Brevet FR2842986A1 — publié le 20040130

DISPOSITIF DE CHAUFFAGE PAR INDUCTION POUR LE TRAITEMENT D'UNE SURFACE SYM TRIE DE R VOLUTION D'UNE PIECE M CANIQUE MOBILE La présente invention concerne un dispositif de chauffage par induction pour le traitement d'une surface à symétrie de révolution d'une pièce mécanique mobile, notamment la surface d'un maneton ou d'un tourillon d'un vilebrequin de véhicule automobile. Les manetons de vilebrequin sont destinés à recevoir des coussins de bielles et les tourillons à recevoir les paliers du vilebrequin. Ces pièces, constituées d'acier ou de fonte, sont soumises à des contraintes élevées. C'est pourquoi on réalise de façon générale un traitement de surface des manetons ou des tourillons pour en améliorer les caractéristiques mécaniques. Un tel traitement peut être réalisé par un chauffage local par induction. La figure 1 représente une coupe d'un dispositif 10 classique de chauffage par induction pour le traitement de surface d'un maneton ou d'un tourillon cylindrique d'axe H d'un vilebrequin. On a représenté par un cercle en traits pointillés il la surface cylindrique extérieure du maneton ou du tourillon. La figure 2 représente une coupe de la figure 1 selon la ligne II-II, le maneton ou le tourillon n'étant pas représenté. Le dispositif 10 comprend une spire constituée de deux demi-spires d'induction 12, 14 symétriques par rapport à un plan P contenant l'axe H du maneton ou du tourillon. Chaque demi-spire 12, 14 comprend deux portions parallèles 12A, 12B, 14A, 14B qui s'étendent côte à côte chacune selon un arc de cercle en vis-àvis de la surface 11 du maneton ou du tourillon. Les portions parallèles 12A, 12B, 14A, 14B d'une même demi-spire 12, 14 sont jointes entre elles à leur extrémité la plus éloignée du plan P par une portion rectiligne 12C, 14C qui s'étend sensiblement parallèlement à une génératrice de la surface 11. Des conduits d'alimentation 12D, 14D sont reliés aux extrémités des portions parallèles 12A, 12B, 14A, 14B voisines du plan P. La surface 11 est maintenue à distance des demi-spires 12, 14 par une touche de maintien 16 cylindrique disposée au niveau du plan P et en contact avec la surface il selon une génératrice de la surface 11. La touche 16 est fixée sur des flasques 18A, 18B par un étrier 19. Les conduites d'alimentation 12D, 14D sont également fixées sur les flasques 18A, 18B par des brides non représentées. Les flasques 18A, 18B supportent de façon générale deux douches 20, 22 alimentées chacune par une conduite d'apport 24, 26 d'un liquide de refroidissement, appelé liquide de trempe. Chaque douche 20, 22 peut projeter le liquide de trempe sur la surface il selon les flèches représentées sur la figure 1. Les flasques 18A, 18B supportent également deux touches cylindriques secondaires 28, 29 par l'intermédiaire d'étriers , 31. Les touches secondaires 28, 29, identiques à la touche 16, sont en contact avec la surface 11 selon une génératrice. Les touches secondaires 28, 30 sont disposées de part et d'autre de la surface 11 sensiblement dans un plan de symétrie du maneton ou du tourillon perpendiculaire au plan P. Un procédé de traitement classique de la surface il du maneton ou du tourillon est le suivant. Le vilebrequin est agencé de sorte que l'axe H du maneton ou du tourillon soit horizontal. Le dispositif 10 de chauffage par induction est alors placé sur le maneton ou le tourillon de sorte que le plan P soit sensiblement vertical. Le vilebrequin est ensuite mis en rotation. Dans le cas d'un maneton, l'axe du maneton, excentré par rapport à l'axe de rotation du vilebrequin, tourne autour de ce dernier. Le dispositif 10 suit alors les mouvements du maneton, le plan P demeurant vertical. Tout se passe comme si la surface 11 du maneton avait un mouvement de rotation autour de l'axe H par rapport au dispositif de chauffage 10. Dans le cas d'un tourillon, l'axe H est réellement l'axe de rotation du tourillon. Les demi-spires 12, 14 sont montées en série et sont traversées par un courant alternatif de façon à produire des courants induits à la surface 11 du maneton ou du tourillon. L'ensemble de la surface 11 du maneton ou du tourillon peut ainsi être chauffée par le dispositif 10. Après l'opération de chauffage, le maneton ou le tourillon est refroidi par le liquide de refroidissement projeté par les douches 20, 22. Un tel dispositif 10 présente certains inconvénients. Le