Brevet FR2847314A1 — publié le 20040521

"Vilebrequin de moteur à combustion interne, notamment de véhicule automobile" La présente invention concerne un vilebrequin de moteur à combustion interne, notamment de véhicule automobile. Les vilebrequins sont des pièces mécaniques se présentant sous la forme d'arbres qui assurent la transformation du mouvement rectiligne alternatif de l'ensemble pistons-bielles d'un moteur à combustion interne, en une rotation. Chaque type de vilebrequin est dimensionné au plus juste afin d'optimiser les performances et l'encombrement du moteur associé, et sa forme et ses dimensions dépendent du nombre de cylindres, du nombre de paliers, de la course, de la disposition des cylindres et de l'ordre d'allumage. Le vilebrequin est l'une des pièces les plus sollicitées du moteur, ces sollicitations en torsion, en flexion, et en vibration torsionnelle impliquent en outre des problèmes de tenue en fatigue, ainsi que des contraintes de fabrication importantes, en particulier pour les tolérances dimensionnelles et géométriques. Les vilebrequins peuvent être réalisés en plusieurs parties mais ils sont le plus souvent réalisés en une seule pièce par forgeage ou moulage, et subissent ensuite différentes opérations dont des opérations précises d'usinage. L'invention concerne plus particulièrement un vilebrequin de moteur à combustion interne, notamment de véhicule automobile, comportant d'une part des bras de manivelle s'étendant globalement radialement et délimités axialement par des faces latérales globalement perpendiculaires à l'axe de rotation du vilebrequin et, d'autre part, des tronçons cylindriques dont chacun s'étend axialement à partir d'au moins une face latérale d'un bras de manivelle et est délimité par une surface cylindrique convexe usinée qui définit, avec ladite face latérale une zone annulaire de raccordement. Les tronçons cylindriques sont soit des manetons que comporte le vilebrequin pour le montage à rotation d'une bielle, soit des tourillons que comporte le vilebrequin pour son montage à rotation. Lorsqu'un tel vilebrequin est réalisé en une seule pièce, les zones annulaires de raccordement entre les surfaces cylindriques s convexes usinées des tronçons cylindriques, tels que des manetons ou des tourillons, et les faces latérales des bras de manivelle comportent des congés toriques de manière à permettre entre autre un usinage de ces surfaces cylindriques convexes, sans interférence avec les faces latérales des bras. De plus, on a pu déterminer que ces zones de raccordement et plus particulièrement la zone autour des congés toriques d'usinage, est une des zones du vilebrequin dans laquelle les contraintes mécaniques sont les plus élevées. La fiabilité et la qualité du vilebrequin dépendent donc pour partie de la bonne tenue à la fatigue du vilebrequin dans ces zones de raccordement. Un vilebrequin de moteur à combustion interne comportant une partie venue de forge en une pièce et constituée par un tronçon cylindrique, ici un maneton, solidaire de deux bras de manivelle, est par exemple décrit dans le document EP-A-0.679.229. Dans ce document, le vilebrequin comporte au voisinage des zones de raccordement de la surface cylindrique convexe du maneton avec les faces latérales des bras de manivelle, d'une part des congés toriques d'usinage et, d'autre part, des chanfreins de décharge qui sont réalisés dans les bras de manivelle de manière à réduire les contraintes mécaniques s'exerçant dans ces bras de manivelle. Néanmoins, ces chanfreins de décharge formés dans les bras sont éloignés de la zone de raccordement avec la surface cylindrique convexe du maneton, ou plus précisément des congés d'usinage dans lesquels les contraintes mécaniques sont les plus élevées et, de ce fait, ils ne réduisent que faiblement les contraintes dans ces zones. De plus, il est particulièrement difficile de pouvoir optimiser la forme et le positionnement de ces chanfreins de décharge du fait de leur réalisation dans les faces latérales des bras de manivelle, dans des zones difficiles d'accès. L'invention vise donc à remédier aux inconvénients susnommés et