Brevet FR2040224A1 — publié le 19710122

-1- 2040224 La présente invention concerne les vilebrequins pour moteurs à combustion interne, ainsi que leur procédé de fabrication. On utilise généralement des contrepoids sur les vilebrequins des moteurs pourréduire les vibrations ainsi que les charges 5 appliquées aux paliers. Les contrepoids peuvent faire partie intégrante du vilebrequin ou être indépendants et fixés au vilebrequin après usinage de ce dernier. Les vilebrequins des moteurs subissent généralement des essais à des vitesses de rotation bien supérieures à 10 celles qu'ils rencontrent au cours du fonctionnement normal des moteurs. Pendant les essais, les contrepoids doivent rester solidement fixés au vilebrequin. Un avantage des contrepoids d'un seul tenant avec le vilebrequin est 'qu'il ne se pose pas de problème de rétention. Ce 15 type de contrepoids présente cependant plusieurs inconvénients parmi lèsçjuels on peut citer : (a) Le prix de moulage initial élevé et la courte durée du moule du dispositif de fabrication utilisé. (b) L'encombrement excessif, du moteur résultant de la diffi-20 culté d'utiliser de façon économique l'espace disponible pour placer les contrepoids. L'espace compris entre la bielle et la face latérale adjacente du contrepoids qui surplombe le palier de la biçlle pourrait être occupé par une masse d'équilibrage si le palier ne devenait pas de ce fait impossible à usiner. 25- - ; (c) Il faut utiliser une billette beaucoup trop volumineuse pour fabriquer un vilebrequin de forme trop complexe et il faut ensuite retirer trop de matériau au cours de l'usinage ultérieur. En outre l'acier qui convient pour le-vilebrequin possède des qualités qui ne sont pas nécessaires aux contrepoids utilisés 50 surtout pour leur masse. Pour éviter ces inconvénients, on peut utiliser des contrepoids séparés qu'on fixe au vilebrequin, mais on se heurte au problème plus difficile du maintien des contrepoids sur le vilebrequin à grande vitesse. Les solutions apportées à ce problème 35 sont coûteuses en temps, en précision de l'outillage, et en systèmes spéciaux de fixation. Il faut aussi exercer une surveillance particulière pendant la fabrication et le montage final. Les contrepoids peuvent être fixés par soudage,- mais les procédés de soudage utilisés jusqu'à présent ont l'inconvénient 40 de déformer le vilebrequin par chauffage et refroidissement. 70 14998 2040224 L'invention a pour objet un procédé de fixation de contrepoids aux bras d'un vilebrequin, ledit procédé consistant : - à établir respectivement sur les contrepoids et sur les bras du vilebrequin des surfaces de venue en contact mutuel, compor- 5 tant chacune au moins une dimension rectiligne agencée de manière à permettre un soudage par faisceau d'électrons suivant le lieu de cette dimension, perpendiculairement au plan général du bras correspondant; - à positionner et à souder successivement par faisceau d'élec-10 trons les contrepoids sur les surfaces respectives des bras du vilebrequin. L'invention vise également un procédé de fabrication d'un vilebrequin qui consiste : - à former un corps de vilebrequin avec des tourillons, des manetons et des bras; - à achever l'u-15 sinage du corps de vilebrequin; - à fixer des contrepoids principaux à au moins certains des bras; - à "équilibrer le corps de vilebrequin porteur des contrepoids principaux:; - à soumettre certaines parties du corps du vilebrequin à un traitement superficiel de durcissement; - et à fixer aux contrepoids principaux 20 des contrepoids ou plaques d'équilibrage auxiliaires de poids et de dimension prédéterminés. Suivant ,l'invention, on obtient un corps de vilebrequin dont les bras sont agencés pour recevoir des contrepoids soudés aux-dits bras par un faisceau d'électrons, chaque bras comportant 25 une surface ayant une dimension rectiligne dont le lieu est transversal par rapport au plan général du bras et pouvant venir en contact avec une surface complémentaire d'un contrepoids, lesdites surfaces étant disposées les unes par rapport aux autres de manière à permettre l'accès d'un faisceau d'électrons à 30 chaque surface pendant les opérations successives de soudage. Dans le vilebrequin de l'invention qui comporte des bras auxquels sont soudés par faisceau électronique des contrepoids principaux, l'épaisseur de ces contrepoids principaux est déterminée de manière à permettre un afecès radial aux tourillons 35 manetons adjacents, afin de soumettre ces