Brevet FR2623266A1 — publié le 19890519

L'invention concerne une cane individuelle avec un renflement de came et un alésage pour un arbre à cames constitué par un tube pouvant être dilaté et par des éléments de construction qui sont assemblés-fixés à celui-ci par une liaison par adhérence, ces éléments de construction pouvant être, par exemple, des cames, des pignons et des manchons de palier de glissement. L'invention concerne en outre un procédé de fabrication d'une came. Lors de la réalisation d'arbres à cases du type indiqué, dans ]0 lesquels la dilatation du tube s'effectue en principe par portions dans la région des éléments de construction emboîtés sur ce tube, il convient de considérer particulièrement certains problèmes indiqués ci-après. D'une part, il faut réaliser un assemblage ayant une solidité assurant que les couples appliqués seront-supportés sans déplacement angulaire de l'élément de construction par rapport au tube. Pour cela, on a d'abord considéré qu'il était avantageux de recourir à l'acier pour réaliser notamment les canes. I1 est toutefois déja connu, par les arbres à cames classiques d'une seule pièce, que les pistes de contact des cames faites en acier s'endommagent dans certaines conditions de fonctionnement,. dans le cas des moteurs à combustion interne récents, fortement charges, notamment du type avec culasse à nombreuses soupapes. Pour cette raison, certains constructeurs ont préféré utiliser des arbres à cames en fonte, notamment en fonte dite moulée-trempée en coquille, avec lesquels il n'y a pas lieu d'envisager de tels endommagements des pistes des cames. Toutefois, par rapport aux arbres du type mentionné au début, ces arbres présentent des inconvénients inhérents à leur poids. On a tenté de fabriquer des cames individuelles en matière moulée et de fixer de telles cames, par liaison d'adhérence, sur un tube dilaté hydrauliquement, et l'on a constaté que de telles cames présentaient des caractéristiques d'élasticité insuffisantes et étaient le siège de ruptures lors de l'opération de dilatation. La présente invention a pour but de réaliser une came individuelle qui satisfera à' tous les impératifs de solidité lors de la réalisation d'un arbre à cames par expansion, autrement dit par dilatation, du corps tubulaire emboîté et à tous les impératifs de durabilité et de capacité de transmission de couples Lors du fonctionnement. Selon l'invention, une came individuelle pour un arbre à cames composé, constitué par un tube pouvant être dilaté ou évasé au-delà de la limite élastique et par des éléments de construction qui sont assembLés-fixés à ce tube par une liaison par adhérence exclusivement, la came étant susceptible d'être durcie à une dureté supérieure à 56 HRC (dureté Rockwell) est caractérisée en ce que la came est faite d'une matière de base qui est durcie sur le pour- tour, au moins dans la région de son renflement de came, mais uni- quement dans une couche marginale, que le gradient de la dureté en direction radiale ne dépasse pas 150 HV/mm (dureté Vickers), y compris dans la zone de transition de la couche marginale à la matière de base, et que la résistance à la traction de la matière de base dans la région de l'alésage de la came est supérieure d'au moins 20 % à celle du tube prévu pour l'assemblage. Une came de ce genre permet d'obtenir immédiatement, par le procédé hydraulique d'assemblage connu, un produit de haute qualité satisfaisant à tous les impératifs de fonctionnement, le durcissement pouvant déjà avoir lieu avant l'assemblage et une rectification de finition pouvant encore avoir lieu ensuite. Les cames en une matière durcissable, acier, fonte ou matière frittée étant envisageables, peuvent alors, dès avant l'assemblage au tube, être mises en paquet en ayant la même orientation au sein du paquet et être durcies sur leurs pistes, par exemple par un procédé de trempe par induction ou de durcissement au laser. Des assemblages particulièrement avantageux, résistants à la torsion, peuvent être obtenus entre came et tube si la résistance à la traction de la matière de base est d'au moins 20 %, notamment jusqu'à 50 %, supérieure à celle de la matière du tube prévu pour l'assemblage. Ainsi, les pressions de dilatation peuvent être portées à de très fortes valeurs sans qu'il y ait d'endommagement de la couche marginale durcie et peu apte à l'allongement. Il