Brevet FR2542372A1 — publié le 19840914

La présente invention concerne un culbuteur pour les moteurs à com- bustion interne comprenant un ensemble de soupapes mobiles, et a trait égale- ment à un procédé de fabrication de ces culbuteurs Les soupapes d'admission et d'échappement des moteurs à combustion interne subissant une usure du fait de leur utilisation, il est nécessaire de réparer et/ou de remplacer périodi- quement les surfaces de glissement ou de compenser le jeu de ces surfaces Les frottements entre le siège de soupape et la tête de soupape amèneraient l'ex- trémité supérieure de la queue de soupape à être poussée, sous l'effet du res- sort de soupape, en direction du culbuteur, ce qui se traduirait pas une situ- ation dans laquelle le culbuteur exercerait en permanence une pression sur la soupape et dégraderait l'étanchéité du cylindre Les frottements entre la face supérieure de la queue de soupape et la surface de contact du culbuteur aug- menteraient le jeu entre ces deux deux éléments, ce qui se traduirait par une augmentation des bruits et une diminution du rendement En conséquence on uti- lise un dispositif compensateur de jeu, de type oléopneumatique, pour mainte- nir le contact entre le culbuteur et la soupape de façon constante et dans des conditions optimales. La figure 1 représente un culbuteur de l'art antérieur, dans lequel un culbuteur 1 est disposé sur un arbre de culbuteur 300 de façon à osciller en correspondance avec la rotation d'un arbre à cames 500 et à déplacer verti- calement l'extrémité axiale d'une soupape d'admission ou d'échappement 400 par l'intermédiaire d'un dispositif compensateur de jeu de soupape 3 Ce compensa- teur de jeu de soupape 3 est monté sur un élément cylindrique ménagé dans le culbuteur Pour empècher cet élément cylindrique de se déformer prématurément en raison d'une rigidité insuffisante, il est prévu une garniture cylindrique 2 en fer ou en cuivre Ce type de dispositif, largement utilisé aujourd'hui sous forme de culbuteur en alliage léger, est employé de préférence pour rédu- ire son inertie, afin d'augmenter la vitesse du moteur. En d'autres termes, la garniture est rendue nécessaire par les rai- sons suivantes: 1 Lorsque le dispositif d'alimentation en huile sous pression est défaillant, en raison d'une panne ou de l'arrêt du moteur, le corps 130 du dispositif compensateur de jeu de soupape a une course de seulement O à 2 mm, ce qui représente la course de compensation automatique du jeu des soupapes, ce qui interdit la lubrification homogène du corps; 2 Comme le point de contact d'une saillie 131 située à l'extrémité du corps 130 et de l'extrémité axiale de la soupape 400 accompagne le mouve- ment oscillant du culbuteur pendant le déplacement d'une soupape, le corps 130 est soumis à des pressions latérales intermittentes et se tord dans l'espace du jeu au point de jonction du cylindre, ce qui se traduit à son tour par des contacts entre parties métalliques Si l'on utilise des alliages légers dans ce type de dispositif, ils sont sujets à des dégradations telles que grippage et abrasion. En ce qui concerne l'élément cylindrique, l'utilisation d'une garni- ture lors du montage du dispositif compensateur de jeu de soupape entraine les étapes de travail suivantes: 1 Mise en place de la garniture en force; et 2 rodage du diamètre intérieur. Les conditions de meulage et traitement similaire doivent être adaptées en fonction de la garniture utilisée, qui peut être en fer ou en cuivre, et du fond de cylindre qui est en alliage léger Ces opérations nécessitent des éta- pes de travail complexes et multiples, en plus d'une augmentation du poids de la garniture Il était en conséquence urgent d'apporter un perfectionnement à l'état de l'art antérieur. La présente invention a pour but d'offrir un procédé peu coûteux de fabrication de culbuteurs résistants aux dégradations et à l'usure sans utili- ser de garniture Pour réaliser ce but, la présente invention consiste à mou- ler en une seule