tourillons et/ou manetons à un traitement de trempe superficiélle et/ou de superfinissage. - L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui suit et à l'examen des dessins annexés qui 40 représentent à titre d'exemples non limitatifs plusieurs modes 70 14998 2040224 de réalisation de l'invention. La fig. 1 est une vue en élévation de la moitié d'un vilebrequin pour moteur V-8, dans le sens de la flèche I de la fig.2. La fig. 2 est une vue en plan du vilebrequin, dans le sens 5 de la flèche II de la fig. 1. La fig. 3 est une vue d'extrémité du vilebrequin jusqu'à son plan médian A-A, dans le sens de la flèche III de la fig. 2. La fig. 4 est une vue en élévation du vilebrequin, dans le sens de la flèche IV de la fig. 3, avant fixation des contre-10 poids qui sont représentés en coupe. La fig. 5 est une vue partielle en coupe, à plus grande échelle, suivant la ligne V-V de la fig. 3- La fig. 6 est une vue analogue à celle de la fig. 4, mais représente un deuxième mode de réalisation de l'invention. 15 Les figs 7 et 8 sont des vues analoguegâ celles des figs 3 et 4, mais représentent un troisième mode de réalisation de 1 ' invention. La fig. 9 est une vue suivant la ligne IX-IX de la fig. 10 d'un contrepoids muni d'une plaque d'équilibrage. 20 La fig. 10 est une vue en coupe suivant la ligne X-X de la fig. 9, illustrant un premier mode de fixation de la plaque d'équilibrage. La fig. 11 est une vue analogue à celle de la fig. 10, mais illustre un deuxième mode de fixation de la plaque d'équilibrage. 25 Sur les figs 1 à 6, on a représenté la moitié de la longueur d'un vilebrequin 1 de moteur V-8. L'autre moitié est analogue et n'a pas été représentée. Le vilebrequin 1 comporte des tourillons qui forment respectivement des paliers principaux antérieur 2, intermédiaire 3 30 et central 4, ainsi que des manetons 5? 6 décalés de 90° l'un par rapport à l'autre. Des bras 75 8 et 9> qui sont disposés contre les paliers principaux antérieur 2 et intermédiaire 3 porte des contrepoids principaux 10, 11 et 12. Un bras 13 qui est adjacent au palier principal central 4 ne porte pas de 35 contrepoids. Le bras 7 et son contrepoids 10 sont plus lourds que les autres. ' Pour fixer les contrepoids principaux aux bras du vilebrequin 1, on soude au moyen d'un faisceau électronique des surfaces plates 17, 18 et 19 des bras 7* 8 et 9 sur les surfaces 40 plates contigues des contrepoids correspondants. 14998 -4- 2040224 Chacun des contrepoids est usiné ave c précision, notamment en ce qui concerne l'écartement de trous 10a et 10b et leur position par rapport à la surface 14 du contrepoids. L'écartement des trous 10a et 10b et les dimensions de ces trous sont parti-5 culièrement importants car ils doivent coïncider avec précision à des trous correspondants formés dans les plaques auxiliaires d'équilibrage qu'on décrira plus loin. Les références 10a et 10b désignent les trous des contrepoids 10 mais il est bien entendu que les autres contrepoids comportent des trous analogues qui 10 sont établis avec la même précision. Sur la fig. 4, on a représenté en 20 la tête émettrice d'électrons "d'un dispositif de soudage par faisceau d'électrons. Comme représenté sur la fig. 4, les surfaces 14, 15 et 16 des contrepoids vont en dégradant vers l'extérieur à partir de l'axe du 15 vilebrequin, de même que les surfaces 17', 18 et 19 du vilebrequin. La tête émettrice d'électrons 20 est placée dans le plan de la surface 19 et dirigée vers elle. L'assemblage est effectué de la façon suivante : on place le contrepoids 12 dans la position voulue avec sa surface 16 adjacente à la surface 19 puis 20 on actionne le dispositif de soudage pour diriger un faisceau d'électrons sur l'interface 16/19, ce qui produit une fusion locale et le soudage des métaux du vilebrequin et du contrepoids. Le faisceau électronique traverse l'interface de sorte que la totalité des surfaces adjacentes s'unit. On aligne ensuite la 25 tête 20 avec les surfaces adjacentes 18 et 15 puis on actionne le dispositif de soudage qui soude ensemble le contrepoids 11 et le bras 8. Finalement, on soude de la même façon le bras 7 et le contrepoids 10. On procède de façon identique- pour les trois contrepoids correspondants de l'autre extrémité du vile-30 brequin. La surface 18 est décalée vers l'intérieur par rapport à la surface 19 de sorte qu'elle n'intercepte pas le faisceau destiné à la surface 19» Le faisceau doit être aligné avec la surface à souder. De la même façon, la surface 17 ne doit pas masquer la surface 18 au faisceau électronique. 