Brevet FR2871569A1 — publié le 20051216

CELLULE DE MONTAGE POUR REALISER DES ESSAIS DE FATIGUE SUR DES VILEBREQUINS DE MOTEUR AUTOMOBILE ET MACHINE CORRESPONDANTE L'invention concerne une cellule de montage pour réaliser des essais de fatigue sur des vilebrequins de moteur de véhicule automobile ainsi qu'une machine d'essai pourvue d'une telle cellule de montage. Les essais réalisés sur les vilebrequins sont généralement réalisés en testant un seul motif, ou manivelle, du vilebrequin. La figure 1 représente en vue de face d'une manivelle de vilebrequin 1 formée de deux flasques ou bras de manivelle 2, 3 portant chacun un tourillon 4, 5 respectivement, et reliés par un maneton 6 à une de leur extrémité. Un vilebrequin est formé d'une suite de manivelles dont les tourillons des extrémités sont supportés par les paliers du carter du moteur et de manetons sur lesquels tourillonnent les têtes de bielle de chaque ensemble piston-bielle. Les efforts les plus importants supportés par le vilebrequin sont situés au niveau des gorges 7, ou congés, situées entre le maneton 6 et les tourillons 4 et 5, entre les deux bras de manivelle. Les machines d'essais de fatigue conventionnelles (du type Baldwin) permettent d'appliquer un moment de flexion pur au niveau de ces gorges par l'intermédiaire d'un levier. A cet effet, le maneton 6 et l'un des tourillons 5 d'une manivelle sont encastrés de manière à être immobilisés, et l'extrémité d'un bras est introduite dans l'autre tourillon 4. Une force est appliquée à l'extrémité libre du bras de manière à ouvrir le motif de vilebrequin suivant la flèche F représentée sur la figure 1. En raison de l'effet de levier exercé par le bras, il suffit d'exercer une force faible pour ouvrir le motif. Cet essai standard peut ainsi être réalisé rapidement, par exemple à une fréquence de 30Hz. Toutefois, le résultat obtenu n'est pas exploitable directement car la gorge testée n'est pas sollicitée de la même manière qu'en fonctionnement réel. En effet, la gorge est soumise à un moment pur alors qu'en fonctionnement sur moteur elle subit simultanément un moment et un effort tranchant exercés par la tête de bielle sur le maneton. L'exploitation des résultats nécessite alors des calculs en éléments finis afin d'évaluer la tenue en fatigue du vilebrequin, et le test de nombreux motifs de vilebrequins, de l'ordre d'une quinzaine, afin d'aboutir à la limite de fatigue du vilebrequin. 2871569 2 L'invention vise à pallier ces inconvénients en proposant une cellule de montage permettant de tester en fatigue une manivelle de vilebrequin dans des conditions proches des conditions réelles et de diminuer le nombre d'essais. A cet effet, l'objet de l'invention concerne une cellule de montage pour tester la fatigue d'une manivelle de vilebrequin pour moteur de véhicule automobile, la manivelle comprenant deux bras de manivelle portant chacun un tourillon et reliés par un maneton, caractérisée en ce qu'elle comprend trois supports distincts de la manivelle: - un support central comprenant une plaque de fixation destinée à être reliée rigidement à une cellule d'effort d'une machine d'essai, et une partie pourvue d'un palier de support du maneton, et - deux supports latéraux semblables comprenant chacun une plaque de fixation, destinée à être reliée rigidement au socle de la machine d'essai, et une traverse horizontale supportant un palier de support d'un tourillon, et en ce que chaque palier de tourillon est suspendu à la traverse du support latéral par l'intermédiaire d'au moins deux montants flexibles par rapport à un plan de flexion perpendiculaire aux axes des tourillons et du maneton, les montants flexibles étant disposés de manière symétrique par rapport à un plan vertical passant par l'axe du tourillon correspondant. Les tourillons de la manivelle reposent ainsi sur des paliers d'une manière similaire au montage sur moteur. La cellule de montage permet la flexion des paliers de support de la manivelle du vilebrequin tout en maintenant la manivelle dans un plan vertical orthogonal au plan de flexion. L'effort appliqué sur la manivelle est ainsi représentatif, en amplitude et en rapport de charge, de l'effort exercé sur la manivelle en fonctionnement moteur. En effet, la manivelle peut être testée