à améliorer d'une manière générale la fiabilité d'un vilebrequin de moteur à combustion. Dans ce but, l'invention propose un vilebrequin du type décrit précédemment, caractérisé en ce que la surface cylindrique convexe usinée d'au moins un tronçon comporte au moins une entaille de décharge des contraintes mécaniques qui s'exercent dans la zone de raccordement adjacente à l'entaille. De préférence, la position de l'entaille de décharge est déterminée par calcul en fonction des paramètres du vilebrequin et du moteur, ainsi que des contraintes maximales s'exerçant dans la zone de raccordement. Grâce aux entailles de décharge selon l'invention, on diminue sensiblement le niveau de contrainte s'exerçant dans les zones de raccordement des tronçons cylindriques, c'est à dire des manetons et des tourillons, ce qui permet pour une même tenue en fatigue d'un vilebrequin, de réduire le diamètres des tronçons cylindriques. Avantageusement, cette réduction du diamètre des manetons et/ou des tourillons se traduit d'une part, par une réduction des frottements qui contribue à l'amélioration des performances du moteur et, d'autre part, par une réduction du poids du vilebrequin et des efforts d'inertie, ce qui contribue à l'amélioration de l'acoustique du moteur. Selon d'autres caractéristiques de l'invention - la surface cylindrique convexe usinée d'un tronçon comporte au moins une entaille de décharge des contraintes associée à chacune des zones de raccordement du tronçon avec une face latérale d'un bras de manivelle; - chaque entaille de décharge s'étend globalement dans un plan radial du tronçon; - l'entaille de décharge est symétrique axialement par rapport au plan radial du tronçon; - la génératrice de l'entaille de décharge est rectiligne - la génératrice de l'entaille de décharge est circulaire, de manière à constituer une gorge radiale; - l'entaille de décharge des contraintes est traitée de manière physico-chimique, de manière à renforcer la tenue à la io fatigue du vilebrequin; - le tronçon est un maneton que comporte le vilebrequin pour le montage à rotation d'une bielle; - le tronçon est un tourillon que comporte le vilebrequin pour son montage à rotation; - l'entaille de décharge des contraintes s'étend angulairement de part et d'autre d'un plan, dit plan de contraintes maximales. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit pour la compréhension de laquelle on se reportera aux dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 est une vue en latérale d'un vilebrequin d'un moteur à combustion interne à quatre cylindres; - la figure 2 est une vue en coupe axiale selon le plan 2-2 de la figure 1 qui illustre les entailles de décharge des contraintes mécaniques réalisées selon l'invention, aux extrémités axiales d'un maneton; - la figure 3 est une vue en coupe transversale selon le plan 3 de la figure 1 d'une portion d'un tronçon cylindrique qui illustre une variante de réalisation d'une entaille de décharge des contraintes mécaniques; - la figure 4 est une vue analogue à celle de la figure 3, qui illustre une autre variante de réalisation d'une entaille de décharge des contraintes mécaniques. Dans la suite de la description on utilisera arbitrairement un orientation d'avant en arrière suivant l'axe de rotation X-X du vilebrequin qui correspond à une orientation de gauche à droite en considérant la figure 1. A la figure 1, le vilebrequin 10 est plus précisément un vilebrequin pour un moteur à quatre cylindres qui comporte cinq tourillons 12 qui se trouvent dans l'axe du vilebrequin et qui permettent à l'arbre de reposer sur des paliers (non représentés) au moyen desquels il est monté en rotation dans un carter. Le vilebrequin 10 comporte aussi quatre manetons 14 excentrés d'axe Y-Y parallèle à l'axe de rotation du vilebrequin et sur chacun desquels vient s'articuler une bielle (non représentée). Les tourillons 12 et les manetons 14 sont donc reliés les uns aux autres par des bras de manivelle 20 encore parfois appelés coudes. Le vilebrequin 10 comporte aussi quatre contre-poids 22 afin d'assurer l'équilibre des masses du vilebrequin par rapport à son axe de