35 II est avantageux que les deux surfaces adjacentes soient en saillie l'une par rapport à l'autre du fait que. les limites de ces deux surfaces n'ont ni la même forme ni les mêmes dimensions. Lorsque ce n'est pas le cas, un dégagement 23} tel que représenté sur la fig. 5» peut être pratiqué dans le contrepoids 40 pour former un surplomb. Ce surplomb assure que toute bavure 70 14998 -5- 2040224 produite au soudage reste dans un évidement, ce qui évite les opérations ultérieures d'ébarbage. La fig. 6 illustre la façon dont les surfaces 17a> 18a, 19a et 14a, 15a, 16a peuvent être taillées obliquement de façon 5 complémentaire pour permettre à la tête 20 d'être placée de sorte que le faisceau d'électrons qu'elle émet ne soit pas gêné par les autres surfaces. Bans le mode de réalisation représenté sur les figs 1 à 6, la ligne de rencontre du faisceau d'électrons et du vilebrequin est 10 une ligne droite qui est une corde d'un cercle ayant pour centre l'axe du vilebrequin. Dans le mode de réalisation représenté sur les figs 7 et 8 les surfaces 17"b, 18b, 19b et 14b, 15h, 16b sont des surfaces cylindriques. Elles peuvent être légèrement dégradées de manière 15 à laisser le libre passage au faisceau d'électrons comme dans le cas de la fig. 4. Si les surfaces sont obliques comme dans le cas de la fig. 6, elles deviennent coniques et la tête émettrice d'électrons doit être déplacée en conséquence. Les figs 9, 10 et 11 représentent des contrepoids auxiliaires 20 ou plaques d'équilibrage 24 qu'on ajoute aux contrepoids pour compléter le vilebrequin de la fig. 1. Ces plaques ont avantageusement la même forme que les contrepoids, comme représenté sur la fig. 3« • Deux modes de fixation des plaques d'équilibrage sont illus-25 très par les figs 10 et 11. Ces deux procédés assurent une déformation locale minimale au voisinage des organes de fixation, ce qui réduit les contraintes imposées aux organes de fixation. Sur la fig. 10 on a représenté une plaque d'équilibrage 24 relativement mince, dans laquelle sont formés deux trous 25. 30 Ces trous présentent le même écartement, avec des tolérances très étroites, que les trous 10a et 10b indiqués précédemment. Une pièce épaulée 26 est ajustée dans le trou 25 a la périphérie duquel elle est soudée au moyen d'un faisceau, d'électrons. La pièce 26 est taraudée intérieurement. Le trou 10a est un 35 trou à épaulements dont la partie de plus grand diamètre 27 peut recevoir la tête 28 d'une vis de mise en place 29 dont la tige 30 traverse la portion de plus petit diamètre 31' du trou 10a. La pièce 26 s'encastre à la manière d'une cheville dans un évidement 32 du trou 10a. La pièce 26 constitue ainsi une che-40 ville taraudée intérieurement. Deux de ces chevilles positionnent 70 14998 "J" 2040224 la plaque d'équilibrage et l'empêchent de se déplacer latéralement par rapport au contrepoids 10. Il est à noter que le soudage électronique de la pièce 26 dans la plaque d'équilibrage permet de maintenir avec précision l'alignement de la cheville 5 pendant l'opération de soudage, avantage qui ne peut être obtenu qu'au moyen de gabarit fort onéreux, dans les autres modes de soudage. En outre, la résistance au cisaillement de la pièce 26 est pratiquement la même, avant et après soudage, étant entendu que cette pièce subit de très fortes contraintes. 10 Sur la fig. 11 on a représenté une plaque d'équilibrage 34 relativement épaisse, qui est fixée au Contrepoids 10. Le contrepoids est percé exactement de la même façon que dans le cas de la fig. 10 et les mêmes éléments sont désignés par les mêmes références numériques. Dans ce cas cependant, une pièce 36 a 15 une portion 37 qui s'adapte étroitement dans 1'évidement 32 et dans un trou 38 de la plaque d'équilibrage 34. Un évidement 39 formé dans la face externe de la plaque d'équilibrage 34- reçoit une collerette 40 de la pièce 36 qui sert, avec la vis de réglage 29, à empêcher la plaque d'équilibrage de se séparer du 20 contrepoids. Dans ce cas, la pièce 36 sert de cheville non serrée. Une caractéristique importante de l'invention réside dans le fait que les trous des chevilles dans les contrepoids et dans les plaques d'équilibrage peuvent être formés avant soudage et 25 peuvent servir à positionner les chevilles après soudage. Pour fabriquer un vilebrequin, on commence par usiner les pièces nécessaires. C'est ainsi qu'on finit complètement aux