pièce une plaquette en alliage ferreux fritté avec un bras en alliage d'aluminium, à former une mince pellicule sur la périphérie extérieure de ladite plaquette, à former une pellicule poreuse d'oxyde anodique sur le bras, qui est alors électrolysé dans un bain de thiomolybdate d'ammonium afin de former, à l'intérieur des pores, du sulfure de molybdène, et à enlever en- suite ladite mince pellicule. La présente invention a en outre pour but d'offrir un culbuteur qui résiste aux dégradations et à l'usure sans utiliser de garniture Pour réali- ser ce but, la présente invention est caractérisée par le fait qu'elle prévoit un bras en alliage d'aluminium sur lequel est formée une pellicule poreuse d'oxyde anodique dans les pores de laquelle est formé du sulfure de molybdène, 3- ainsi qu'une plaquette qui est moulée en une seule pièce avec le dit bras et qui vient en contact glissant avec une came de commande. Un mode de réalisation de la présente invention va maintenant être décrit, à titre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins annexés dans lesquels: la figure 1 est une vue de face d'un culbuteur conventionnel équipé d'un dispositif compensateur de jeu de soupape; la figure 2 est une vue expliquant le mouvement d'un culbuteur réa- lisé selon la présente invention; et la figure 3 est une vue de face d'un mode de réalisation d'un cul- buteur selon la présente invention. Sur les figures 2 et 3, un culbuteur 1 comporte un bras 1001 et une plaquette 1003 en alliage fritté qui est moulé d'une seule pièce avec le bras 1001 et vient en contact glissant avec une surface de soulèvement 501 et une > 15 surface de garde 502 ménagées l'une et l'autre sur un arbre à cames 500 Comme le dispositif compensateur de jeu de soupape 3 ne comporte pas de garniture, le cylindre 1000 a un diamètre sensiblement plus petit qu'un cylindre conven- tionnel Une zone hachurée A sur la figure 3 désigne une plaquette 1003 et la zone qui lui est adjacente, qui seront pourvues d'un masque, tandis que la zo- ne restante du culbuteur 1001 sera soumise à un traitement d'alunite pour ré- aliser un lubrifiant solide Ce masque est réalisé en plongeant la zone A dans un bain adhérent de matière plastique ou de paraffine, puis en l'exposant à l'air libre pour la laisser refroidir et se solidifier Ce procédé réalise de manière très simple un masque de matière plastique ou d'enduit adhérent. Trois zones qui nécessitent spécifiquement d'être soumises à un trai- tement d'alunite, sont montrées sur la figure 3 La première zone est la paroi 1000 a du cylindre 1000 sur laquelle s'appuie à glissement le corps 130 du dis- positif compensateur de jeu de soupape La seconde zone est le sommet de cy- lindre 1000 b, sur lequel la soupape agit par l'intermédiaire d'un élément d'é- cartement 110, qui sera décrit plus bas, venant en appui contre lui La troi- sième zone est la surface périphérique intérieure 1002 a du trou axial 1002, dans lequel un arbre de culbuteur 300, qui sera décrit plus bas, est inséré à glissement Des couches d'alunite d'une épaisseur prédéterminée, par exemple de 10 à 40 microns, sont formées sur les surfaces de la paroi 1000 a, du sommet f de cylindre 1000 b,de la surface périphérique intérieure 1002 a, etc. Le procédé de fabrication du mode de réalisation décrit ci-dessus va maintenant être décrit Un alliage d'aluminium ADC 12 (JIS) est utilisé pour mouler sous pression le bras 1001 Une plaquette 1003 en alliage ferreux frit- té étant disposée à l'avance dans le moule, la plaquette 1003 et sa zone adja- cente étant moulée d'une seule pièce avec le bras 1001. La plaquette 1003 et la z 6 ne du bras 1001 adjacente à la dite pla- quette sont alors plongés, pendant environ 2 secondes dans un bain chauffé à 150-160 OC de résine thermoplastique en fusion, cette résine étant composée de paraffine et de polyéthylène et ayant un point de fusion de 1300 C, puis l'ensemble est mis à refroidir Un fin revêtement thermoplastique de 2 à 3 mm d'épaisseur est ainsi