rotation avec les quatre manetons 14 et les huit bras qui les excentrent de l'axe de rotation du vilebrequin. Ainsi chaque maneton 14 s'étend axialement entre deux bras de manivelle 20, de même que chaque tourillon 12 qui s'étend soit entre deux bras 20, soit entre un bras 20 et un tronçon d'extrémité arrière 13 du vilebrequin ou une embase 15 du tronçon d'extrémité avant 11. Le vilebrequin 10 est ici du type réalisé en une pièce venue de forge ou de fonderie de telle sorte que les zones de raccordement 30 des manetons 14 et des tourillons 12 avec les faces latérales 26 respectives des bras de manivelle 20 comportent des congés cylindriques annulaires 32 pour permettre l'usinage des surfaces cylindriques convexes 34 des manetons 14 et des tourillons 12. Ce vilebrequin 10 comporte un tronçon cylindrique d'extrémité axiale avant 11 et un tronçon cylindrique d'extrémité axiale arrière 13 qui sont coaxiaux à l'axe de rotation X-X du vilebrequin. Le tronçon avant 11 est prévu ici pour être monté dans le moteur du côté du volant moteur, alors que le tronçon arrière 13 est prévu ici pour être monté dans le moteur du côté de la distribution, c'est à dire que le tronçon arrière 13 est prévu pour porter le pignon d'entraînement des arbres à cames du moteur (non représenté). Le tronçon avant 11 forme ici avantageusement un pion de centrage du vilebrequin 10 dans un trou complémentaire que comporte le volant moteur (non représenté). Le vilebrequin 10 comporte aussi à son extrémité axiale avant 11, en retrait axialement vers l'arrière par rapport au tronçon avant, une embase 15 qui a la forme d'une couronne annulaire cylindrique. Cette embase 15 est prévue pour être en appui axial, par sa face transversale avant, contre la face transversale arrière du volant moteur, de manière à permettre la fixation du volant moteur au vilebrequin 10, par exemple par vissage. La figure 2 est une vue en coupe axiale d'un tronçon cylindrique, tel qu'un maneton 14 ou un tourillon 12 du vilebrequin , dont la surface cylindrique convexe usinée 34 comporte, conformément à l'invention, au moins une entaille de décharge 40 des contraintes mécaniques s'exerçant dans la zone de raccordement 30 adjacente à l'entaille 40. Selon un premier exemple de réalisation, la surface cylindrique convexe usinée 34 du tronçon cylindrique, ici un maneton 14, comporte une entaille de décharge 40 des contraintes associée à chacune des deux zones de raccordement 30 du maneton 14 avec les faces latérales 26 des deux bras de manivelle 20 adjacents. Les zones de raccordement 30 sont ici constituées plus précisément par des congés d'usinage 32, ayant en coupe axiale une forme globalement circulaire et sur le pourtour desquels se répartissent les contraintes mécaniques maximales. Grâce aux entailles de décharge 40, les contraintes mécaniques se répartissent entre les congés d'usinage 32 comme auparavant mais aussi dans la surface cylindrique convexe, plus précisément autour des entailles 40. Les contraintes mécaniques sont ainsi mieux réparties et la zone de raccordement 30 est moins sollicitée. Les paramètres tels que la longueur de l'entaille (1), la profondeur radiale (e), la distance axiale (d) entre l'entaille 40 et le congé torique 32 pour son positionnement axial sur la surface cylindrique convexe 34, ainsi que la forme ou profil de l'entaille sont obtenus par calcul et directement fonction d'autres paramètres tels que le type du moteur. De préférence, chaque entaille de décharge 40 s'étend globalement dans un plan radial à la surface cylindrique convexe 34 et symétriquement de part et d'autre de ce plan. Comme illustré aux figures 3 et 4, la forme de l'entaille 40 peut être différente selon les applications. Ainsi la figure 3 illustre une variante de réalisation selon laquelle la génératrice de l'entaille de décharge 40 des contraintes est rectiligne, tandis que la figure 4 illustre une autre variante selon laquelle la génératrice est circulaire de manière à constituer un tronçon angulaire d'une gorge radiale. En variante, les entailles de décharge 40 sont des gorges annulaires cylindriques. Bien entendu, pour une meilleure