Brevet FR2698136A1 — publié le 19940520

La présente invention concerne une bielle, notam- ment de moteur à combustion interne, constituée d'un pied, d'un corps et d'une tête formant un palier destiné à recevoir un coussinet, ladite bielle étant constituée de deux parties qui sont assemblées l'une sur l'autre le long d'une surface de jointure et qui sont bloquées l'une sur l'autre au moyen d'éléments d'immobilisation. La tête d'une bielle doit être faite de façon à présenter un palier de dimensions appropriées tout en possédant, de préférence, des dimensions permettant le passage de la bielle dans l'alésage du cylindre. La conception des moteurs à combustion interne à pistons alternatifs comporte divers moyens d'atteindre le plus grand diamètre possible de palier de tête de bielle convenant à une bielle pouvant passer dans l'alésage du cylindre Les avantages en découlant résident en premier lieu dans le fait que, pour une surface portante appro- priée, plus le diamètre du palier sera grand plus sa longueur pourra être courte, ce qui permet de réduire la distance entre cylindres, donc la longueur hors tout du moteur, facteur particulièrement important pour les moteurs en V dans lesquels deux têtes de bielle sont montées sur un maneton commun. On connaît plusieurs exemples dans lesquels la surface de jointure réalisant le contact entre la bielle et son chapeau de palier fait un angle oblique avec l'axe longitudinal de la bielle Outre que ceci donne une bielle étroite par rapport au diamètre du palier, il en résulte une répartition dissymétrique des contraintes entraînant des risques de distorsion en charge; de plus, les procédés compliqués de mise en place du chapeau et d'élimination de charges de flexion élevées sur les boulons de fixation augmentent les frais de fabrication et le risque d'apparition de zones néfastes de concentra- tion de contraintes. On est donc fortement incité à réaliser des têtes de bielle fendues à 900, c'est-à-dire dans lesquelles la surface de jointure réalisant le contact entre la bielle et le chapeau est un plan perpendiculaire à l'axe longi- tudinal de la bielle, et l'on a expérimenté plusieurs procédés tendant à donner au palier de tête de bielle des dimensions s'accordant avec la possibilité de faire passer la tête de bielle dans l'alésage du cylindre. Les paliers de bielle connus fendus à 90 portent généralement sur un coussinet de palier cylindrique en deux parties Dans ce type de palier, des boulons, fixant la tête de bielle et placés de part et d'autre du coussi- net parallèlement à l'axe longitudinal de la bielle, ont des axes dont la distance est maintenue aussi petite que cela est possible sans interférer avec le coussinet. Une autre solution connue consiste à utiliser quatre boulons de tête de bielle d'assez petit diamètre au lieu de deux boulons d'assez grand diamètre dans les mêmes dimensions externes hors tout, tout en exerçant un effort de serrage plus régulier sur les coussinets de palier. Les paliers de tête de bielle décrits ci-dessus comportent des éléments d'immobilisation mécanique composés de boulons placés parallèlement à l'axe du corps de bielle et perpendiculairement au coussinet cylindri- que, ce qui impose un apport de matière pour l'usinage, sur l'élément semi-cylindrique du corps de bielle et le chapeau de bielle, de méplats permettant l'appui des têtes de boulons et des écrous d'immobilisation. L'apport de matière, donc de masses destinées à être en mouvement, génère un moment d'inertie qui doit être compensé par des contrepoids placés sur le vilebre- quin, à l'opposé de la tête de bielle ou du maneton de vilebrequin. Les contrepoids d'équilibrage sont placés de façon telle que le centre de gravité de l'ensemble bielle-vilebrequin soit placé sur l'axe de rotation dudit vilebrequin. L'apport de matière, en masse, nécessaire à la réalisation de passage pour la tige des boulons d'immobi- lisation et d'appui des têtes de boulon et leurs écrous de serrage oriente les industriels vers la fabrication de bielles et chapeaux de bielle par moulage par fonderie ou par forgeage à chaud. La demande de brevet français no 2 558 547 décrit une bielle moulée dont le corps présente une section en I, bielle réalisée dans le but de réduire le poids de la bielle sans perte de caractéristiques en résistance des matériaux. Les procédés de moulage génèrent un problème lié au fait que le corps de bielle (dont l'épaisseur est d'environ 3 à 5 mm) est difficile à mettre en sa forme à cause des effets de refroidissement différentiels qui laissent apparaître des retassures dans la zone de l'âme du corps en I. Dans une autre technique, telle que le forgeage à chaud, la bielle ne peut être frappée que dans son plan de symétrie, c'est-à-dire dans le plan diamétral des paliers de tête et de pied de bielle, sans possibilité d'éliminer la masse morte de