Brevet FR2885187A1 — publié le 20061103

Vilebrequin avec gorge permettant de réduire les contraintes, notamment de véhicule automobile La présente invention se rapporte au domaine des vilebrequins, notamment de véhicule automobile et plus particulièrement aux réductions 5 des contraintes dans les gorges des manetons et des tourillons de ces vilebrequins. 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 io paliers, de la course, de la disposition des cylindres et de l'ordre d'allumage. 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. is 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 convexes usinées des tronçons cylindriques, tels que des manetons ou des tourillons, et les faces latérales des bras de manivelle comportent des congés toriques io 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. Les gorges des manetons que comporte le vilebrequin pour le montage à rotation d'une bielle, et des tourillons que comporte le vilebrequin pour son montage à rotation, sont les zones fusibles par rapport à la tenue en fatigue d'un vilebrequin. Les contraintes dans ces gorges peuvent être très élevées (surtout pour les récents moteurs Turbo Diesel). Les conséquences néfastes de cet état de fait peuvent être: - la limitation des pressions de combustion dans les cylindres, et donc la limitation des performances du moteur; - l'augmentation des diamètres des manetons, des tourillons et l'épaisseur des bras afin d'assurer la tenue en fatigue. II en résulte une augmentation des pertes d'énergies par frottement, une augmentation de la masse du vilebrequin, une augmentation de la masse de la bielle ce qui a des conséquences néfastes sur l'acoustique. Classiquement, dans l'art antérieur connu, pour résoudre ces problèmes, les gorges du vilebrequin sont renforcées en fatigue par l'un des deux traitements suivants: - le galetage: au cours du galetage, la déformation plastique superficielle est obtenue en appliquant une force suffisante sur des galets qui rouleront sur la pièce ébauchée. On écrase ainsi le métal en surface et on développe après décharge des contraintes résiduelles de compression. Ces procédés sont très utilisés pour renforcer les pièces qui comportent des concentrations de contraintes (gorge de manetons de vilebrequin, roue dentée, filets de boulonnerie, arbre entaillé..). - le traitement thermique: ce procédé s'applique aux vilebrequins à congés. II consiste à chauffer thermiquement les zones à renforcer puis à io effectuer une trempe immédiate pour transformer le matériau chauffé en martensite beaucoup plus résistante en fatigue. En plus de ces deux traitements indispensables, la géométrie de la zone la plus contrainte de la gorge du vilebrequin peut être modifiée pour diminuer les contraintes comme cela est décrit dans le brevet RENAULT FR 2 847 314 qui propose de diminuer les contraintes en plaçant des gorges de décharge sur les manetons et les tourillons, ou dans le brevet MAN (DE 100 62 769) qui lui propose de diminuer les contraintes en plaçant des gorges de décharge dans le bras du vilebrequin. L'invention divulguée par ce brevet MAN comprend en plus des gorges de décharge sur une face, une face opposée, à celle comportant les gorges, entièrement plane ne comportant aucune gorge ou entaille. Le vilebrequin de ce brevet ne comporte pas de zone annulaire de raccordement, la jonction entre le bras de manivelle et les tourillons ou les manetons est directe. Un inconvénient de ces dernières solutions est qu'elles ont une 25 efficacité faible puisqu'elles ne permettent de gagner que quelques pourcents sur les contraintes. L'invention décrite dans le brevet EP 0 800 008 permet aussi de réduire les contraintes en plaçant, tout comme le brevet MAN, des gorges de décharge dans le bras du vilebrequin et en augmentant les gorges dans les zones annulaires de raccordement où la sollicitation est la plus faible. Ce dispositif a une efficacité plus grande que les deux précédents en terme de réduction de contrainte. II présente toutefois l'inconvénient majeur d'être compliqué à réaliser ce qui implique des difficultés lors de la réalisation à grande échelle et des surcoûts. L'invention augmente encore l'efficacité en terme de contraintes, par rapport au brevet EP 0 800 008 en s'autorisant à rentrer dans le bras avec 5 des grands rayons. La présente invention a donc pour objet de réduire ces contraintes de l'ordre de trente pourcents avec de faibles surcoûts et une réalisation beaucoup plus simple. Dans ce but, l'invention propose un vilebrequin à gorge pour moteur à io 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 de profondeur moyenne dont la taille est augmentée en largeur et en profondeur, uniquement dans la zone où les contraintes sont élevées, formant une gorge de décharge. Selon un avantage de l'invention le fait de creuser le vilebrequin à ce niveau, assouplit le bras dans cette zone. Cela favorise ensuite un meilleur étalement du passage des efforts (et donc des contraintes) le long de la circonférence, en plus de la réduction de la contrainte par l'augmentation du rayon de la gorge. Selon une autre caractéristique de l'invention la gorge est disposée sur la face opposée à celle ou s'exerce les efforts du gaz sur le tronçon cylindrique. Selon une autre caractéristique de l'invention la gorge est formée dans les zones annulaires de raccordement des manetons et/ou des 30 tourillons. Selon une autre caractéristique de l'invention