formé sur la plaquette 1003. D'une façon similaire à la technologie connue selon le brevet japo- nais NO 56-4155, le bras 1001 est électrolysé directement dans un bain acide constitué d'une solution aqueuse d'acide sulfurique et d'acide oxalique, de manière à former une pellicule poreuse d'oxyde anodique sur la surface du bras 1001, cette pellicule étant ensuite rincée à l'eau Le bras 1001 est alors plongé dans une solution aqueuse d'acide nitrique afin d'en activer la surfa- ce, puis rincé également à l'eau Le bras 1001 est ensuite électrolysé, à cou- rant continu, dans une solution aqueuse de thiomolybdate d'ammonium chauffée à -20 OC, l'anode étant constituée par le bras 1001 et la cathode par une tige de carbone, puis est rincé à l'eau. Le bras 1001 est alors plongé dans de l'eau chauffée à 40 OC pour amollir le fin revêtement de résine thermoplastique, afin de faciliter l'enlè- vement de ce dernier par un opérateur qui le sépare de la plaquette 1003 et de la zÈne du bras 1001 qui lui est adjacente Un sulfure de molybdène est alors formé de manière à boucher les minuscules pores de la pellicule d'oxyde anodi- que sur le bras 1001 Un dispositif compensateur de jeu de soupape 1004, as- semblé à l'avance, est alors inséré dans le cylindre 1000 afin de terminer l'assemblage du culbuteur 1. Les minuscules pores de la pellicule d'alunite recouvrant la surface du bras 1001, à l'exception de la plaquette 1003, étant bouchés par du sulfure de molybdène, le coefficient de frottement de cette surface traitée est réduit à la moitié ou au tiers de celui drune surface simplement soumise au traite- ment d'alunite De plus, la dureté superficielle de cette surface traitée at- teint environ 400 Hv (dureté Vickers), et améliore sa résistance au frotte- ment Ainsi le dispositif compensateur de jeu de soupape 1004 glisse aisément à l'intérieur du cylindre 1000 dans lequel il est inséré, ne provoque pas de dégradations telles que grippage et d'abrasion, et plus particulièrement faci- lite sa mise en jeu lors des opérations de mise en marche et d'arrêt du mo- teur La surface de glissement 1002 a qui est en contact avec l'arbre de culbuteur 300 du bras 1001 subit également un traitement d'alunite tout comme le cylindre 1001 et reçoit un film de sulfure de molybdène En conséquence, sa rotation sur l'arbre 300 du culbuteur 1 se fait de manière douce, les pertes mécaniques sont plus petites et sa durabilité est améliorée. La plaquette 1003 et la zâne qui lui est adjacente, ayant subi un traitement d'alunite dans un bain électrolytique après avoir reçu un revête- ment de résine thermoplastique, puis ayant reçu du sulfure de molybdène, il est possible d'empêcher l'attaque de la plaquette 1003 par le bain électroly- tique au cours du traitement Un tel revêtement peut être obtenu en plongeant seulement la plaquette 1003 et sa zone adjacente dans une résine thermoplasti- que liquide, et la couche de revêtement, constituée d'un film mince, peut être enlevée manuellement ou à l'aide d'un outillage simple par un opérateur, en la plongeant dans de l'eau chauffée à 40 OC et en attendant que le revêtement soit amolli. Sa résitance au frottement et sa dureté étant améliorées, le bras 1001 se dégrade moins rapidement, même sans garniture Le fait de ne pas uti- liser de garniture réduit le poids des soupapes mobiles, ce qui se traduit à son tour par une augmentation de la vitesse de rotation admissible sans rebon- dissement Ceci réduit en outre les rebondissements en fonctionnement normal, et diminue le poids du moteur lui-même. Dans le mode de réalisation décrit ci-dessus, la plaquette 1003 est réalisée en un alliage ferreux fritté, et est donc revêtue d'une résine ther- moplastique avant d'être soumise au traitement d'alunite Si la plaquette 1003 était réalisée en un matériau céramique, ce revêtement ne serait naturelle- ment pas nécessaire. Le fonctionnement et la construction du dispositif compensateur de jeu de soupape ainsi que du culbuteur comportant ce dispositif