est particulièrement avantageux que l'épaisseur de la couche marginale soit établie de manière à être, à la pointe du renflement de came, le double de ce qu'elle est aux flancs de ce renflement, de manière qu'aux endroits o des forces de pression particulièrement élevées se produisent sur la piste de la came il n'y ait dans le domaine sous-jacent aucune déformabilité suscep- tible de conduire à un endommagement. Par ailleurs, dans une forme de réalisation particulièrement avantageuse, la couche marginale durcie doit présenter une profondeur de 6 mm au maximum, de préfé- rence de 4 mm au maximum, afin de ne pas influencer défavorablement la déformabilité élastique indispensable dans la région de l'alésage de la came. Il est particulièrement avantageux, du point de vue précité, que la couche marginale durcie ne soit formée que dans la région du renflement de came, et que le cercle de base, o l'épaisseur de paroi est uniforme, reste non durci puisque cela est possible du point de vue de la charge exercée sur la piste de la came, et puisque, d'autre part, on élimine ainsi le risque relativement élevé de fissuration d'une couche durcie profonde située sur une couche non durcie peu importante. Si l'on prévoit néanmoins un durcissement sur cette épaisseur marginale radiale constante sur ce cercle de base, il faut alors que la couche marginale ait une épaisseur n'excédant pas 0,3 mm, pour les raisons précitées. Dans ce cas, l'épaisseur de la couche marginale ne doit pas excéder 50 %, avantageusement 30 %, de l'épaisseur totale de la paroi. Cela a également pour but d'autoriser un assemblage solide, avec de fortes pressions de dilatation, sans que la came risque de présenter des fissures dans la couche durcie. Le durcissement doit s'effectuer sur tout le pourtour, à chaque fois de manière qu'il n'y ait pas d'effets de bord sur les côtés, mais que la couche marginale présente une épaisseur constante sur toute la largeur de la came, Jusqu'aux faces latérales, afin d'éviter des phénomènes d'écaillage sur les bords. A cet effet, le traitement de durcisseient de plusieurs cames rassemblées avec une môme orientation et serrées les unes contre les autres, convient particulièrement bien. Lors du traitement de durcissement de la couche marginale, il convient de considérer notamment aussi, en plus de l'épaisseur absolue, le respect de certains gradients de dureté, c'est-à-dire qu'il convient d'éviter les "sauts" de dureté susceptibles de conduire à des contraintes internes dans la matière, lesquelles peuvent être évitées dans la mesure o, selon un mode de mise en èuve préféré, le gradient de dureté en direction radiale n'excède pas 150 HV /mm, de préférence 120 HV/mm. En plus de la forme habituelle de tranche ou corps à faces latérales parallèles continues, les cames individuelles peuvent permettre, indépendamment de leur type de fabrication et de leur matière, c'est-àdire aussi bien dans le cas des cames forgées que dans celui des cames moulées ou frittées, de réduire encore le poids de l'arbre à cames à réaliser si, au niveau de la came individuelle, les faces latérales de celles-ci sont dotées d'évidements dans la région du renflement de came, une âme, notamment située en position médiane, étant ainsi formée entre les fonds des deux évidements. Dans ce cas, on veillera avantageusement à ce qu'en dehors de cette âme la ]0 couche marginale soit soutenue par une couche de matière de base, cela sur toute la largeur de la came, à défaut de quoi des phénomènes de cassure de bord risqueraient de se produire. Pour assurer les caractéristiques de la came selon l'invention, on peut indiquer, en fonction de la matière, certaines valeurs particulièrement préférées, contribuant à améliorer les résultats. Dans le cas de cames en acier, la matière de base non durcie devrait présenter une grosseur de grain maximale se situant aux environs de 8 ASTI, c'est-à-dire que les valeurs numériques ASTN peuvent être égales ou supérieures à 8. Par contre, pour la couche marginale qui doit notamment consister en martensite à grain fin, il convient que la grosseur de grain maximale soit de l'ordre de 6 ASTN, c'est-à-dire que la valeur numérique ASTN soit égale ou supérieure à 6. Comme déjà indiqué, des matières de moulage conviennent aussi pour les cames ayant les caractéristiques selon l'invention, notamment les cames en matière de moulage