Brevet FR2812682A1 — publié le 20020208

L'invention concerne une soupape de construction légère constituée de plusieurs parties, pour des moteurs à combustion interne, avec une tige de soupape et un plateau de soupape massif, qui est muni d'une ouverture centrale pour recevoir, par une liaison à ajustement de forme, l'extrémité, située côté plateau, de la tige de soupape, les parties de soupape étant reliées ensemble à demeure. Le EP 0 296 619 A1 décrit également une soupape de construction légère en plusieurs parties pour des moteurs à combustion interne, qui présente un plateau de soupape et une tige de soupape. Le plateau de soupape est muni, en face supérieure, d'un trou borgne devant recevoir l'extrémité, située côté plateau, de la tige qui peut être fixée dans le trou borgne par un processus de frettage, d'enfoncement à froid, de brasure, par une liaison mécanique, ou par une combinaison de ces techniques de liaison. Dans un cas représenté dans le dessin de ce document, l'intérieur du trou borgne est ondulé, la paroi située côté extrémité du tube de tige étant élargie, sous l'influence de la pression et de l'échauffement local, et venant alors s'insérer avec une liaison à ajustement de forme, dans les ondes situés du côté perçage. Dans la soupape de construction légère connue par le EP 0 296 619 Al est désavantageux le fait que la liaison entre la tige de soupape et le plateau de soupape ne soit pas suffisamment résistante sous l'effet des charges statiques et dynamiques importantes, tant du point de vue thermique qu'également du point de vue mécanique. On peut avoir à faire à des fluctuations de température allant de - 20 C à environ 900 C qui en partie se produisent sur un temps court, et les hautes températures pouvant, selon les cas, agir sur une longue durée. D'autre part, le point de liaison est en même temps exposé à de hautes charges dynamiques et statiques, également dans la direction de la traction. Cet ensemble de charges après une durée de fonctionnement relativement courte du moteur à combustion interne peut mener à un détachement de la liaison entre la tige de soupape et le plateau de soupape ce qui aurait comme conséquence pour le moteur à combustion interne, une panne immédiate et une destruction complète. C'est pourquoi le but de l'invention est d'améliorer encore une soupape de construction légère, de manière à ce qu'elle puisse résister aux charges thermiques et mécaniques se produisant pendant le fonctionnement du moteur. Ce problème est résolu selon l'invention par le fait que le plateau de soupape est relié à la tige de soupape par un procédé de façonnement de têtes à chaud. Un avantage essentiel de l'invention réside dans le fait que, grâce au refroidissement pratiqué après le processus d'écrasement, les précontraintes élevées, agissant dans la direction de l'axe longitudinal de la soupape, donc des précontraintes axiales, se produisent dans l'extrémité, située côté plateau, de la tige de soupape, qui fixent très fortement le plateau sur la tige de soupape, en particulier plus fortement que ce que donne un soudage. C'est-à-dire que la résistance par frettage est plus élevée par exemple que ce que permet une soupape obtenue par soudage. Du fait de la liaison à ajustement de forme, agissant en compression et en traction, dans les deux directions actives de la force axiale, liaison concernant la tige de soupape au plateau de soupape, le point de jointement peut être chargé sans endommagement et durablement par les charges thermiques et mécaniques que l'on rencontre pendant le fonctionnement du moteur. Au reste, cette technique de jointement provoque une réduction du coût de fabrication, précisément au niveau d'un processus d'emboîtement ou d'enfichage (insertion de l'extrémité de tige dans le perçage central), un processus d'écrasement et, éventuellement, un processus de meulage- rectification (extrémité de tige côté plateau). La technique de jointement selon l'invention, adoptée pour la soupape de construction légère en plusieurs parties, crée une liberté quant au choix du matériau, en particulier du point de vue du plateau de soupape. I1 peut alors s'agir d'un matériau qui ne soit pas soudable, ou bien d'un matériau qui ne soit pas soudable au matériau de la tige de soupape. D'autres modes de réalisation et avantages de l'invention ressortent de la description et du fait que les dispositions suivantes sont de préférence