Brevet FR2470284A1 — publié le 19810529

L'invention se rapporte à un vilebrequin à coudure symétrique, comprenant des tourillons, des manetons et des flasques de vilebrequin, dans lequel les passages des tou- rillons et manetons vers les flasques sont formés avec des rayons de passage, et o la distance d'un centre de touril- lon à un autre est déterminée par des raisons de construc- tion, et les largeurs des tourillons et manetons sont déter- minées par des raisons de sollicitation de paliers, la confi- guration du vilebrequin étant déterminée en fonction d'une répartition optimisée des contraintes. Le dimensionnement d'un vilebrequin implique aussi des connaissances en matière de répartition des contraintes dans les coudures et permet, en liaison avec la résistance aux efforts alternés en fonction du matériau, de la qrandeur et de l'influence technologique, un jugement sur la sécuri- té contre la rupture par fatigue. La résistance aux efforts alternés est définie par le choix du matériau, le type de forgeage et la grandeur de la construction projetée. Il en est par contre autrement avec la répartition des contraintes, laquelle peut être sensiblement Influencée par les différents paramètres de coudure, tels que le recouvrement des touril- lons avec les manetons, l'épaisseur et la largeur des flas- ques, ainsi que les rayons de passage des tourillons et ma- netons vers les flasques. Pour la détermination des pointes de contraintes se formant dans les rayons de passage cités, on connalt maintenant plusieurs méthodes d'approximation, déterminées de façon empirique. Il est fait référence dans ce contexte en particulier au MTZ 23 (1962) 12, au MTZ 29 (1968) 3, à la brochure 49/1965 de l'Association pour la Recherche sur les moteurs à combustion interne (Forschungsvereiniqunq Verbrennunqskraftmaschinen), et au rapport de recherche de cette association, brochure 130 (1972). Tous les procédés qui y sont décrits sont basés sur la détermination des facteurs de forme pour la flexion et la torsion comme expression pour le rapport entre contrain- te de pointe et contrainte nominale, soit a max/ anominal, respectivement a max/ a nominal. En fonction de chaque pro- cédé, la sollicitation nominale est rapportée soit au ma- neton, soit a la section de flasque. Conformément au pro- cédé décrit dans le rapport de recherche - brochure 130 -, la répartition de contraintes dans des coudures de vile- brequin de moteurs rapides, caractérisée par des flasques de faible épaisseur, de petites courses de piston et par suite par de grands recouvrements de manetons a été exami- née sur un grand nombre de modèles. On a également déter- miné entre autres l'influence des alésages pour le touril- lon et le maneton, ainsi que l'influence du biais des flas- ques, sur les pointes de contraintes. Ce procédé tient aussi pour la première fois compte des contraintes dans les passa- ges des tourillons, de même que des types de contraintes, tels que flexion pure, flexion avec force transversale et torsion. Le résultat de la recherche représente l'état le plus actuel de la technique au point de vue de la détermi- nation des contraintes dans les coudures de vilebrequins et, pour cette raison, servira de base a la présente invention. Comme paramètres d'influence, on a tenu compte du diamètre de maneton, du recouvrement des manetons, de la largeur et de l'épaisseur du flasque du vilebrequin ainsi que des rayons de passage entre tourillon ou maneton et flasque. Les indices de forme se déterminent à l'aide d'un enchaînement multiplicatif de fonctions de ces paramètres rapportés au diamètre de maneton, la contrainte nominale, elle, étant rapportée à la section du flasque de vilebre- quin. Lors du dimensionnement d'un vilebrequin, l'écar- tement des cylindres est déterminé par les fûts et la course des pistons, qui sont déterminants pour la puissance réali- sable du moteur. De plus, la largeur nécessaire du maneton bp et la largeur du tourillon b G résultent de la sollici- tation calculée des paliers. Enfin les collerettes de butée ap et aG au maneton et au tourillon sont déterminées en fonction de l'état d'usinage désiré pour le flasque du vile- brequin. L'ingénieur d'études dispose donc des paramètres d'influence cités. Indépendamment de l'écartement des cylin- 24702S4 dres, on peut alors encore choisir le diamètre du mane- ton dp, le recouvrement s des manetons et la largeur du flasque b étant