 tourne à une vitesse absoluefaible (vitesse maximale = 2590 tr/min à 6000 tr/min moteur).Son déplacement vertical est deux fois plus petit que celui dupiston. Elle génère un moment d’inertie du fait de sa rotationalternée dont la valeur est de l’ordre de 9 fois inférieur aumoment de rotation appliqué au moteur par les variations decouple de vilebrequin. De ce fait, le moment d’inertie de la rouene génère aucun effet perceptible car elle se traduit par unsimple décalage temporel du basculement du moteur induit parles variations de couple de vilebrequin (figure 2).
La roue de transmission du MCE-5 est dissymétrique etcomporte des dents de largeur variable : les dents largesassument les efforts élevés de pression des gaz au PMH, tandisque les dents étroites en assument les efforts faibles. Les dentsétroites permettent en outre à la roue de pénétrer à l’intérieur ducylindre du moteur, de sorte à gagner environ 25 mm en hauteurmoteur. Les dents de la roue de transmission du MCE-5 sontconçues pour générer une friction minimale. Leur module et leurnombre sont prévus pour couvrir les besoins en course depiston et course de contrôle VCR tout en préservant de hautscoefficients de sécurité de résistance à la fatigue en contraintealternée (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 deglissement de l’engrènement.
La roue de transmission du MCE-5 comporte une piste deroulement centrale qui coopère avec celle que comportent lescrémaillères de piston et de commande. Cette piste maintientl’entraxe des dentures à la valeur souhaitée de sorte à conserverun jeu fonctionnel entre dents compris entre 30 et 70 microns.Ce jeu faible évite tout bruit de fonctionnement perceptible. Enoutre, cette piste reprend les efforts d’appui de bielle et desvérins presseurs qui maintiennent les pièces du MCE-5 encontact les unes avec les autres. L’effort tangentiel appliqué à laroue 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 assureun minimum de déformation sous charge avec un minimum dematière. Des calculs d’optimisation topologique ont conduit à saforme « organique » caractéristique qui lui donne une rigiditémaximale. La géométrie de la roue de transmission estégalement dictée par les procédés de forgeage prévus pour saproduction en grande série.
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La mise au point de l’axe bielle/roue a constitué un challenge et a été particulièrement longue et complexeCette liaison ne pose désormais plus aucun problème, même sous endurance longue à charges extrêmes
9 années d’essai sous diverses conditions ont prouvé l’extrêmerobustesse de la roue de transmission MCE-5. La résistance à lafatigue en contrainte alternée, la résistance à la pression decontact (pression de Hertz), le bon maintien des conditions de
lubrification, l’absence d’usure (de l’ordre du micron durant lavie du véhicule sur 300 000 km), de grippage, d’écaillage, enfont une pièce centrale d’une grande fiabilité, capable d’assurerun service fiable sur une large production de véhicules.
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La gamme de fabrication de la roue de transmission du MCE-5 VCRi conduit à un excellent rapport qualité/coût pour cette pièce stratégique
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DimensionsDiamètre au cercle primitif (mm) 100Module 3,33Nombre de dents roue entière (sur 360°) 30Nombre de dents d’un secteur 6Rapport de conduite 1,42Qualité géométrique des dentures qualité 5 selon norme ISO 1328Rendement 0,99694Corrections de denture Bombé de 6 µLargeur hors tout (mm) 59,5Largeur de contact des dentures (mm) 37,8Largeur des pistes de roulement (mm) 7Bombé piste (µm) 20Jeu diamétral axe (µm) 32 < < 45Jeu axial (µm) 14 < < 22Débattement angulaire (course moteur + course VCR) 64°Masse (g) 991SollicitationsPression de Hertz maxi sur pistes de roulement (MPa) 1 400Effort maxi sur les pistes de roulement (N) 14 800Effort tangentiel maxi admissible en fatigue (N) 53 000Pression de Hertz maxi denture (MPa) 2 000Profondeur de cisaillement maximum (mm) 0,4Contrainte maxi en pied de dent (MPa) 1 200Contrainte maxi dans la pièce (MPa) 500Flèche maxi sous charge (mm) 0,06Données techniquesMontage de l’axe libre, avec joncs d’arrêtGéométrie de sortie d’axe en " trompette " (15 µm)Matériau acier de cémentation 20MCD5 (20MnCrMo5)Traitement de surface cémentation (profondeur 0,8mm), shot peening, tribofinitionProcédé de fabrication industriel forgeage par demi-roues, soudage, taillage, rectification
Caractéristiques principales de la roue de transmission du MCE-5 VCRi