exactement au même chargement et dans des conditions très proches de celles sur moteur. Les résultats des essais sont ainsi utilisables directement, sans calcul en éléments finis, et seuls deux ou trois manivelles doivent être testées afin d'obtenir la limite à la fatigue. Cette économie du nombre de manivelles à tester est appréciable, notamment lorsqu'il s'agit de manivelles prototypes. Le montage présente également l'avantage de permettre de faire varier le rapport de charge R (R = charge minimale / charge maximale) 2871569 3 entre -1 et 1. Il est ainsi possible de tester la manivelle avec un rapport de charge R négatif, correspondant à des efforts en traction et compression subis par la gorge du vilebrequin, ou avec un rapport R positif, correspondant uniquement à des efforts en traction. Un essai en faisant varier le rapport R dans une plage de valeur est possible, ce qui permet de reproduire des conditions de changements de régime d'un moteur. Au contraire, le montage classique ne permet de tester que des valeurs ponctuelles de R (généralement R = -1 ou 0), et ne permet donc pas d'effectuer des tests correspondants à divers régimes de fonctionnement du moteur. Avantageusement, chaque support est pourvu d'une lame de flexion située à proximité de sa fixation à la cellule d'effort ou au socle de la machine, les lames de flexion des supports étant parallèles entre elles de manière à permettre une flexion des supports dans des plans parallèles aux plans de flexion des paliers de tourillon. Ainsi, la flexion des paliers est supportée à la fois par les montants et les lames de flexion, ce qui permet de limiter l'effort de flexion supporté par les montants. Avantageusement, les montants flexibles sont solidarisés au support latéral et au palier de tourillon de manière amovible. Le montage de la manivelle dans la cellule de montage peut ainsi être facilement réalisé. Une telle fixation amovible permet également une modularité de la cellule de montage en permettant de monter différents paliers de tourillon selon les essais en fonction des dimensions des tourillons des manivelles à tester. Avantageusement, chaque support latéral présente une partie en forme de U dont les extrémités libres sont reliées rigidement de manière amovible ou non à la traverse à laquelle est suspendue le palier de tourillon. Le support présente ainsi une forme simple facile à réaliser. Avantageusement, les paliers de support sont maintenus serrés autour du maneton ou des tourillons par au moins une vis. Un serrage simple et rapide est ainsi obtenu. Encore plus avantageusement, chaque palier de tourillon est formé d'un collier maintenu fermé par une vis, pourvu de pattes saillant latéralement parallèlement à la traverse dans un même plan pour la fixation des montants flexibles. 2871569 4 L'invention concerne également une machine pour réaliser des essais de fatigue sur des manivelles de vilebrequin comportant un socle au dessus duquel est suspendue une cellule d'effort réglable en hauteur et reliée à un système de commande, et une cellule de montage selon l'invention, la cellule d'effort étant solidarisée à la plaque de fixation du support central afin d'exercer une pression ou une traction sur ce dernier, les plaques de fixation des supports latéraux étant fixés sur le socle. Avantageusement, le socle est rainuré pour le réglage de la fixation des supports latéraux. Avantageusement, la machine est pourvue d'un dispositif de sécurité comportant un cadre fixé sur le socle autour de la cellule de montage et limitant mécaniquement le déplacement des supports latéraux en cas de rupture de la manivelle et/ ou au moins un capteur de déplacement relié au système de commande pour un arrêt automatique de l'essai lors d'un déplacement excessif des paliers de tourillon dû à la rupture de la manivelle. L'invention est maintenant décrite en référence aux dessins annexés, non limitatifs, dans lesquels: - la figure 1 est une vue de face d'une manivelle de vilebrequin; - la figure 2 est une représentation en perspective d'une cellule de montage selon l'invention; - la figure 3 est une représentation en perspective en coupe transversale de la cellule de la figure 2; - la figure 4 est une vue en perspective éclatée du support central de la cellule