tenue en fatigue, les entailles de décharge 40 des contraintes peuvent avantageusement subir des traitements, tels que des traitements physico-chimiques, notamment en vue de les renforcer, ainsi que le vilebrequin d'une manière générale. Ainsi qu'on l'aura compris, les entailles de décharge 40 des contraintes peuvent être réalisées indifféremment dans les manetons 14 et/ou les tourillons 12 du vilebrequin 10. Dans le cas d'un bras de manivelle comportant axialement de part et d'autre deux tronçons, par exemple un maneton et un tourillon, et pour lequel des entailles de décharge 40 sont réalisées dans les manetons 14, le plan de contrainte maximal est un plan passant par l'axe du maneton et formant un angle (a) avec le plan passant lui par les axes respectifs des deux tronçons, la valeur de cet angle (a) étant fonction du type de moteur. Dans le cas d'un bras de manivelle comportant axialement de part et d'autre deux tronçons, par exemple un maneton et un tourillon, et pour lequel des entailles de décharge 40 sont réalisées dans les tourillons 12, le plan de contrainte maximal est un plan passant par l'axe du tourillon et formant un angle (/3) avec le plan passant lui par les axes respectifs des deux tronçons, la valeur de cet angle (,8) étant fonction du type de moteur. Selon le type de vilebrequin, l'angle (,/) peut être différent de l'angle (a). Bien entendu, l'invention s'applique à tout type de vilebrequin 10, quelque soit le moteur, par exemple un moteur à cylindres en ligne ou en V. REVENDICATIONS 1. Vilebrequin (10) de moteur à combustion interne, notamment de véhicule automobile, comportant d'une part des bras de manivelle (20) s'étendant globalement radialement et délimités axialement par des faces latérales (26) globalement perpendiculaires à l'axe de rotation du vilebrequin (10) et, d'autre part, des tronçons cylindriques (12, 14) dont chacun s'étend axialement à partir d'au moins une face latérale (26) d'un bras de manivelle (20) et est délimité par une surface cylindrique convexe usinée (34) qui définit, avec ladite face latérale (26), une zone annulaire de raccordement (30), caractérisé en ce que la surface cylindrique convexe usinée (34) d'au moins un tronçon (12, 14) comporte au moins une entaille de décharge (40) des contraintes mécaniques qui s'exercent dans la zone de raccordement (30) adjacente à l'entaille (40). 2. Vilebrequin (10) selon la revendication 1, caractérisé en ce que la surface cylindrique convexe usinée (34) d'un tronçon (12, 14) comporte au moins une entaille de décharge (40) des contraintes associée à chacune des zones de raccordement (30) du tronçon (12, 14) avec une face latérale (26) d'un bras de manivelle (20). 3. Vilebrequin (10) selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que chaque entaille de décharge (40) s'étend globalement dans un plan radial du tronçon (12, 14). 4. Vilebrequin (10) selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'entaille de décharge (40) est symétrique axialement par rapport au plan radial du tronçon (12, 14). 5. Vilebrequin (10) selon les revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que la génératrice de l'entaille de décharge (40) est rectiligne. 6. Vilebrequin (10) selon les revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que la génératrice de l'entaille de décharge (40) est circulaire, de manière à constituer une gorge radiale. 7. Vilebrequin (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'entaille de décharge (40) des contraintes est traitée de manière physicochimique, de manière à renforcer la tenue à la fatigue du vilebrequin. 8. Vilebrequin (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le tronçon est un maneton (14) que comporte le vilebrequin pour le montage à rotation d'une bielle. 9. Vilebrequin (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le tronçon est un tourillon (12) que comporte le vilebrequin pour son montage à rotation. 10. Vilebrequin (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'entaille de décharge (40) des contraintes s'étend angulairement de part et d'autre d'un plan, dit plan de contraintes maximales.