adoptées: - le plateau de soupape est relié à la tige de soupape par un façonnage des têtes électrique, la tige de soupape étant chauffée avant le processus d'écrasement, par application d'une tension électrique. - l'ouverture centrale du plateau de soupape s'étend axialement à travers la totalité du plateau de soupape, l'ouverture centrale étant limitée axialement sur le côté tige par un épaulement répondant à une rotation de symétrie, de préférence perpendiculaire à l'axe, et étant limitée, sur le côté plat situé du côté chambre de combustion opposée à la tige de soupape, par un contour de limitation répondant à une symétrie de rotation, et - la tige de soupape emboîtée dans l'ouverture centrale présente une collerette de forme annulaire, délimitant la profondeur d'emboîtement et appuyant sur l'épaulement du plateau de soupape, et l'extrémité, située côté plateau de la tige de soupape, est introduite, par un écrasement sur ou dans le contour de limitation, de l'ouverture centrale, d'une manière assurant un comblement du volume, faisant intervenir une liaison par ajustement de forme. - avant l'écrasement, un anneau, constitué de brasure dure, est inséré entre le contour de limitation et la tige de soupape. - le plateau de soupape est constitué de céramique ou d'aluminiure de titane (TiAl). - la tige de soupape est constituée d'un acier résistant à la chaleur ou résistant aux hautes températures. - la tige de soupape est massive. - la tige de soupape est tubulaire. - l'extrémité, située côté plateau, de la tige de soupape est élargie sur ou dans le contour de limitation (9) situé côté chambre de combustion de l'ouverture centrale, d'une manière assurant un comblement de volume du contour de limitation, faisant intervenir une liaison à ajustement de forme, de manière que la tige de soupape soit assurée contre tout échappement axial hors de la tige de soupape, et - l'élargissement, situé côté extrémité de la tige de soupape tubulaire, est fermé de façon étanche aux gaz par un soudage par fusion. - l'élargissement de l'ouverture centrale est de configuration conique. L'invention est explicitée, à l'aide de trois exemples de réalisation, dans les dessins, dans lesquels: la figure lareprésente une vue en élévation en coupe d'un premier exemple de réalisation d'une soupape de construction légère réalisée selon l'invention, avant le processus d'écrasement, la figure lbreprésente la soupape de construction légère du premier exemple de réalisation après écrasement, la figure 2areprésente une vue en élévation en coupe d'un deuxième exemple de réalisation d'une soupape de construction légère avant l'écrasement, un anneau en brasure dure étant inséré entre le plateau de soupape et la tige de soupape, la figure 2breprésente la soupape de construction légère du deuxième exemple de réalisation après le processus d'écrasement, la figure 3areprésente une vue en élévation en coupe d'un troisième exemple de réalisation d'une soupape de construction avant le processus d'écrasement, la tige de soupape étant tubulaire, et la figure 3breprésente la soupape de construction légère du troisième exemple de réalisation après le processus d'écrasement. On va préalablement entrer brièvement dans le détail des points communs entre les différents exemples de réalisation, représentés sur les figures la, 2a et 3a, des soupapes de construction légères (numéros de référence 1 à 3) pour des moteurs à combustion interne, les figures lb, 2b et 3b représentant les soupapes de construction légère 1 à 3 après le processus d'écrasement. Les soupapes de construction légère 1 à 3 sont constituées de plusieurs pièces et présentent un plateau de soupapes 1 massif, ayant une ouverture centrale 5 pour assurer le logement, avec liaison par ajustement de forme, de l'extrémité, située côté plateau, de la tige de soupape 6 massive afférente (figures 1 et 2), ou de la tige de soupape 7 tubulaire (figure 3). Les parties de soupapes citées sont reliées ensemble de façon permanente, la technique de jointement (façonnage des têtes à chaud/façonnage électrique) étant unitaire pour la totalité des trois variantes. L'ouverture centrale 5 la plus cylindrique possible, servant à la fixation de la tige de soupape 6, 7 du plateau de soupape 4, passe axialement par la totalité du plateau de soupape 4. L'ouverture centrale 5 ménagée dans le plateau de soupape 4 est d'abord de forme cylindrique et va en s'élargissant vers