va maintenant être décrit en référence à la figure 2 Sur la figure 2, un culbuteur 1 est monté axialement sur un arbre de culbuteur 300 et actionne une soupape d'ad- mission 400 pour ouvrir et fermer une lumière d'admission, non représentée En d'autres termes, le culbuteur 1 est disposé à oscillation sur un axe support constitué par un arbre de culbuteur 300, entre un arbre à cames 500 et une soupape d'admission ou d'échappement 400. Le bras 1001 comporte un dispositif compensateur de jeu de soupape 3 constitué par l'insertion du cylindre 1000, prévu sur la face la opposée à la soupape, par dessus un bloc compensateur de jeu 1004 Ce bloc compensateur de jeu 1004 comporte un élément écarteur 110, un corps 130, et un piston 180 Le bras 1001 forme une surface convexe 700 de contact de came sur la face 100 b opposée à l'arbre à cames 500, et oscille dans le sens d'une flèche B lorsqu' il est appuyé par la surface de soulèvement 501 de la came en même temps que l'arbre à cames 500 est entrainé en rotation. Le sommet du cylindre 1000 b est de forme sphérique, le centre de courbure étant aligné sur l'axe longitudinal 1 du cylindre, et est en contact à glissement avec l'élément d'écartement 110 présentant une surface courbe 100 opposée au fond du cylindre, qui a approximativement la même forme que le som- met de cylindre 10 00 b, et dont le centre de courbure Q est aligné sur l'axe longitudinal 1 du cylindre, cette surface étant désignée ci-après simplement par le terme "surface sphérique de l'élément d'écartement" L'élément d'écar- tement 110 a une surface 120 opposée à l'élément d'appui sur la face opposée à la surface sphérique 110 de l'élément d'écartement, le centre de cette derniè- re comportant un trou 111 L'élément d'écartement 110 peut ainsi glisser à ro- tation sur le sommet de cylindre 1000 b par rapport au centre de courbure Q. Contre la paroi 1000 a du cylindre 1000 est monté à glissement le corps 130 constituant le corps d'un piston cylindrique, ainsi qu'une saillie 131 à l'ex- trémité du corps 130, qui est en contact avec la surface extrême supérieure de la queue de soupape dépassant par une ouverture 800 Le côté du sommet de cylindre 1000 b du corps 130 est disposé à quelque distance du côté dudit cylindre, formant ainsi un vide 150 entre eux Ce vide 150 communique avec une arrivée d'huile 160, de l'huile étant introduite, sous une pression détermi- née, dans le dispositif compensateur de jeu de soupape depuis une lumière cen- trale d'huile 170 d'un arbre à culbuteur creux 300 par l'intermédiaire de l'arrivée d'huile 160 Le centre du sommet de cylindre 1000 b et l'arrivée d'huile 160 sont en communication, afin de réduire la résistance au glissement du sommet de cylindre 1000 b et de la surface sphérique de l'élément d'écarte- ment 100 Un piston cylindrique 180 est inséré à glissement dans-le corps 130. Le piston 180 comporte intérieurement une chambre creuse 181, dont l'extrémité est en contact à glissement avec la surface opposée 120 de l'élément presseur de l'élément d'écartement et formant un élément 183, désigné ci-après par le terme "tête", opposé à la saillie 131 du corps La tête 183 et la saillie 131 du corps sont respectivement pourvues d'une surface formant une chambre à hui- le sous pression 190 La chambre 190 peut être reliée, par l'intermédiaire d'une lumière à huile 184, à la chambre creuse 181 du piston La lumière 184 est conçue de manière à être ouverte et fermée par une soupape de contrôle disposée à l'intérieur de la chambre à huile sous pression 190 Une bille 201, dont le diamètre est supérieur à celui de la lumière à huile 184 de la soupape de contrôle, un ressort 202, destiné à presser élastiquement la bille 201 sur la périphérie de la lumière 184, ainsi qu'une structure 203 supportant le res- sort 202 pour presser ce dernier contre la tête 183 du piston, sont prévus pour réaliser cette construction. La chambre sous pression 190 est en outre pourvue d'un ressort 210, ciaprès désigné par le terme "ressort d'ajustage", pour presser la saillie 131 contre le côté de l'extrémité supérieure 140 de la queue de soupape de manière à maintenir la saillie 131 du corps séparée de la tête de piston 183 Ce ressort d'ajustage 210 supporte à pression la structure 203 contre la tête 183. Le fonctionnement du dispositif compensateur de jeu de soupape 5 va maintenant être décrit Une pression d'huile est appliquée, par l'intermédiai- re de l'arrivée d'huile 160, dans le vide de la tête de cylindre 150, à partir de la lumière centrale de graissage 170 de l'arbre à culbuteur constituant l'origine de l'alimentation en huile sous pression, et cette pression d'huile est transmise à l'intérieur de la chambre creuse 181 par le trou 111 de l'élé- ment d'écartement La pression d'huile de la chambre creuse 181 est appliquée, par l'intermédiaire de la lumière de graissage 184, à la bille 201 Cette bille 201 ne se déplace vers la chambre à huile sous pression 190 que si elle reçoit, sous forme d'une pression d'huile, une force supérieure à celle du ressort 202, et introduit l'huile se trouvant du côté de la chambre creuse 181 dans la chambre à huile sous pression 190 La bille 201 ferme alors la lumière à huile 184 par la force du ressort 202 lorsque la pression de la chambre 190 atteint approximativement celle de la chambre creuse 181, et empêche l'huile se trouvant à l'intérieur de la chambre à huile sous pression 190 de s'échap- per par la lumière de graissage 184, même si la pression de la chambre 190 augmente Si de l'huile est introduite sous une pression déterminée dans la chambre 190 depuis l'arrivée -180 lorsque le moteur a été mis en marche, le piston 180 presse, à sa partie supérieure, l'élément d'écartement 110 avec le- quel il est en contact, et le corps vient au contact de la saillie 131 contre la face extrême supérieure 140 de la queue de soupape Dans ce cas, et aussi longtemps que la surface de contact de came 700 du culbuteur 1 se trouve sur la surface de garde 502, au moment o elle s'écarte de la surface de soulève- ment 501 de la came, le piston 180 et le corps 130 sont déplacés en direction de l'axe longitudinal 1 du cylindre par la pression d'huile et le ressort d'a- justage 210, de manièe à emplir tous les vides compris entre la surface oppo- sée 120 de l'élément presseur de l'élément d'écartement et la surface extrème supérieure 140 de la queue de soupape - D'autre part, tant que la surface de contact de came 700 est soumise à la pression de la surface de soulèvement 501 de la came, le piston 180 et le corps 130, qui ont été déplacés au maximum par le ressort de contrôle 210 en- tre la surface opposée à l'élément presseur de l'élément d'écartement 120 et la surface supérieure 140 de la queue de soupape, n'agissent pas pour réduire la distance entre ces deux éléments sous la pression de la chambre 190 lors- qu'ils sont comprimés en direction de l'axe longitudinal 1 du cylindre. Lorsque le culbuteur 1 tourne dans le sens des aiguilles d'une mon- tre, la saillie 131 du corps reçoit une pression depuis la surface supérieure de la queue de soupape, agissant en réaction dans le sens du centre de courbure P de la saillie 131 Cette saillie 131 reçoit concurremment une force de frottement relatif engendrée par le déplacement de sa surface sphérique sur le point de contact avec l'extrémité supérieure 140 de la queue de soupape, accompagnant le mouvement de rotation dans le sens des aiguilles d'une montre du bras de culbuteur 1001 La résultante de ces forces, ainsi que de la pres- sion latérale ainsi engendrée et le couple de rotation par rapport au centre de courbure P, applique une charge excentrique sur le corps 130 Le corps 130 se déplace donc pour s'incliner en direction du vide Cb entre les parois 1000 a Les valeurs du vide Ca entre le corps 130 et le piston 180 sont règlées sur une valeur inférieure à celle du vide Cb, et le piston 180 s'incline exac- tement comme le corps 130 Dans ce cas, la surface sphérique de l'élément écarteur 119 