maneton ou le tourillon est généralement traversé par des canaux permettant la circulation d'huile de lubrification et qui peuvent déboucher à la surface 11 à traiter. Il est alors nécessaire de prévoir une zone de contact entre la touche 16 et la surface 11 suffisamment étendue pour éviter que le maneton ou le tourillon ne vienne en contact avec les spires 12, 14 lorsque la touche 16 recouvre l'extrémité d'un canal débouchant à la surface 11. Pour ce faire, la touche 16 doit s'étendre sensiblement sur toute la longueur axiale du maneton ou du tourillon. Le volume occupée par la touche 16 diminue l'espace disponible pour les demi-spires 12, 14 et par conséquent la zone en regard entre les portions parallèles 12A, 12B, 14A, 14B des demi-spires 12, 14 et la surface ll du maneton ou du tourillon. Ceci limite l'efficacité du chauffage de la surface 11. En outre, le refroidissement de la surface 11 du maneton ou du tourillon est essentiellement assuré par le liquide de trempe projeté par les douches de refroidissement 20, 22. Il s'en suit que le refroidissement n'est pas réalisé à un instant donné de façon homogène sur l'ensemble de la surface 11. Ceci peut entraîner un refroidissement inégal du maneton ou du tourillon et l'apparition de contraintes résiduelles indésirables et qui sont mal maîtrisées. La présente invention propose un dispositif de chauffage par induction ne présentant pas les inconvénients précédemment cités. Plus particulièrement, la présente invention vise un dispositif de chauffage par induction pour le traitement d'une surface à symétrie de révolution d'une pièce mécanique mobile, notamment un maneton ou un tourillon de vilebrequin, pour lequel l'aire des demi-spires d'induction en vis-à-vis de la surface à traiter est supérieure à celle des dispositifs classiques. La présente invention vise également à obtenir un dispositif de chauffage par induction comportant un système de refroidissement amélioré de la surface à traiter. Pour atteindre ces objets, la présente invention prévoit un dispositif de chauffage par induction pour le traitement d'une surface à symétrie de révolution d'une pièce mécanique mobile en rotation autour de son axe comprenant une spire d'induction s'étendant en vis-à-vis et à distance d'une partie de la surface et un système de maintien à distance de la surface par rapport à la spire. La spire comporte deux portions parallèles s'étendant côte à côte selon plus d'un quart d'un cercle coaxial à la surface, le système de maintien étant disposé entre les deux portions de la spire et en contact avec la surface. Selon un mode de réalisation de l'invention, la spire est fixée sur un boîtier constitué d'un isolant thermique et électrique. Selon un mode de réalisation de l'invention, les deux portions parallèles sont reliées à une extrémité par une portion de liaison et se prolongent chacune à l'extrémité opposée par une conduite d'alimentation en courant. Selon un mode de réalisation de l'invention, le système de maintien est constitué d'une plaque plane sensiblement perpendiculaire à l'axe de la pièce mécanique, disposée entre les deux portions parallèles de la spire et en contact avec la surface selon une portion d'un parallèle de la surface. Selon un mode de réalisation de l'invention, le dispositif comprend en outre une buse de refroidissement comportant une chambre intérieure par laquelle est projeté un fluide de refroidissement sur au moins une partie de la surface en vis-à-vis avec la spire, ladite chambre intérieure ayant une section dont au moins une dimension est supérieure au rayon moyen de la surface. Selon un mode de réalisation de l'invention, le système de maintien est fixé à la buse. Selon un mode de réalisation de l'invention, la buse comprend des surfaces d'appui en contact avec les portions parallèles sensiblement au niveau de leurs extrémités. Selon un mode de réalisation de l'invention, le dispositif comprend en outre un élément de concentration du champ magnétique de la spire disposé au moins entre les portions parallèles. Selon un mode de réalisation de l'invention, chaque portion parallèle est en partie entourée d'un élément de concentration du champ magnétique de la spire en forme de U. Selon un mode de réalisation de l'invention, chaque portion parallèle est en partie entourée d'un élément de concentration du champ magnétique de la spire en forme de L Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles: la figure 1, précédemment décrite, représente une coupe schématique de face d'un dispositif classique de chauffage par induction pour le traitement d'une surface à symétrie de révolution; la figure 2, précédemment décrite, représente une coupe du dispositif de la figure 1 selon la ligne II-II; la figure 3 représente une vue schématique de face d'un dispositif de chauffage par induction selon l'invention pour le traitement d'une surface à symétrie de révolution, certains éléments du dispositif n'étant pas représentés; la figure 4 représente une coupe d'une partie du dispositif de la figure 3; la figure 5 représente une coupe d'une partie du dispositif de la figure 3 selon la ligne V-V; la figure 6 représente une coupe du dispositif de la figure 3 selon la ligne VI-VI; la figure 7 représente une vue selon la direction K d'une partie du dispositif de la figure 3; et les figures 8A à 8B représentent des sections de la spire 38 seule selon la ligne VIII-VIII de la figure 1. La figure 3 représente un dispositif 35 de chauffage pour le traitement de la surface 36 d'un maneton ou d'un tourillon représentée par un cercle d'axe H en traits pointillés. Le dispositif 35 comprend un boîtier isolant 37A, 37B constitué d'un matériau isolant thermiquement et électriquement, par exemple de la thermalite 250 (commercialisé par la société Roscheling), ou du mat de verre. Seule une partie 37A du boîtier isolant est représentée en figure 1. Une spire d'induction 38 montée sur le boîtier isolant 37A, 37B s'étend le long d'une partie de la surface 36 du maneton ou du tourillon à distance de celle-ci. La spire 38 est destinée à être traversée par un courant alternatif pour produire un champ magnétique entraînant le développement de courants induits dans le maneton ou le tourillon. Des concentrateurs de champ 39, par exemple constitués de blocs de tôles, peuvent être montés sur la spire 38 pour canaliser les lignes de champ du champ magnétique. Par la suite, on considérera que l'axe H du maneton ou du tourillon 36 est disposé horizontalement, et que le dispositif 35 est placé sur le maneton ou le tourillon selon un plan sensiblement vertical. Le boîtier isolant 37A, 37B comporte deux douches 40, 42 alimentées chacune par un conduit d'apport 44, 46 d'un fluide de trempe, par exemple de l'eau ou de l'eau contenant des additifs. Le boîtier isolant 37A, 37B comprend également deux touches de maintien cylindriques 48, 50 qui s'étendent chacune selon un plan sensiblement horizontal contenant l'axe H et qui sont en contact avec la surface 36 selon une génératrice. La spire 38 est connectée aux bornes d'un générateur de courant alternatif par l'intermédiaire de deux conduites d'alimentation 52A, 52B reliées à un bloc d'alimentation 53 fixé au boîtier isolant 37A, 37B, une seule conduite 52A étant visible en figure 3. La spire 38 comporte une section creuse dans laquelle circule un liquide de refroidissement, par exemple de l'eau, fourni par les deux conduites d'alimentation 52A, 52B. Une conduite d'évacuation 54 reliée à la spire 38 permet l'évacuation du liquide de refroidissement. Une buse 55 de projection d'un fluide de trempe, par exemple de l'eau ou de l'eau contenant des additifs, est fixée au boîtier isolant 37A, 37B. Une touche de maintien 56 en contact avec la surface 36 est montée sur la buse 55 par l'intermédiaire d'une embase 57. La touche 56 est constituée d'une plaque dont le bord en contact avec la surface 36 du maneton ou du tourillon s'étend sensiblement selon un arc de cercle d'axe H. La buse 55 comprend des surfaces d'appui 59, 60 en contact avec la spire 38 pour en faciliter la mise en place et le maintien. Les tôles 39 peuvent également être en appui contre la buse 55 ou, éventuellement, être fixées directement sur la buse 55. La figure 4 représente une coupe d'une partie du dispositif 35, la surface 36 du maneton ou du tourillon, la touche 56 et l'embase 57 n'étant pas représentées. La buse 55 comprend une chambre intérieure 61 reliée à un tube d'alimentation 62 en fluide de trempe traversant le boîtier isolant 37A, 37B. La chambre intérieure 61 comporte une section oblongue dont la longueur L est sensiblement égale au diamètre du maneton ou du tourillon. Un logement 63 est prévu dans la chambre 61 de façon à recevoir l'embase 57. Un évidement 64 est réalisé sur la surface extérieure de la buse 55 et communique