l'âme du corps de bielle, autrement que par une technique d'usinage supplémentaire et donc coûteuse. Le but de l'invention est de réduire les masses en mouvement de l'embiellage en lui conservant ces caractéristiques de résistance mécanique, de réduire les déplacements de matières lors de la mise en forme de l'ébauche afin d'assurer sa fabrication par des techni- ques économiques. A cet effet l'invention a pour objet une bielle, notamment de moteur à combustion interne, constituée d'un pied, d'un corps et d'une tête formant un palier destiné à recevoir un coussinet, ladite bielle étant constituée de deux parties qui sont assemblées l'une sur l'autre le long d'une surface de jointure et qui sont bloquées l'une sur l'autre au moyen d'éléments d'immobilisation, carac- térisée en ce que les deux parties sont sensiblement symétriques par rapport à l'axe médian longitudinal de la bielle, en ce que la surface de jointure est essentiel- lement disposée dans ledit plan médian longitudinal et en ce que les éléments d'immobilisation des deux parties sont situés aux deux extrémités de la bielle du côté de la tête de bielle et du côté du pied de bielle, respecti- vement. Cette structure des deux parties constitutives de la bielle permet une fabrication simple en utilisant un outillage unique. En effet, les deux parties constitutives de la bielle peuvent être obtenues par forgeage à chaud, par forgeage à tiède ou par frappe à froid. Selon un mode de réalisation de l'invention, le corps de chacune des deux parties comporte une section en U de concavité tournée dans la direction opposée des concavités des paliers de tête et de pied de bielle de manière que le corps présente une section en H. Selon un autre mode de réalisation de l'inven- tion, le corps des deux parties comporte une section en U de concavité tournée dans la direction des concavités des paliers de tête et de pied de bielle de manière que le corps présente une section de forme tubulaire. Selon une autre caractéristique de l'invention, les deux parties sont entièrement symétriques et les éléments d'immobilisation sont constitués par des ensem- bles de boulon et d'écrou traversant les deux parties selon une direction perpendiculaire à l'axe médian longitudinal. Selon encore une autre caractéristique de l'in- vention, les surfaces de jointure des deux parties comportent deux épaulements en correspondance délimités par le plan médian longitudinal ou un plan parallèle à ce dernier, d'une part, et un plan perpendiculaire audit plan médian longitudinal, d'autre part et les éléments d'immobilisation des deux parties sont constitués chacun par un pion longitudinal perpendiculaire à l'axe longitu- dinal de la bielle et disposé dans deux demi-logements aménagés chacun dans la face de l'épaulement des deux parties jointives qui est perpendiculaire au plan médian longitudinal. Avantageusement, le pion est une goupille bloquée en translation. D'autres caractéristiques et avantages de l'in- vention ressortiront de la description qui suit d'exem- ples de mise en oeuvre, faite en se référant aux dessins annexés sur lesquels: la figure 1 représente une bielle selon l'in- vention comportant des éléments d'immobilisation connus; la figure 2 est une section selon la ligne 2-2 de la figure 1; la figure 3 représente un autre exemple de bielle selon l'invention; et la figure 4 est une section selon la ligne 4-4 de la figure 3. La figure 1 représente une bielle d'un moteur thermique à combustion interne constituée d'un pied 2, d'un corps 3 et d'une tête 4 Cette bielle est liée à un piston, non représenté sur le dessin, au moyen d'un axe de piston, également non représenté sur le dessin, et traversant le palier de l'axe de piston La bielle longiligne est également liée à un vilebrequin, non représenté, dont un maneton porte un coussinet cylindri- que de palier de bielle. Conformément à l'invention, la bielle est compo- sée de deux parties sensiblement symétriques 10 et 20 disposées de part et d'autre du plan médian longitudinal 1 de la bielle Les deux parties 10 et 20 constituant la bielle présentent une surface de jointure qui est située dans ledit plan longitudinal médian 1 qui constitue un plan de symétrie de la bielle et qui contient les axes longitudinaux des paliers de tête de bielle et de pied de bielle. Dans un tel mode de réalisation, un seul outil- lage de mise en forme, par forgeage à chaud, à tiède ou de frappe à froid est suffisant pour obtenir les deux parties constitutives de la bielle à l'état brut d'ébau- che. De plus, les deux parties constitutives de la bielle peuvent être forgées ou mises en forme de manière avantageuse en déformant le lopin de base dans le plan diamétral des deux paliers Ainsi la matière subit presque essentiellement une déformation en flexion traction, sans déplacement important de matière. On remarque que les deux