durcissable telle que, de préférence, la fonte malléable à coeur noir. Dans le cas o la came est réalisée en tant que pièce métallique frittée, la matière durcissable qu'il faut prévoir doit notamment être obtenue par addition d'agents de formation de carbures. Dans le cas o elle est en acier, une came individuelle selon l'invention peut être réalisée, conformément au procédé selon l'invention, de manière qu'il y ait à la surface de la piste de la came un apport de chaleur limité dans le temps, après quoi, lors du refroidissement, il se produit une transforation martensitique dans la couche marginale et une transformation structurale dans la matière de base. A cette fin, comme mentionné, on peut recourir à un échauffement par chauffage par induction ou par laser. La transformation structurale dans la matière de base s'effectue, dans un mode approprié, essentiellement sous l'effet de la transmission de chaleur par voie métallique, à la couche marginale préalablement refroidie pour donner de la martensite, c'est-à-dire que le contenu calorifique de la came est utilisé pour la transformation structurale. Les résultats désirés sont alors obtenus avec une bonne fiabilité si l'échauffement de la couche marginale s'effectue Jusqu'à une profondeur d'au moins 1 mm, à ]C une température de l'ordre de 850 C. Les caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plus complètement dans la description présentée dans ce qui suit, à titre d'exemple non limitatif, en se reportant au dessin -annexé dont les figures représentent: ]5 - la figure 1, à gauche, une vue frontale et, à droite, une vue en coupe longitudinale d'une came selon l'invention, dotée de faces latérales uniformes; - la figure 2, à gauche, une vue frontale et, à droite, une vue en coupe longitudinale d'une came selon l'invention, dotée de faces latérales munies d'évidements. Sur la figure 1, on peut voir la came selon l'invention, comportant un alésage central 1, un renflement de came 2 et un cercle de base d'épaisseur constante. Une ligne en tireté indique la limite entre une couche marginale durcie 4 et la matière de base 5. On peut voir que la came est réalisée sous la forme d'une tranche' ou corps à faces latérales parallèles uniformes 6. La couche marginale durcie 4 est représentée avec des hachures plus rapprochées que celles de la matière de base non durcie 5. On peut en outre voir que la couche marginale durcie présente la môme épaisseur sur toute la largeur de la piste de la came. Dans la région du renflement de came 2, l'épaisseur est globalement un peu plus forte que dans le cercle de base 3. Sur la figure 2, on a représenté une came selon l'invention, avec un alésage central 1, un renflement de came 2 et un cercle de base d'épaisseur constante 3. Des évidements' latéraux 7 sont prévus dans le renflement de came 2. Une ligne en tireté représente la limite entre une couche marginale durcie et la matière de base non durcie 5. La couche marginale durcie ne s'étend ici que sur le renflement de came, c'est-àdire sur la pointe et les flancs de la came. Sur la vue en coupe, on peut voir les évidements 7 et une âme médiane 8. En outre, les hachures dessinées plus rapprochées pour la couche marginale durcie 4 font apparaître que la matière de base 5 soutient la couche durcie 4 sur toute la largeur de la came, à l'extérieur des évidements 7. Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par 0Jo l'homme de l'art aux dispositifs ou procédés qui viennent d'être décrits uniquement A titre d'exemple non limitatif, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS - 1. Came individueLLe pour un arbre à cames composé, constitué par un tube pouvant être diLaté ou évasé au-deLà de La Limite éLas- tique et par des éLéments de construction qui sont assembLés-fixés à ce tube par une Liaison par adhérence excLusivement, La came étant susceptible d'être durcie à une dureté supérieure à 56 HRC (dureté RockweLL) est caractérisée en ce que la came est faite d'une matière de base qui est durcie sur Le pourtour, au moins dans La région de son renflement de came (2), mais uniquement dans une couche marginaLe (4), que le gradient de la dureté en direction raoiaLe ne dépasse pas 150 HV/mm (dureté Vickers), y compris dans La zone de transition de La couche marginaLe (4) à La matière de base (5), et que la résistance à La traction de La matière de base dans La région de L'aLésage (1) de La came est supérieure d'au mo'ins 20 % à celle du tube prévu pour L'assemblage. 