représentée figure 2; - la figure 5 est une vue en perspective d'un palier de tourillon d'un support latéral de la cellule de montage représentée figure 2; - La figure 6 représente en perspective le socle d'une machine d'essai ainsi que sa cellule d'effort et une cellule de montage montée autour de laquelle est placée un système de sécurité. La figure 2 représente une cellule de montage 10 pour tester en fatigue une manivelle de vilebrequin 1. Afin de simplifier la description, on considère que les axes du maneton et des tourillons de la manivelle sont parallèles à une direction X faisant partie d'un repère orthogonal 25 2871569 5 (X, Y, Z). La cellule de montage est décrite dans sa position de montage correspondant à cette orientation de la manivelle. La cellule de montage 10 comprend trois supports distincts 11, 12, 13 pour supporter la manivelle à tester. Un premier support central 11 est constitué de deux plaques orthogonales 14, 15 solidarisées de sorte que la section du support présente une forme de T (figure 4). La plaque de fixation 14, qui s'étend sensiblement horizontalement, est pourvue d'orifices 16 pour le passage de vis de fixation. L'autre plaque 15, est pourvue d'un palier de support de maneton 17. Ce palier 17 est agencé pour un montage du maneton tel que l'axe du maneton soit perpendiculaire au plan de la plaque 15. Dans l'exemple, la plaque 15 s'étend dans un plan vertical perpendiculaire à la direction X. A proximité de la plaque de fixation 14, la plaque 15 présente sur toute sa longueur, dans la direction Y, parallèlement à ses faces latérales et à une distance constante de la plaque 14, une zone amincie formant une lame flexible 18. Cette lame permet une flexion du support central par rapport au plan de symétrie vertical P1 de la plaque 15. Afin de permettre l'introduction du maneton dans le palier de maneton 17, la plaque 15 est formée d'une partie supérieure 15a et d'une partie inférieure 15b assemblées de manière amovible et dont les surfaces en visà-vis forment le cylindre 17 qui va être serré sur le pourtour du maneton. Dans l'exemple, des orifices 19 d'axe Z sont ménagés sur les deux parties 15a et 15b afin de permettre leur assemblage par vissage. Deux supports latéraux identiques 12 et 13 sont placés de part et d'autre du support central 11. Chaque support latéral est formé d'une plaque de fixation 20 et d'une partie en U 21 s'étendant dans un plan orthogonal à la plaque de fixation. Cette dernière est similaire à la plaque de fixation 14 du support central 11, et présente des orifices 22 pour le passage de vis de fixation ou similaire. Chaque support latéral est orienté de sorte que sa plaque de fixation soit horizontale, et que les parties en U soient dans des plans verticaux perpendiculaires à la direction X. Les plaques de fixation sont en outre situées dans un même plan horizontal (figures 2 et 3). 2871569 6 La base de la partie en U 21 est solidarisée à la plaque de fixation 20 suivant la longueur de celle-ci (dans la direction Y), par l'intermédiaire d'une zone amincie formant une lame flexible 23 semblable à la lame flexible 18 du support central 11. Chaque support latéral 12, 13 est ainsi flexible par rapport à un plan de symétrie vertical parallèle au plan YZ (et au plan Pl). Les extrémités libres de la partie en U 21, dirigées du côté opposé à la plaque de fixation 20, sont reliées par une traverse 24. Ces extrémités et la traverse présentent des orifices correspondants 25 pour le passage de vis de fixation. Cette traverse supporte un palier de support de tourillon 26 lequel est suspendu à la traverse par des montants 27. Le palier de tourillon 26, représenté figure 5, est formé d'un cylindre ouvert 28 d'axe parallèle à la direction X, dont les extrémités en vis-àvis sont pourvues de pattes saillant radialement en vis-à-vis 29. Un orifice 30 traversant les deux pattes permet de les serrer l'une contre l'autre, par exemple par vissage. Le cylindre peut ainsi être maintenu serré autour d'un tourillon à la manière d'un collier. Le cylindre 28 est en outre pourvu de pattes 31 saillant vers l'extérieur dans des directions opposées parallèlement à la traverse 24, c'est-à-dire parallèlement à la direction Y, symétriques par rapport à un plan vertical passant par l'axe du