parties constitutives de la bielle peuvent être obtenues à partir d'un lopin issu de barres parallélépipèdiques. Plusieurs avantages découlent du fait que la pièce est formée sans déplacement important de matière. En effet, cela permet d'obtenir une pièce comportant un fibrage de très bonne qualité, de réaliser une pièce brute avec une meilleure précision dimensionnelle et de réduire de façon non négligeable les réserves d'usinage. Comme représenté sur la figure 1, on réalise un évidement 9 dans le corps de bielle 3 par enfoncement dans un plan perpendiculaire au plan médian longitudinal 1 précité de manière à donner au corps de bielle 3, lorsque les deux parties 10 et 20 sont assemblées, une section en H comme représenté à la figure 2 Une telle section peut présenter un moment d'inertie par rapport à l'axe parallèle aux axes longitudinaux des paliers qui soit supérieur au moment d'inertie d'une section en I de type connu. La limitation des contraintes d'écoulement de matière lors de la mise en forme de l'ébauche permet une réduction de la température de formage, ce qui améliore les caractéristiques métallurgiques de l'acier formé. Effectivement les deux parties constitutives de la bielle selon l'invention peuvent aussi bien être réalisées à chaud qu'à froid. Comme on peut le voir sur la figure 1, les deux parties constitutives de la bielle 10 et 20 sont bloquées l'une sur l'autre au moyen d'éléments d'immobilisation qui sont disposés respectivement aux deux extrémités de la bielle du côté du pied 2 et de la tête 4 Dans ce mode de réalisation, les éléments d'immobilisation sont constitués chacun par un boulon 5 et un écrou 6; le boulon 5 traverse les extrémités des deux parties consti- tutives 10 et 20 selon une direction perpendiculaire à l'axe médian transversal 1 précité. La figure 3 représente un autre mode de réalisa- tion de l'invention dans lequel l'évidement 9 ' du corps 13, respectivement 23, de chacune des parties constituti- ves 10 ' et 20 ' de la bielle est réalisé de façon que sa concavité soit orientée dans la direction opposée des concavités des paliers de la tête 2 ' et du pied 4 ' de bielle Lorsque les deux parties constitutives 10 ' et 20 ' sont assemblées en vis-à-vis pour former la bielle, le corps 3 ' de ladite bielle présente en section la forme d'un caisson ou d'un tube de section quadrangulaire par exemple rectangulaire ou carrée comme représenté à la figure 4 Les caractéristiques mécaniques d'un corps de forme tubulaire assurent, par une diminution de l'épais- seur des parois du tube, une diminution importante du poids de la bielle, tout en favorisant l'inertie. D'autre part, la liaison entre les éléments de bielle présente une surface de jointure formant un emboîtement Les deux parties sont immobilisées, à leurs deux extrémités, au moyen d'un élément d'immobilisation , respectivement 30 ', constituant une clé supportant les efforts des paliers. Dans le mode de réalisation de la figure 3, les surfaces de jointure des deux parties 10 ' et 20 ' compor- tent deux épaulements 15 et 15 ' qui sont disposés de préférence aux deux extrémités de la bielle A chaque extrémité de la bielle, l'épaulement d'une des parties est complémentaire de l'épaulement de l'autre partie de manière à réaliser un assemblage par emboîtement. Dans le mode de réalisation représenté, une des parties, la partie 10 ' comporte deux épaulements faisant saillie 15 et 15 ' qui sont délimités par un plan paral- lèle au plan médian longitudinal et par un plan perpendi- culaire à ce dernier Ces deux épaulements 15 et 15 ' de la partie 10 ' viennent donc coiffer l'extrémité 25, res- pectivement 25 ', de la deuxième partie 20 ' qui constitue un épaulement complémentaire délimité par le plan médian longitudinal et le même plan perpendiculaire délimitant l'épaulement 15, respectivement 15 '. L'élément mécanique d'immobilisation des deux parties 10 ' et 20 ' est constitué par un pion longitudinal , respectivement 30 ', qui est parallèle à l'axe du pied de bielle 2 ', respectivement à l'axe de la tête de bielle 4 ' Le pion 30, respectivement 30 ', est disposé dans un logement constitué de deux demi-logements aménagés chacun dans la face de l'épaulement 15 de la partie 10 ' qui est perpendiculaire au plan médian longitudinal et dans la face correspondante de la jointure de l'extrémité 25 de l'autre partie 20 ' De manière analogue, le pion 30 ' est logé dans un logement réalisé dans les faces correspon- dantes de l'épaulement 15 ' de la partie 10 ' et de l'ex- trémité 25 ' de la partie 20 '. Avantageusement, le pion 30 respectivement 30 ' est une goupille bloquée en translation. La clé formant le pion travaille mécaniquement en cisaillement dans un plan diamétral et présente de ce fait une section de cisaillement relativement importante pour un diamètre faible. C'est la faible valeur de ce diamètre qui