avec un évidement 66 réalisé dans le boîtier isolant 37A, 37B. Le conduit d'évacuation 54 relié à la spire 38 est disposé dans les évidements 64, 66. Les figures 5 et 6 représentent une section de la figure 3 respectivement selon les lignes V-V et VI-VI. Sur la figure 5, on a représenté un vilebrequin 68 d'axe G comportant un maneton dont la surface extérieure 36 est à traiter. L'embase 57 comprend une fente 69 recevant la touche 56. L'embase 57 est montée sur la buse 55, par exemple par vissage. Deux trous 72, 73 traversant la buse 55 et l'embase 57 sont réalisés pour l'introduction de vis assurant la fixation de l'embase 57 sur la buse 55 et également le maintien de la touche 56 dans la fente 69. De telles vis permettent de régler la position de la touche 56 par rapport à l'embase 57 de façon à ajuster la distance séparant la surface 36 de la spire 38. Les deux conduites d'alimentation 52A et 52B de la spire 38 sont logées dans un évidement 74 de la buse 55. Les deux conduites d'alimentation 52A, 52B sont séparées par un isolant électrique 76. La figure 7 représente une vue selon la direction K de la spire d'induction 38 et de la touche 56. La spire 38 se divise en deux branches 78A, 78B parallèles qui s'étendent chacune côte à côte pratiquement selon un demi-cercle d'axe H pour se rejoindre à une extrémité par une portion rectiligne 80 qui s'étend sensiblement parallèlement à l'axe H. La conduite d'évacuation 54 rejoint la spire 38 au niveau de la portion rectiligne 80. Chaque branche 78A, 78B est reliée à l'extrémité opposée à la portion 80 à une conduite d'alimentation 52A, 52B. Le procédé de fonctionnement du dispositif 35 de chauffage par induction selon l'invention est le suivant. L'axe H du maneton ou du tourillon étant horizontal, le dispositif 35 est placé selon une position verticale au dessus du maneton ou du tourillon de sorte que la touche 56 s'étende sensiblement selon un plan vertical perpendiculaire à l'axe H. On fait tourner alors le vilebrequin à une vitesse angulaire par exemple de l'ordre de 40 à 60 tours par minute. Le dispositif 35 suit les déplacements du maneton ou du tourillon, la touche 56 glissant sur la surface 36 du maneton ou du tourillon. La spire 38 est traversée par un courant alternatif pour développer un courant induit à la surface 36 du maneton ou du tourillon. Un liquide de refroidissement traverse la spire 38 de façon à la refroidir. Après l'opération de chauffage, le vilebrequin étant toujours en rotation, un fluide de trempe est envoyé par les conduites d'alimentation 44, 46 à travers les douches 40, 42 pour refroidir essentiellement la portion de la surface du maneton ou du tourillon 36 qui n'est pas en vis-à-vis de la spire 38. Simultanément, un fluide de trempe est envoyé dans la buse 55 par le tuyau d'alimentation 62 de façon à s'écouler sensiblement sur la portion de la surface 36 en vis-à-vis de la spire 38. On peut réaliser une étape de chauffage pendant une durée de 10 secondes, suivie par une étape de trempe pendant une durée équivalente ou supérieure. Selon une variante de l'invention, on peut envisager un refroidissement par air, c'est-à-dire par l'introduction d'air dans la buse 55 de façon à obtenir un refroidissement plus lent de la surface 36 du maneton ou du tourillon. Les figures 8A à 8B représentent des sections des branches parallèles 78A, 78B de spire 38 selon la ligne VIIIVIII de la figure 1 mettant en évidence différents agencements possibles des concentrateurs de champ. En figure 8A, chaque branche 78A, 78B est équipée d'un concentrateur de champ en forme de "U" dont la base est du côté de la branche 78A, 78B opposée à la surface cylindrique 36 du maneton ou du tourillon. En figure 8B, chaque branche 78A, 78B est équipée d'un concentrateur de champ en forme de "L" disposé entre les branches 78A, 78B et du côté de la branche 78A, 78B opposée à la surface cylindrique 36 du maneton ou du tourillon. Un tel agencement est particulièrement adapté au traitement de congés qui relient la surface cylindrique 36 du maneton ou du tourillon à des flasques s'étendant dans un plan perpendiculaire à l'axe G du vilebrequin. En figure 8C, chaque branche 78A, 78B est équipée d'un concentrateur de champ en forme de "U" dont la base est située entre les branches 78A, 78B. Un tel agencement est particulièrement adapté au traitement de parois perpendiculaires à l'axe G des flasques qui relient