entendu qu'une augmentation de ces valeurs engendre toujours une diminution des contraintes absolues. Il faut encore signaler que la grandeur du diamètre de ma- neton dp est limitée par l'exigence de la possibilité de mise en place de la bielle à travers le fût de cylindre. Contrairement aux trois valeurs dp, s et b, les paramètres restants, à savoir les rayons de passage rp au maneton, les rayons de passage rG au tourillon et l'épais- seur de flasque w, sont dépendants de l'écartement prédéter- miné des cylindres respectivement de la longueur 1, allant d'un centre de tourillon à l'autre, ainsi que des largeurs déterminées bp et bG. Il reste donc une longueur k = 1 - bG - bp - 2 (aG + ap). En même temps la longueur se calcule k = 2 (w + rp + r). A l'aide des fonctions connues pour la détermina- tion de l'indice de forme et de la contrainte, on reconnait qu'à chaque fois ce n'est qu'une augmentation des rayons de passage rp et rG ainsi que de l'épaisseur du flasque w qui entraîne une régression des pointes de contrainte. Etant donné cependant que les trois paramètres sont solidement rattachés l'un à l'autre par la longueur k, une augmenta- tion de l'un de ces paramètres signifie en même temps une diminution des autres. C'est pour cette raison que la dé- termination des trois grandeurs sous l'aspect de la minimi- sation des contraintes ne peut se faire sur la base de l'é- tat connu de la technique. Le but de l'invention dans la conception d'un vile- brequin du type défini au début et indépendamment des autres paramètres, est d'obtenir une minimisation des contraintes dans les coudures uniquement grâce au choix correspondant de l'épaisseur du flasque de vilebrequin et des rayons de passage au maneton et au tourillon. Conformément à la présente invention, ce résultat est obtenu par le fait qu'on détermine une relation invaria- ble entre les rayons de passage du maneton et du tourillon d'une part, et l'épaisseur de flasque de l'autre, pouvant être représentée par une fonction issue des grandeurs rp, rG et w, proportionnelle à la contrainte dans le rayon de passage du maneton, le rapport entre le recouvrement des manetons et leur diamètre devant être supérieur ou au plus égal à 0,15 et inférieur ou au plus égal à 0,26. Conformément à l'invention, la fonction résultant des trois grandeurs: épaisseur de flasque, rayon de passage du maneton et rayon de passage du tourillon s'écrit f (w, rp, rG) ={ w 1'2829(bG/2 + rG) + 0,5231, bG étant la largeur de portée du tourillon. Comme les sollicitations de torsion dans l'attelage mobile ne sont pas encore exactement décelables au moment de la conception et qu'elles peuvent être influencées par des amortisseurs de vibrations torsionnelles, l'invention se limite à la sollicitation de flexion, tout en tenant comp- te cependant dans un moteur en fonctionnement du cas de charge "sollicitation de flexion et force transversale". Cet- te façon de procéder semble raisonnable, vu que les incidents de vilebrequins, comme l'expérience l'a montré, proviennent en majeure partie de ruptures dues à la flexion. Une répartition optimale des contraintes est déjà importante pour la seule raison que dans les moteurs de vé- hicules actuels à rendement élevé, le type de construction légère et par là de petits dimensionnements se trouvent au premier plan. Il y est primordial de rendre les trois para- mètres cités rp, rG et w indépendants des autres paramètres, étant donné que leur influence sur l'apparition de contrain- tes est indéniable. Comme on peut le voir à partir des fonctions connues, il n'y a aucune relation entre la largeur du flasque de vile- brequin b et les trois grandeurs à optimiser. A l'inverse, il y a pourtant une dépendance entre l'épaisseur du flasque w et le recouvrement des manetons s, étant donné que les deux apparaissent comme grandeurs rapportées w'*= w/d et s*= s/de p dans une double fonction f (s*, w*). Pour maintenir l'in- fluence de l'épaisseur du flasque w sur la double fonction f (s, w') aussi minime que possible, srespectivement s/de sont limités comme déjà mentionné. Du reste, on détermine la contrainte a p dans le rayon de passage rp de maneton pour cette raison que c'est là o les contraintes de trac- tion sont les plus élevées. Pour la minimisation décrite de la contrainte ap, il faut en plus avoir le rapport suivant: rp/rG = c rp est, comme déjà indiqué, le rayon de passage au maneton, et rG le rayon