dimensions voulues les paliers principaux 2, 3, 4- etc.., les manetons 5> 6, etc.., les extrémités avant et arrière 46 du 30 vilebrequin, les trous d'allégement 48,- les passages de graissage 49 et les surfaces 17, 18, 19, de façon que le vilebrequin n'ait pas à être usiné de nouveau ultérieurement. L'étape suivante consiste à souder les contrepoids à leur place au moyen d'un faisceau d'électrons. Cette opération ne produit pas de 35 dispersion de chaleur dans le vilebrequin de sorte qu'elle n'entraîne pas de déformation nécessitant un réusinage du vilebrequin. On équilibre ensuite le vilebrequin. Cette étape consiste à ajouter aux manetons des poids temporaires. Dans ce cas, les poids temporaires compensent une partie du déséquilibre total. 40 L'équilibrage réel consiste de façon connue à retirer des masses 70 14998 -7- 2040224 de parties appropriées du vilebrequin. Après équilibrage, le vilebrequin est en état de recevoir un jeu de plaques d'équilibrage qui lui confèrent l'état d'équilibre voulu pour le moteur. Cependant, avant de fixer les pla-5 ques d'équilibrage sur le vilebrequin on fait subir un traitement thermique aux surfaces portantes du vilebrequin pour les durcir. Suivant le type de traitement thermique qu'on leur applique, ces surfaces peuvent être ensuite nettoyées et polies pour éliminer les dépôts superficiels. On fixe ensuite les pla-10 ques d'équilibrage sur le vilebrequin qui est alors prêt à être monté dans un moteur. Il arrive souvent qu'un moteur soit conçu de façon que le bloc moteur puisse être alésé suivant un jeu de dimensions donnant par exemple deux ou même trois possibilités de moteurs de 15 puissances différentes ayant des pistons correspondants de poids différent . Les vilebrequins de ces moteurs ont les mêmes dimensions initiales et ils sont identiques en tous points, sauf en ce qui concerne leur équilibrage. La présente invention permet de fabriquer un vilebrequin de base équilibré de façon telle que 20 la seule opération ultérieure nécessaire soit de lui adjoindre un jeu de plaques d'équilibrage appropriées à la masse des pistons du moteur dans, lequel le vilebrequin doit être monté. Bien entendu on pèse soigneusement chaque plaque d'équilibrage et on étudie la position de son centre de gravité de façon qu'elle 25 soit compatible avec les plaques voisines et avec le vilebrequin. La présente invention permet ainsi d'usiner complètement,le vilebrequin à un moment où il n'est pas nécessaire de s'occuper du problème des contrepoids qui chargent les manetons ou les paliers principaux. En outre, aucun ré-usinage n'est nécessaire 50 après soudage des contrepoids.. De plus les poids sont fixés par des vis dont les axes sont parallèles à l'axe du vilebrequin, et ces vis sont exemptes des forces de cisaillement qui sont prises en charge par les chevilles. Il en résulte une plus grande sécurité que lorsqu'on utilise des vis radiales, comme c'est 55 généralement le cas. Enfin le poids supporté par les vis ne représente qu'une fraction et non la totalité de la masse totale d'équilibrage, comme dans les vilebrequins, classiques. Le problème des contrepoids est particulièrement important pour les vilebrequins de moteurs V-8 dans lesquels chaque maneim 40 supporte deux bielles, aussi l'invention a-t-elle été décrite 1499B -8- 2040224 comme s'appliquant à un tel vilebrequin mais il est bien évident qu'elle s'applique également aux moteurs ayant une configuration différente. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée aux exemples décrits et représentés, elle est susceptible de nombreuses variantes accessibles à l'homme de l'art, suivant les applications envisagées et sans qu'on s'écarte pour cela du cadre de l'invention. 70 14998 "9~ 2040224 - EEVENDICALIONS - 1 - Procédé de fixation de contrepoids aux bras d'un vilebrequin, ledit procédé consistant : - à établir respectivement sur les contrepoids et sur les bras du vilebrequin des surfaces de 5 venue en contact mutuel, comportant chacune au moins une dimension rectiligne agencée de manière à permettre un soudage par faisceau d'électrons suivant le lieu de cette dimension, perpendiculairement au plan général du bras correspondant; - à positionner et à souder successivement par faisceau d'électrons les 10 contrepoids sur les surfaces respectives des bras du vilebrequin.