glisse sur le sommet de cylindre 1000 b par rapport au centre de courbure Q de ce dernier, et est ainsi mise en action Ceci transmet alors la pression régnant du côté du corps 130, d'une façon approximativement uniforme, au côté du sommet de cylindre 1000 b Le corps 130, qui a reçu cette pression, glisse sur la surface opposée 120 de l'élément presseur de l'élément d'écarte- ment en même temps que le piston 180, vient au contact de la paroi intérieure de la garniture 2 et transmet uniformément sa pression latérale Lorsque l'é- lément d'écartement 110 devient sensiblement incliné sur le centre de courbure Q, la partie supérieure du piston 180 peut glisser plus facilement sur la sur- face 120 Le centre de courbure Q de la surface sphérique 100 de l'élément d'écartement étant seulement légèrement dévié par rapport au centre de courbu- re P de la saillie 131 et étant très rapproché, le corps 130 et le piston 180 peuvent facilement tourner lorsque l'élément d'écartement reçoit-un couple de rotation, et le mouvement de glissement sur le sommet du cylindre 1000 b de l'élément d'écartement 110 devient régulier. La description ci-dessus reste valable également lorsque le bras de culbuteur 10001 tourne dans le sens contraire à celui des aiguilles d'une montre: le corps 130 s'incline alors dans le sens inverse de ce qui précède, et l'élément d'écartement 110 se déplace également dans le sens inverse pour agir de façon similaire. R E V E N D I C A T I O N S 1 Procédé de fabrication d'un culbuteur ( 1), caractérisé en ce qu'il consiste à mouler d'une seule pièce une plaquette ( 1003) en alliage ferreux fritté avec un bras ( 1001) en alliage d'aluminium, à former une mince pelli- cule sur la surface périphérique extérieure de la plaquette ( 1003); à former une couche poreuse d'oxyde anodique sur le bras ( 1001) suivie d'une électroly- se dans un bain de thiomolybdate d'ammonium, à former du sulfure de molybdène dans les pores et à enlever ladite mince pellicule. 2 Procédé de fabrication d'un culbuteur ( 1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que la plaquette ( 1003) est plongée dans un bain de rési- ne thermoplastique fondue, puis refroidie pour former une mince pellicule sur sa surface périphérique extérieure. 3 Procédé de fabrication d'un culbuteur ( 1) selon la revendication 2, caractérisé en ce que la résine thermoplastique est constituée de paraffine et de polyéthylène, et est enlevée après ramollisement par chauffage. 4 Procédé de fabrication d'un culbuteur ( 1) selon la revendieation 1, caractérisé en ce que la plaquette ( 1003) en alliage ferreux fritté compre- nant la surface de glissement sur la came est moulée en une seule pièce avec le bras ( 1001) en alliage d'aluminium, en ce qu'un cylindre ( 1000) est simul- tanément formé sur le bras ( 1001), en ce qu'une mince pellicule est formée sur la surface périphérique extérieure de la plaquette ( 1003), en ce qu'une couche poreuse d'oxyde anodique est formée sur le bras ( 1001) par électrolyse dans un bain de thiomolybdate d'ammonium pour former un sulfure de molybdène dans les pores, en ce que la mince pellicule est ensuite éliminée, et en ce qu'un bloc compensateur de jeu de soupape ( 3) est inséré dans le cylindre ( 1000) pour combler le vide au-dessus de la surface supérieure ( 140) de la soupape d'ad- mission ou d'échappement ( 400) du moteur. Culbuteur ( 1) caractérisé en ce qu'il est pourvu d'un bras ( 1001) en alliage d'aluminium comportant du sulfure de molybdène formé dans les pores d'une couche poreuse oxydée anodiquement, et d'une plaquette ( 1003) moulée en une seule pièce avec le dit bras ( 1001), et qui est en contact glissant avec la came de commande. 6 Culbuteur ( 1) selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'un 254237 Z 1 1 bloc compensateur de jeu de soupape est inséré dans le cylindre ( 1000) formé sur le bras ( 1001) afin de combler le vide au-dessus de la surface supérieure ( 140) de la soupape d'admission ou d'échappement ( 400) du moteur.