de passage au tourillon. c représente une grandeur pouvant être librement choisie dans certaines li- mites et se situe à peu près entre 1,0 et 1,9. Elle permet une pondération entre la contrainte maximale de traction dans le rayon de passage du maneton d'une part, et la con- trainte maximale de compression dans le rayon de passage du tourillon d'autre part. De plus, à partir de la longueur k définie ci-des- sus, on obtient la relation suivante, relative à l'épaisseur du flasque w: k w = k rp (1 + l/c) On peut ainsi déterminer pour chaque grandeur c choisie, le rayon de passage optimal rp au maneton en fonc- tion de la longueur k. Grâce aux relations énoncées ci-des- sus, l'épaisseur du flasque w et le rayon de passage rG au tourillon sont également déterminés. Si l'on substitue w et rG et qu'on prend la déri- vée sur rp, on obtient toujours de cette façon une réparti- tion optimale des contraintes, et les trois grandeurs peu- vent être déterminées à partir de l'équation de rp. Dans le but d'une simplification, on admettra trois facteurs a1, a2 et a3: al. r t+ rpt + a2+ a3 = 0 Popt 2 3pp a1 = 0,403 ( 2 - 1) c k 1 a = 1, 4145. k + 0,66455 x kr 0,903. bG (1 +) 2 c c a3= -0,26155. bG. k - 0, 26155. k2 Lorsque c = 1, on obtient comme solution: rpopt = -3 a2 Lorsque c est supérieur à 1, on obtient un rayon de passage optimal au maneton de r = -0,5 a- _ 4 a 3a rpopt = 0, a3 a1 L'invention est expliquée ci-après plus en détail en regard des dessins ci-joints qui montrent: Fig. 1 - une partie d'un vilebrequin, vu de côté Fig. 2 - une coupe suivant la ligne II-II à tra- vers le vilebrequin de la fig. 1, Fig. 3 et 4 - des diagrammes sur le changement des rapports de contrainte, Fig. 5 et 6 - des diagrammes sur des rayons de pas- sage optimaux de manetons, à une grandeur c déterminée. La Fig. 1 permet avant tout d'expliquer les dési- gnations utilisées pour les dimensions du vilebrequin. La partie du vilebrequin représentée consiste en deux demi- tourillons 1, en un maneton 2 et en deux flasques 3 de vile- brequin. Les tourillons 1 présentent un diamètre dG et des rayons de passage rG, qui débouchent sur des collerettes de butée 4, d'une épaisseur aG prévues sur les flasques 3. La largeur de portée du tourillon 1 est désignée par bG. De son côté, le maneton 2 a un diamètre dp et ses extrémités débouchent également par l'intermédiaire de rayons de pas- sage rp sur des collerettes de butée 5, prévues sur les flasques 3 et présentant une largeur ap. La largeur de por- tée du maneton 2 est désignée par bp. L'écart entre le centre d'un tourillon 1 et le centre du tourillon adjacent est dé- signé par 1. Dans le cadre de la présente invention, l'on pose pour la longueur k non mentionnée sur la fig. 1: k = 1b - bG bp - 2 (aG + ap) = 2 (w + rp + rG), w signi- fiant l'épaisseur du flasque. Finalement k se calcule aussi à partir de k = 2 (w r + rp + rG). Selon la fig. 2, la largeur du flasque est désignée par b. Le diagramme de la fig. 3 montre le rapport de con- trainte entre le passage de tourillon et le passage de maneton. En abscisse 6 est portée la grandeur c, pouvant être choisie librement, et constituée par le rapport "rayon de passage du maneton/rayon de passaae du tourillon". En ordonnée 7 se 247c2_4 trouve représenté le rapport "contrainte de compression dans le rayon de passage du tourillon/contrainte de trac- tion dans le rayon de passage du maneton", donc -aG: aP. On peut reconnaltre sur la ligne 8 que le rapport -aG lap augmente en fonction du choix élevé de la valeur. La fig. 4 représente la diminution de contrainte dans le rayon de passage rp du maneton 2, en portant à nou- veau en abscisse 9 la valeur c, et en ordonnée 10 la diminu- tion de contrainte a p dans le rayon de passage rp en pourcent. Il en résulte une courbe 11. Les figures démontrent claire- ment que 1a contrainte de traction ap dans le rayon de pas- sage rp du maneton 2, à valeur c croissante, diminue en dé- faveur de la contrainte de compression -a G dans le rayon de passage rG du tourillon. A partir de la longueur k déjà citée, on obtient la relation suivante: w = k/2 - rp x (1 + 1/c) On peut ainsi déterminer, à partir de chaque va- leur c choisie le rayon optimal de passage rp du maneton 2 en fonction de la longueur k. Ces rapports permettent alors de déterminer également l'épaisseur du flasque w et le ra- yon de passage rG du tourillon 1. Les fig. 5 et 6 montrent à titre d'exemple des