- 2 - Procédé de fabrication d'un vilebrequin qui consiste : - à former un corps de vilebrequin avec des tourillons, des manetons et des bras; - à achever l'usinage du eorps de vilebrequin; - à fixer des contrepoids principaux à au moins certains 15 des bras; - à équilibrer le corps de vilebrequin porteur des contrepoids principaux; - à soumettre certaines parties du corps du vilebrequin à un traitement superficiel de durcissement; - et à fixer aux contrepoids principaux des contrepoids ou plaques d'équilibrage auxiliaires de poids et de dimension prédéter- 20 minés. 3 - Procédé suivant la revendication 2, caractérisé en ce que chaque contrepoids principal est fixé au bras respectif du vilebrequin par soudage par un faisceau d'électrons dirigé perpendiculairement au plan général du bras en question. 25 4 - Procédé suivant les revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que les contrepoids principaux et auxiliaires comportent respectivement des logements complémentaires (10a, 10b)destinés à recevoir des organes de fixation pour fixer les contrepoids auxiliaires aux contrepoids principaux. 30 5 - Procédé suivant la revendication 4, caractérisé en ce que le logement précité est formé avant fixation des contrepoids principaux au bras correspondant du vilebrequin. 6 - Procédé suivant- l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que les contrepoids auxiliaires sont fixés 35 aux contrepoids principaux après traitement de certaines parties du corps du vilebrequin pour le tremper superficiellement. 7 - Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'on effectue une superfinition des paliers et manetons du vilebrequin sujets à un traitement de trem 70 14998 2040224 pe superficielle, cette superfinition étant effectuée avant fixation des contrepoids auxiliaires sur les contrepoids principaux. 8 - Procédé suivant l'une quelconque des revendications 2 à 6, 5 caractérisé en ce qu'on ébarbe les bavures de soudage sans changer de façon sensible l'équilibrage du vilebrequin, cette opération étant effectuée avant fixation des contrepoids auxiliaires sur les contrepoids principaux. 9 - Corps de vilebrequin dont les bras sont agencés pour re- 10 cevoir des contrepoids soudés auxdits bras par un faisceau d'électrons, chaque bras comportant une surface ayant une dimension rectiligne dont le lieu est transversal par rapport au plan général du bras et pouvant venir en contact avec une surface complémentaire d'un contrepoids, lesdites surfaces étant dispo- 15 sées les unes par rapport aux autres de manière à permettre l'accès d'un faisceau d'électrons à chaque surface pendant les opérations successives de soudage. 10 - Corps de vilebrequin suivant la revendication 9, caractérisé en ce que les surfaces précitées sont disposées à des 20 distances radiales de l'axe du corps de vilebrequin progressivement croissantes suivant leur répartition le long du corps de vilebrequin. 11 - Corps de vilebrequin suivant la revendication 10, caractérisé en ce que les surfaces précitées sont plates. 25 12 - Corps de vilebrequin suivant la revendication 10, caractérisé en ce que les surfaces précitées sont cylindriques. 13 - Corps de vilebrequin suivant les revendications 9 ou 10, caractérisé en ce que le lieu de la dimension rectiligne de chacune des- surfaces précitées est incliné par rapport à l'axe 30 du corps du vilebrequin. 14 - Vilebrequin caractérisé en ce qu'il comporte des bras auxquels sont soudés par faisceau, électronique des contrepoids principaux, l'épaisseur de ces contrepoids principaux étant déterminée de manière à permettre un accès radial aux tourillons 35 ou manetons adjacents, afin de soumettre ces tourillons et/ou manetons à un traitement de trempe superficielle et/ou de superfinissage. 15 - Vilebrequin suivant la revendication 14, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des contrepoids ou plaques d'équili- 40 brage auxiliaires fixés chacun de façon amovible d'un côté d'un 70 14998 2040224 contrepoids principal de manière à surplomber un tourillon, ou un maneton adjacent. 16 - Vilebrequin suivant la revendication 15, caractérisé en ce que chaque contrepoids auxiliaire est fixé au contrepoids 5 principal associé par des moyens de fixation filetés dont les axes de filetage sont parallèles àl'axe du vilebrequin. 17 - Vilebrequin suivant la revendication 16, caractérisé en ce que chaque moyen de fixation fileté comprend une cheville taraudée (26-37) retenue dans l'un des contrepoids et s'enfon- 10 çant dans l'autre contrepoids et une vis à tête vissée dans la cheville pour fixer.ensemble les deux contrepoids. >