cylindre 28. Ces pattes 31 présentent des orifices 32 de manière à permettre la fixation, par exemple par vissage, des montants 27. Chaque montant est ainsi fixé à l'une de ces extrémités à une patte 31 et à son extrémité opposée à la traverse 24, de manière à s'étendre suivant l'axe Z. Chaque montant 27 présente sensiblement en son centre une zone amincie formant une lame flexible 33 parallèle au plan YZ (figure 3). Les montants 27 sont montés de sorte que les plans des lames flexibles des montants et du support latéral correspondant soient confondus. Le palier de tourillon 26, les montants 27, la traverse 24 et la partie en U 21 de chaque support latéral sont agencés de sorte que le support latéral présente deux plans de symétrie verticaux orthogonaux. La cellule de montage est réalisée en acier, et de préférence, les montants 27 sont grenaillés. Il est préférable d'apporter une attention 2871569 7 particulière à l'usinage des lames de flexion et des montants afin d'éviter la formation de zones de concentration des contraintes. La cellule de montage selon l'invention peut être montée sur une machine d'essai pourvue d'un socle 34, de préférence pourvu de rainures, et d'une cellule d'effort 35 réglable en hauteur et reliée à un système de commande non représenté, tel que visible sur la figure 6. Le montage peut être réalisé de la manière suivante (un ordre différent pouvant toutefois être suivi). Le maneton de la manivelle est inséré dans le palier de maneton du support central 11 et maintenu serré dans ce dernier par vissage. La plaque de fixation de ce support est vissée sur la cellule d'effort 35 de la machine. Les tourillons de la manivelle à tester sont insérés dans les paliers de tourillon et maintenus serrés dans ces derniers par vissage. Les montants 27 sont ensuite fixés rigidement sur les paliers de tourillon 26 puis sur la traverse 24, par exemple par des vis. La traverse 24 est ensuite fixée à son tour sur la partie en U 21 du support latéral, également par des vis de serrage. Les plaques de fixation des supports latéraux sont alors fixées sur le socle 34 de la machine dont les rainures permettent de régler la position. Les plaques de fixation sont fixées sur le socle et la cellule de manière à ce qu'aucun effort ne soit appliqué sur la manivelle. L'essai de fatigue peut ensuite commencer en appliquant un effort de traction ou de compression au centre du maneton de la manivelle par l'intermédiaire de la cellule d'effort 35. Cet effort est repris au niveau des paliers des tourillons. La flexion de ces derniers est possible grâce aux montants 27 et lames de flexion 23 qui maintiennent les paliers et empêchent la rotation de la manivelle autour de son axe. Un système de sécurité, représenté sur la figure 6, est prévu sur la machine autour de la cellule de montage afin de détecter le début de la rupture du vilebrequin et l'arrêt automatique de l'essai. A cet effet, le système de sécurité comprend deux cadres 36 identiques, de préférence en acier, placés verticalement de part et d'autre de la cellule de montage, parallèlement aux supports latéraux et à proximité de ceux-ci. Le côté horizontal inférieur 37 de chaque cadre est fixé sur le socle 35 de la machine le long d'un support latéral de la cellule, tandis que le côté horizontal supérieur 38 est situé sensiblement à hauteur des paliers de tourillon des supports latéraux. Les deux cadres sont reliés 2871569 8 entre eux au niveau de leur côté supérieur 38 de part et d'autre de la cellule de montage par des tiges vissées 39. Des capteurs de déplacements (non représentés), supportés par les côtés supérieurs 38 et/ ou les tiges 39, permettent de détecter un déplacement trop rapide des paliers de tourillon significatif d'un début de rupture de la pièce. Le système de commande auquel sont reliés les capteurs commande alors l'arrêt de l'essai lorsque cette vitesse de déplacement dépasse une valeur seuil prédéterminée. Par ailleurs, en cas de rupture totale de la pièce, le cadre retient mécaniquement les différentes parties de la cellule. Dans une variante non représentée, le cadre est prévu modulable. A cet effet, son côté supérieur 38 est fixé par des vis sur les montants du cadre 36, lesquels présentent des orifices à différentes hauteurs afin de pouvoir régler en hauteur la position du côté supérieur 38. La géométrie du cadre peut ainsi être choisie en fonction des différentes dimensions de manivelles à tester. La conception en trois parties distinctes de la cellule de montage ainsi que la modularité du montage permet de tester des manivelles de vilebrequin en V ou en ligne de dimensions différentes (épaisseur du bras, diamètre du maneton, diamètre du tourillon, rayon de manivelle, longueur du maneton, longueur du tourillon, etc.) en utilisant des pièces d'adaptation facilement interchangeables (différents paliers de tourillon ou de maneton, ...). 