le maneton ou le tourillon au reste du vilebrequin. Les concentrateurs de champ peuvent être répartis sur la totalité ou une portion de la longueur des branches 78A, 78B de la spire. En outre, des concentrateurs de formes différentes peuvent être placés successivement sur la longueur des branches 78A, 78B. La présente invention présente de nombreux avantages. Premièrement, la surface de la spire 38 en regard avec le maneton ou le tourillon est importante dans la mesure o les deux branches de la spire entourent le maneton ou le tourillon pratiquement sur un demi-cercle. Deuxièmement, la buse 55 permet le refroidissement du maneton ou du tourillon dans sa partie supérieure directement en regard de la spire 38 sur une grande surface. La section oblongue de la buse 55 qui s'étend sensiblement sur le diamètre du maneton ou du tourillon permet, en coopération avec les douches 40, 42 d'assurer la projection du fluide de trempe, à un même instant, sensiblement sur l'intégralité de la surface 36 du maneton ou du tourillon. En outre, la buse 55 permet le refroidissement des tôles 39 lorsqu'elles sont présentes. il Troisièmement, la zone de contact entre la touche 56 et le maneton ou le tourillon est suffisamment étendue pour éviter que le maneton ou le tourillon ne vienne en contact avec la spire 38 dans le cas o la touche 56 recouvrerait des canaux de lubrification débouchant à la surface du maneton ou du tourillon. Bien entendu, la présente invention est susceptible de diverses variantes et modifications qui apparaîtront à l'homme de l'art. En particulier, le présent dispositif peut être utilisé pour le traitement de surface de pièces mécaniques autres que des manetons de vilebrequins. Il s'agira, par exemple, de paliers d'arbres quelconques, etc. REVENDICATIONS 1. Dispositif (35) de chauffage par induction pour le traitement d'une surface (36) à symétrie de révolution d'une pièce mécanique mobile en rotation autour de son axe (H) comprenant une spire d'induction (38) s'étendant en vis-à-vis et à distance d'une partie de la surface et un système (56) de maintien à distance de la surface par rapport à la spire, caractérisé en ce que la spire comporte deux portions parallèles (78A, 78B) s'étendant côte à côte selon plus d'un quart d'un cercle coaxial à la surface, le système de maintien étant disposé entre les deux portions de la spire et en contact avec la surface. 2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel la spire (38) est fixée sur un boîtier (37A, 37B) constitué d'un isolant thermique et électrique. 3. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel les deux portions parallèles (78A, 78B) sont reliées à une extrémité par une portion de liaison (80) et se prolongent chacune à l'extrémité opposée par une conduite d'alimentation en courant (52A, 52B). 4. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le système de maintien (56) est constitué d'une plaque plane sensiblement perpendiculaire à l'axe (H) de la pièce mécanique, disposée entre les deux portions parallèles (78A, 78B) de la spire et en contact avec la surface (36) selon une portion d'un parallèle de la surface. 5. Dispositif selon la revendication 1, comprenant en outre une buse (55) de refroidissement comportant une chambre intérieure (61) par laquelle est projeté un fluide de refroidissement sur au moins une partie de la surface (36) en vis-à-vis avec la spire (38), ladite chambre intérieure ayant une section dont au moins une dimension est supérieure au rayon moyen de la surface. 6. Dispositif selon la revendication 5, dans lequel le système de maintien (56) est fixé à la buse (55). 7. Dispositif selon la revendication 5, dans lequel la buse (55) comprend des surfaces d'appui (59, 60) en contact avec les portions parallèles (78A, 78B) sensiblement au niveau de leurs extrémités. 8. Dispositif selon la revendication 1, comprenant en outre un élément (39) de concentration du champ magnétique de la spire (38) disposé au moins entre les portions parallèles (78A, 78B). 9 Dispositif selon la revendication 8, dans lequel chaque portion parallèle (78A, 78B) est en partie entourée d'un élément (39) de concentration du champ magnétique de la spire (38) en forme de U. 10. Dispositif selon la revendication 8, dans lequel chaque portion parallèle (78A, 78B) est en partie entourée d'un élément (39) de concentration du champ magnétique de la spire (38) en forme de L.