une face plate 8 située côté chambre de combustion du plateau de soupape 4, en ayant la forme d'un contour de limitation 9 répondant à une symétrie de rotation, contour qui, dans les exemples de réalisation représentés, est réalisé sous la forme d'élargissement noyé dans la matière, ayant la forme d'un cône. A l'extrémité située côté tige, l'ouverture centrale 5 est limitée par un épaulement 10 perpendiculaire à l'axe, répondant à une symétrie de rotation, sur lequel la tige de soupape 6, 7 appuie avec transmission de pression, par une collerette 11. La tige de soupape 6, 7 est emboîtée dans l'ouverture centrale 5, sachant que sa collerette 11 perpendiculaire à l'axe, délimitant la profondeur d'emboîtement, vient en appui sur l'épaulement 10 situé côté plateau de l'ouverture centrale 5. L'extrémité, située côté plateau, de la tige de soupape 6, 7 emboîtée dans l'ouverture centrale 5 est introduite à l'extrémité située côté chambre de combustion de l'ouverture centrale 5, dans le contour de limitation 9, en pratiquant un processus d'écrasement électrique allant être explicité ci-après plus en détail et d'une manière comblant le volume et assurant une liaison par ajustement de forme, de manière que la tige de soupape 6, 7 soit assurée, par une liaison à ajustement de forme, contre toute possibilité d'extraction axiale hors du plateau de soupape 4. Lors du façonnage électrique par écrasement, une tension électrique est appliquée sur la tige de soupape 6, 7, faisant que la tige de soupape 6, 7 est chauffée à environ 1000 à 1200 C à l'emplacement de sa section transversale minimale, c'est-à-dire de la zone de tige qui est emboîtée dans l'ouverture centrale 5. La tige de soupape 6, 7 est ensuite écrasée sous l'effet d'une pression, faisant que l'extrémité, située côté plateau, de la tige de soupape 6,7 s'insère dans le contour de limitation, d'une manière assurant un comblement du volume et une liaison par ajustement de forme. Une fois que le processus d'écrasement est achevé, l'extrémité de la tige de soupape 6, 7 est très chaude, alors que, par contre, le plateau de soupape 4 est relativement froid. Suite au refroidissement effectué après le processus de façonnage électrique par écrasement, il y a rétraction thermique de l'extrémité de la tige de soupape 6, 7 dans la zone de la longueur d'emboîtement, faisant que, dans la tige de soupape 6, 7, sur toute la longueur d'emboîtement, il s'établit à l'intérieur de l'ouverture centrale 5 une précontrainte axiale très élevée, ce qui est tout à fait souhaité au sens de l'obtention d'une fixation sûre du plateau de soupape 4 sur l'extrémité de la tige 6, 7, malgré les différences de chauffage et/ou les différences de dilatation thermique de partenaires concernés de jointement, le plateau 4 étant fixé plus fortement que ce que donne une liaison par soudage. Après avoir présenté les points communs entre les différents exemples de réalisation illustrés, on va à présent expliciter ci-après les figures en soi, eu égard au reste de la teneur de la description. A titre de sécurité, en particulier pour ce qui concerne les soupapes d'échappement plus fortement chargées thermiquement, on peut, avant de pratiquer le processus de façonnage par déformation électrique selon les figures 2a et 2b, insérer un anneau en brasure dure 12, dans l'ouverture centrale 5, l'anneau 12 appuyant notablement sur le contour de limitation 9 de l'ouverture centrale 5 et sur la tige de soupape 6 massive. La tige de soupape peut dans le présent cas également être tubulaire. Directement à l'occasion du façonnage électrique, il se produit, ainsi entre le plateau de soupape et la tige de soupape 6, une liaison par brasure, qui assure la tige de soupape 6 par une liaison par la matière, à titre supplémentaire, contre toute rotation radiale et jeu axial risquant de produire une sortie du plateau de soupape 4. Le plateau de soupape, avant le jointement, est préchauffé jusqu'à une température de 1000 C, afin que la brasure puisse s'écouler de façon optimale dans le joint de liaison entre le plateau et la tige. En variante ou en combinaison avec la fixation par brasure, on peut réaliser une liaison à ajustement de forme, grâce à des cannelures longitudinales/un profilage longitudinal de l'ouverture centrale 5 axiale du plateau de soupape 4 entre le plateau de soupape 4 et la tige de soupape 6, 7, également aux fins d'obtention d'une sécurité en rotation