rayons optimaux de passage rp de manetons 2, à savoir sur la fig. 5 en choisissant la valeur c = 1,0 et sur la fig. 6 avec une valeur c = 1,1. En abscisse 12 se trouve dans les deux cas portée la longueur k an mm, et en ordonnée 13 le rayon de passage rp également en mm. Sur les deux figures les lignes supérieures 14, 14' représentent le rayon optimal de passage rp, alors que les lignes inférieures 15,15' mon- trent les rayons mini de passage r. Le champ entre les deux Lignes 14, 15 et 14', 15' donne à l'ingénieur d'études la possibilité, à accroissement maxi de contrainte de 2% seu- lement par rapport à l'optimum, d'atteindre une diminution de contrainte du palier principal en raison d'une plus pe- tite largeur de maneton, constituée par bp + 2 rp, c'est-à- dire il en résulte une diminution des masses en rotation. Avec le choix des grandeurs w, rpet r., on assure 2470234! donc une répartition optimale des contraintes. Pour obte- nir la sécurité nécessaire quant à la rupture par fatigue, le niveau absolu de contrainte peut être facilement influ- encé avec les paramètres restants, tels que les diamètres du tourillon et du maneton dp, dG, le recouvrement de mane- ton s et la laraeur de flasque b. Ainsi la voie est tracée pour viser à une configuration distincte de l'attelage mo- bile, à l'état des études, dans un contexte de construction légère. Il reste à signaler que les rayons optimaux de pas- sage, tels que représentés sur'les figures 5 et 6, peuvent naturellement être déterminés de la même manière pour toutes les valeurs "c" choisies, donc jusqu'aux environs de c=l,9. 2470ú2 4 REVENDICATIONS 1. Vilebrequin à coudure symétrique, comportant des tourillons, des manetons et des flasques, o les pas- sages des tourillons et des manetons vers les flasques sont formés avec des rayons de passage, et o la distance d'un centre de tourillon a l'autre est déterminée par des rai- sons de construction, tandis que les largeurs des touril- lons et manetons le sont pour des raisons de sollicitation de palier, la configuration du vilebrequin étant déterminée par une répartition optimisée des contraintes, vilebrequin caractérisé par le fait qu'on donne une relation invaria- ble aux rayons de passage (rp) du maneton et (rG) du tou- rillon par rapport à l'épaisseur du flasque (w), pouvant être représentée par une fonction (f) des grandeurs rprG et w, qui est proportionnelle à la contrainte dans le rayon -de passage du maneton, le rapport entre le recouvrement (s) des manetons et leur diamètre (d%) devant être supérieur ou tout au plus égal à 0,15, et inférieur ou tout au plus égal à 0,26 (0,14 e s/dp 0,26). 2. Vilebrequin selon la revendication 1, caracté- risé par le fait que la fonction (f) des trois grandeurs: épaisseur de flasque (w), rayon de passage (rp) du maneton (2) et rayon de passage (rG) du tourillon (1) est donnée par: f (w, rp, rG) = {w-1'2829(bG/2 + rG) + 0,5 w-0,2829} rp -0,5231 (bG) représentant la largeur de portée du tourillon (1). 3. Vilebrequin selon une des revendications 1 ou 2, caractérisé par le fait qu'une grandeur (c) pouvant être li- brement choisie dans une certaine limite et représentant le rapport entre le rayon de passage (rp) du maneton (2) et le rayon de passage (rG) du tourillon (1), permet la pondération entre les contraintes dans le rayon de passage (rp) et le rayon de passage (rG), et par là la détermination d'un petit diamètre de maneton (dp), (c = rp/rG). 4. Vilebrequin selon la revendication 3, caractérisé par le fait que le rapport (c) entre le rayon de passage (rp) du maneton (2) et le rayon de passage (rG) du tourillon (1) 2470240' se situe entre 1,0 et 1,9. 5. Vilebrequin selon une des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait qu'à chaque rapport (c), les trois grandeurs nécessaires à l'optimisation des contraintes, soit rayon de passage (rp) du maneton (2), rayon de passage (rG) du tourillon (1) ou épaisseur du flasque (w) peuvent être déterminées exactement en prenant la dérivée selon (rp). 6. Vilebrequin selon une des revendications 1 à 5, dans lequel on cherche à diminuer la largeur du maneton pour diminuer les masses en rotation et par là, décharger les paliers principaux, caractérisé par le fait que la largeur de champ du rayon de passage (rp) du maneton (2) est déter- p minée de façon à pouvoir admettre une surélévation de con- traintes que de 2% seulement dans le rayon de passage (rp) du maneton (2).