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).

La roue de transmission est la pièce
la plus emblématique et la plus reconnaissable
du MCE‑5 VCRi

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.

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 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).

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

Les études par éléments finis et l’optimisation
topologique ont été au coeur 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

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 pressions 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.

La roue de transmission du MCE‑5 tourne à une vitesse absolue faible (vitesse maximale = 2 590 tr/min à 6 000 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 ??? 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 (figure 2).

La roue de transmission du MCE‑5 est dissymétrique et comporte des dents de largeur variable : les dents larges (2) assument les efforts élevés de pression des gaz au PMH, tandis que les dents étroites (3) 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 (4) 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.

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.

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 gamme de fabrication de la roue de transmission du MCE‑5 VCRi
conduit à un excellent rapport qualité/coût pour cette pièce stratégique

Caractéristiques principales de la roue de transmission du MCE‑5 VCRi