radiale du plateau 4 par rapport à la tige 6 et 7. Selon les figures 3a et 3b, la tige 7 tubulaire est fermée de façon étanche au gaz, à son extrémité opposée au plateau de soupape 4, par une pièce d'extrémité de tige de soupape 13 et, à son extrémité côté plateau, par un soudage par fusion. En outre il faut mentionner que l'espace creux de la soupape de construction légère 3 peut être rempli par un fluide de refroidissement par exemple du sodium, au moins si on utilise une soupape d'échappement qui est plus fortement sollicitée thermiquement. De manière appropriée, dans ce cas, on introduit le produit de refroidissement sur l'extrémité de tige opposée au plateau et on insère l'élément d'extrémité de soupape 13, en tant que dernière partie, dans la soupape de construction légère 3. REVENDICATIONS 1. Soupape de construction légère (1, 2, 3) constituée de plusieurs parties, pour des moteurs à combustion interne, avec une tige de soupape (6, 7) et un plateau de soupape (4) massif, qui est muni d'une ouverture centrale (5) pour recevoir, par une liaison à ajustement de forme, l'extrémité, située côté plateau, de la tige de soupape (6, 7), les parties de soupape (4, 6, 7) étant reliées ensemble à demeure, caractérisé en ce que le plateau de soupape (4) est relié à la tige de soupape (6, 7) par un procédé de façonnement de têtes à chaud. 2. Soupape de construction légère selon la revendication 1, caractérisée en ce que le plateau de soupape (4) est relié à la tige de soupape (6, 7) par un façonnage des têtes électrique, la tige de soupape (6, 7) étant chauffée avant le processus d'écrasement, par application d'une tension électrique. 3. Soupape de construction légère selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'ouverture centrale (5) du plateau de soupape (4) s'étend axialement à travers la totalité du plateau de soupape (4), l'ouverture centrale (5) étant limitée axialement sur le côté tige par un épaulement (10) répondant à une rotation de symétrie, de préférence perpendiculaire à l'axe, et étant limitée, sur le côté plat (8) situé du côté chambre de combustion opposée à la tige de soupape (6, 7), par un contour de limitation (9) répondant à une symétrie de rotation, et en ce que la tige de soupape (6, 7) emboîtée dans l'ouverture centrale (5) présente une collerette (11) de forme annulaire, délimitant la profondeur d'emboîtement et appuyant sur l'épaulement (10) du plateau de soupape (4), et en ce que l'extrémité, située côté plateau de la tige de soupape (6, 7), est introduite, par un écrasement sur ou dans le contour de limitation (9), de l'ouverture centrale (5), d'une manière assurant un comblement du volume, faisant intervenir une liaison par ajustement de forme. 4. Soupape de construction légère selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que, avant l'écrasement, un anneau (12), constitué de brasure dure, est inséré entre le contour de limitation (9) et la tige de soupape (6, 7). 5. Soupape de construction légère selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que le plateau de soupape (4) est constitué de céramique ou d'aluminiure de titane (TiAl). 6. Soupape de construction légère selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que la tige de soupape (6, 7) est constituée d'un acier résistant à la chaleur ou résistant aux hautes températures. 7. Soupape de construction légère selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que la tige de soupape (6) est massive. 8. Soupape de construction légère selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que la tige de soupape (7) est tubulaire. 9. Soupape de construction légère selon la revendication 8, caractérisée en ce que l'extrémité, située côté plateau, de la tige de soupape (7) est élargie sur ou dans le contour de limitation (9) situé côté chambre de combustion de l'ouverture centrale (5), d'une manière assurant un comblement de volume du contour de limitation (9), faisant intervenir une liaison à ajustement de forme, de manière que la tige de soupape (7) soit assurée contre tout échappement axial hors de la tige de soupape (4), et en ce que l'élargissement,, situé côté extrémité de la tige de soupape (7) tubulaire, est fermé de façon étanche aux gaz par un soudage par fusion. 10. Soupape de construction légère selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que l'élargissement (9) de l'ouverture centrale (5) est de configuration conique.