2. Came selon la revendication 1, caractérisée par le feit que la résistance à la traction de la matière de base dans la région d'aLésage de la came est jusqu'à 50 % supérieure à celle de la matière du tube prévu pour l'assemblage. 3. Came selon la revendication 1 ou 2, caractérisée par le fait que la couche marginale (4) possède, à la pointe du renflement de came (2), une épaisseur double de celle qu'elle possède aux flancs de ce renflement (2). 4. Came selon l'une quelconque des revendications I à 3, caractérisée par le fait que la couche marginale (4) possède une profondeur de 6 mm au maximum, notamment de 4 mm au maximum. 5. Came selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée par le fait que le cercle de base (3) o l'épaisseur radiale de paroi le long de l'alésage (1) est constante est constitué par de la matière de base sans formation d'une couche marginale (4). 6. Came selon l'une quelconque -des revendications 1 à 4, caractérisée par le fait que le cercle de base (3) o l'épaisseur radiale de paroi le long de l'alésage (1) est constante présente une couche marginale (4) dont l'épaisseur est au maximum de 0,3 mm. 7. Cane selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée par le fait que la couche marginale (4) dans la région o l'épaisseur est constante le long de l'alésage (1) de la came présente une profondeur n'excédant pas 50 %, notamment pas plus de 30 %, de l'épaisseur totale de la paroi. 8. Came salon l'une quelconque des revendications i à 7, caractérisée par le fait que la couche marginale (4) présente une épaisseur constante sur toute la largeur de la came, Jusqu'aux faces latérales (6). 9. Came selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée par le fait qu'en direction radiale dans la région de la transition de la couche marginale (4) à la matière de base (5) le gradient de dureté ne dépasse pas 120 HV/mm en particulier. 10. Came selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée par le fait que, dans la région du renflement de came (2), les faces latérales (56) sont pourvues d'évidements (7), de manière à laisser subsister une Ame (8) occupant notamment une position médiane. il. Came selon la revendication 10, caractérisée par le fait qu'à l'extérieur de l'Ame (8) la couche marginale (4) est soutenue par une couche de matière de base (5) s'étendant sur toute la largeur de la came. 12. Came selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, en acier, caractérisée par le fait que la matière de base (5) présente une grosseur de grain maximale, de l'ordre de 8 ASTI, de préférence correspondant à une valeur numérique égale ou supérieure à 8 ASTI. 13. Came selon la revendication 12, caractérisée par le fait que la couche marginale (4) est constituée de martensite à grain fin. 14. Came selon la revendication 12, caractérisée par le fait que la grosseur de grain maximale de la couche marginale (4) présente une valeur de 6 ASTI, de préférence une valeur numérique égale ou supérieure à 6 ASTI. 15. Came selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, en fonte, caractérisée par le fait que la came est en matière de moulage durcissable, notamment en fonte malléable à coeur noir. 16. Came selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisée par le fait que la came est en un composé métallique fritté durcissable, contenant notamment des agents de formation de carbure. 17. Procédé de fabrication d'une came en acier selon l'une quelconque des revendications 1 à 14, caractérisé par le fait que l'on réalise un apport de chaleur, limité dans le temps, à la surfaoe de la piste de la came, après quoi, lors du refroidissement, une transformation martensitique se produit dans la couche marginale et une transformation structureale dans la matière de base. 18. Procédé selon la revendication 17, caractérisé par le fait que la transformation structurale dans la matière de base s'effectue essentiellement sous l'effet de la transmission de chaleur par voie métallique, à la couche marginale préalablement refroidie de manière à ]0 former de la martensite. 19. Procédé de fabrication d'une came selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que l'échauffement s'effectue Jusqu'à une profondeur diau moins 1 ramm, à une température d'environ 850 C.