auto- rise la réalisation de l'épaulement dans la couronne formée par les paliers. La bielle selon l'invention ainsi allégée permet la réalisation d'un embiellage dans lequel les contre- poids d'équilibrage, placés sur le vilebrequin, pour compenser l'inertie des masses -tournantes de la bielle, peuvent être réduits. Ainsi l'embiellage selon l'invention assure une diminution en poids des masses tournantes des moteurs à combustion interne Dans le cas des moteurs diesel, cette diminution de poids peut permettre des régimes de rota- tion de moteur supérieurs aux normes actuelles. L'invention assure également une fabrication des deux parties constituant la bielle au moyen d'un seul outillage dans des conditions métallurgiques spécifiques de préférence à basse température. La description ci-dessus n'a été fournie qu'à titre d'exemples non limitatifs et il est évident que l'on peut y apporter des modifications ou variantes sans pour autant sortir du cadre de la présente invention. C'est ainsi que l'on peut concevoir des bielle dont le corps présente un profil en H comme représenté sur la figure 1 avec des éléments d'immobilisation constitués par des pions tels que représentés sur la figure 3 On peut également concevoir une bielle dont le corps présente un profil comme représenté à la figure 3 et dans laquelle les éléments d'immobilisation sont constitués par des ensembles de boulon et d'écrou.5 Par ailleurs, les épaulements en correspondance peuvent être usinés dans la masse des paliers, aussi bien en extrémité de bielle qu'entre les paliers et le corps de bielle Le nombre des épaulements peut être également supérieur à deux. il REVENDICATIONS 1 Bielle, notamment de moteur à combustion interne, constituée d'un pied ( 2,2 '), d'un corps ( 3,3 ') et d'une tête ( 4,4 ') formant un palier destiné à recevoir un coussinet, ladite bielle étant constituée de deux parties ( 10,20; 10 ',20 ') qui sont assemblées l'une sur l'autre le long d'une surface de jointure et qui sont bloquées l'une sur l'autre au moyen d'éléments d'immobi- lisation ( 5,6; 30,30 '), caractérisée en ce que les deux parties ( 10, 20; 10 ',20 ') sont sensiblement symétriques par rapport à l'axe médian ( 1) longitudinal de la bielle, en ce que la surface de jointure est essentiellement dispo- sée dans ledit plan médian longitudinal ( 1) et en ce que les éléments d'immobilisation ( 5,6; 30,30 ') des deux parties ( 10,20; 10 ',20 ') sont situés aux deux extrémités de la bielle du côté de la tête de bielle et du côté du pied de bielle, respectivement - 2 Bielle selon la revendication 1, caractérisée en ce que les deux parties ( 10,20; 10 ',20 ') sont obtenues par forgeage à chaud avec un outillage unique. 3 Bielle selon la revendication 1, caractérisée en ce que les deux parties ( 10,20; 10 ',20 ') sont obtenues par forgeage à tiède avec un outillage unique. 4 Bielle selon la revendication 1, caractérisée en ce que les deux parties ( 10,20; 10 ',20 ') sont obtenues par frappe à froid avec un outillage unique. Bielle selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que le corps ( 3) de chacune des deux parties ( 10, 20) comporte une section en U de concavité ( 9) tournée dans la direction opposée des concavités des paliers de tête et de pied de bielle de manière que le corps ( 3) présente une section en H. 6 Bielle selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 4, caractérisée en ce que le corps ( 3 ') des deux parties ( 10 ',20 ') comporte une section en U de concavité ( 9 ') tournée dans la direction des concavités des paliers de tête et de pied de bielle de manière que le corps ( 3 ') présente une section de forme tubulaire. 7 Bielle selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 6, caractérisée en ce que les deux parties ( 10,20) sont entièrement symétriques et en ce que les éléments d'immobilisation sont constitués par des ensem- bles de boulon ( 5) et d'écrou ( 6) traversant les deux parties ( 10,20) selon une direction perpendiculaire à l'axe médian longitudinal ( 1). 8 Bielle selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 6, caractérisée en ce que les surfaces de jointure des deux parties ( 10 ',20 ') comportent deux épaulements ( 15,15 ',25,25 ') en correspondance délimités par le plan médian longitudinal ou un plan parallèle à ce dernier, d'une part, et un plan perpendiculaire audit plan médian longitudinal, d'autre part et en ce que les éléments d'immobilisation des deux parties sont consti- tués chacun par un pion longitudinal formant une clé ( 30,30 ') perpendiculaire à l'axe longitudinal de la bielle et disposé dans deux demi-logements aménagés chacun dans la face de l'épaulement des deux parties jointives qui est perpendiculaire au plan médian longitu- dinal. 9 Bielle selon la revendication 8, caractérisée en ce que le pion ( 30,30 ') est une goupille bloquée en translation.