2871569 9 REVENDICATIONS 1. Cellule de montage pour tester la fatigue d'une manivelle de vilebrequin pour moteur de véhicule automobile, la manivelle comprenant deux bras de manivelle portant chacun un tourillon et reliés par un maneton, caractérisée en ce qu'elle comprend trois supports distincts de la manivelle: - un support central (11) comprenant une plaque de fixation (14) destinée à être reliée rigidement à une cellule d'effort d'une machine d'essai, et une partie (15) pourvue d'un palier de support du maneton (17), et - deux supports latéraux semblables (12, 13) comprenant chacun une plaque de fixation (20), destinée à être reliée rigidement au socle de la machine d'essai, et une traverse horizontale (24) supportant un palier de support d'un tourillon (26), et en ce que chaque palier de tourillon (26) est suspendu à la traverse (24) du support latéral par l'intermédiaire d'au moins deux montants (27) flexibles par rapport à un plan de flexion perpendiculaire aux axes des tourillons et du maneton, les montants flexibles (27) étant disposés de manière symétrique par rapport à un plan vertical passant par l'axe du tourillon correspondant. 2. Cellule de montage selon la revendication 1, caractérisée en ce que chaque support (11, 12, 13) est pourvu d'une lame de flexion (18, 23, 23) située à proximité de sa fixation à la cellule d'effort ou au socle de la machine, les lames de flexion des supports étant parallèles entre elles de manière à permettre une flexion des supports dans des plans parallèles aux plans de flexion des paliers de tourillon. 3. Cellule de montage selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que les montants flexibles (27) sont solidarisés au support latéral et au palier de tourillon de manière amovible. 4. Cellule de montage selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que chaque support latéral (12, 13) présente une partie en forme de U (21) dont les extrémités libres sont reliées rigidement de manière amovible ou non à la traverse (24) à laquelle est suspendue le palier de tourillon (26). 5. Cellule de montage selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que les paliers de support (17, 26) sont maintenus serrés autour du maneton ou des tourillons par au moins une vis. 2871569 10 6. Cellule de montage selon la revendication 5, caractérisée en ce que chaque palier de tourillon (26) est formé d'un collier maintenu fermé par une vis, pourvu de pattes (31) saillant latéralement parallèlement à la traverse (24) dans un même plan pour la fixation des montants flexibles. 7. Machine pour réaliser des essais de fatigue sur des manivelles de vilebrequins comportant un socle (34) au dessus duquel est suspendue une cellule d'effort (35) réglable en hauteur et reliée à un système de commande, et une cellule de montage (10) selon l'une des revendications précédentes, la cellule d'effort étant solidarisée à la plaque de fixation (14) du support central afin d'exercer une pression ou une traction sur ce dernier, les plaques de fixation (20) des supports latéraux étant fixés sur le socle. 8. Machine selon la revendication 7 dans laquelle le socle est rainuré pour le réglage de la fixation des supports latéraux. 9. Machine selon la revendication 7 ou 8 pourvue d'un dispositif de sécurité comportant un cadre (36) fixé sur le socle autour de la cellule de montage (10) et limitant mécaniquement le déplacement des supports latéraux (12, 13) en cas de rupture de la manivelle et/ ou au moins un capteur de déplacement relié au système de commande pour un arrêt automatique de l'essai lors d'un déplacement excessif des paliers de tourillon (26) dû à la rupture de la manivelle.