la gorge a une forme en U avec une base de rayon supérieur à 1,5 mm et un axe de symétrie du U incliné selon un angle supérieur à zéro degrés par rapport à la face adjacente du bras. Ainsi suivant l'application de l'invention les valeurs du rayon et de l'angle sont à optimiser et peuvent donc varier. s Selon une autre caractéristique de l'invention dans la zone où la largeur de la gorge est augmentée, la longueur portante du coussinet est réduite. Selon une autre caractéristique de l'invention la zone modifiée de la gorge fait l'objet d'un traitement de surface pour augmenter sa résistance. io Selon une autre caractéristique de l'invention le traitement de surface est un traitement thermique par induction. Selon une autre caractéristique de l'invention à l'interface avec la portée cylindrique les angles de la gorge sont arrondis de façon à ne pas blesser le coussinet. L'invention, avec ses caractéristiques et avantages, ressortira plus clairement à la lecture de la description faite en référence aux dessins annexés donnés à titre d'exemples non limitatifs dans lesquels: -la figure 1 est une vue en latérale d'un vilebrequin d'un moteur à combustion interne à quatre cylindres avec les zones de contraintes; - la figure 2 est vue de profil d'un ensemble maneton - bras de manivelle - tourillon d'un vilebrequin; - la figure 3 est une coupe de profil de la gorge de l'invention; - la figure 4 est une coupe en perspective de la gorge de l'invention. - La figure 5 est une vue de la gorge et des angles arrondis. L'invention va à présent être décrite en référence aux figures 1 à 4. La figure 1 illustre un vilebrequin (10) 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 sur les bras (20) des contre-poids (22) par exemple au nombre de quatre 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 excentrent les contre-poids de l'axe de rotation du io 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) comprend donc un tourillon central (12.1) et, disposé symétriquement de part et d'autre de ce tourillon central (12.1), un maneton (14) en position point mort bas ou point mort haut, un tourillon (12.2), un maneton (14) en position point mort opposée à celle du maneton précédent et un tourillon (12.2). 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), 5 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 to exemple par vissage. Sur cette figure sont représentées les zones de contraintes au niveau des manetons (141) et des tourillons (121), ainsi que la direction des efforts maximum sur les 4 manetons (4). La figure 2 illustre plus en détail les zones (121, 141) où sont exercées les contraintes les plus élevées, lors de la rotation du vilebrequin pendant les phases d'explosion du moteur, au niveau des manetons (14) et des tourillons (12) et donc la position des zones des gorges (100) à taille augmentée, ainsi que la génératrice (2) figurant la longueur portante des coussinets et celle (3) figurant la reprise des charges sur les paliers de ligne. Les figures 2 et 3 montrent la forme et la position de la zone (100) de la gorge à taille augmentée. La zone de la gorge (100) à taille augmentée est située au niveau de la zone de raccordement (30). Entre le bras de manivelle (20) et le maneton (14) ou le tourillon (12). C'est une zone de gorge augmentée uniquement dans la zone de contrainte seulement sur une portion déterminée et non pas en continu le long de la zone annulaire de raccordement (30). Les gorges sont disposées, pour les manetons (14), dans la zone annulaire de raccordement sur la face opposée à celle sur laquelle s'exerce les forces de gaz (4), du même coté que la face latérale (26) du bras de manivelle (20). Pour les tourillons (12), dans tous les cas, la gorge est placée dans la zone annulaire de raccordement sur la face la plus proche du maneton (14) adjacent. Ainsi pour le tourillon central (12. 1) les deux gorges sont situées du même coté, alors que pour les autres tourillons (12.2) les deux gorges sont disposées à l'opposé l'une de l'autre sur les faces opposées du tourillon (12.2). Pour obtenir la gorge (100) désirée l'outil est placé à un point central (101) à, par exemple, 1.35 mm (110) de la surface du bras (20) (le rayon de la gorge de galetage fait environ 1.35mm) le long d'une surface (111) ayant un rayon, dépendant des moteurs et par exemple, de 23 mm (le maneton ayant un rayon (112) de 24 mm) dans le plan de coupe C (104). Un deuxième point (102) est ensuite définit sur un plan situé à 60 degré (106) du plan de coupe C (104) à 3 mm du bras (20) sur un rayon de 27 mm. Un to troisième point (103), symétrique au deuxième point (102) par rapport au plan de coupe C (104) est aussi défini. L'outil définit une section en U dans le plan de coupe C (104), avec une base de rayon, par exemple, de 3 mm (105) et des rebords (130) formant un angle, par exemple, de 15 degré (107) par rapport au bord (131) du bras (20). Les valeurs du rayon et de l'angle peuvent varier et sont optimiser en fonction de chaque application. L'outil définit un cercle à partir du point central vers les deuxième et troisième points le profil en U de l'outil sur le cercle défini par le rayon passant par le point central (101), le deuxième point (102) et le troisième point (103). La modification de la gorge est obtenue en soustrayant ou en écrasant le solide de révolution ainsi défini à la géométrie initiale. La position et la forme de la gorge obtenue sont optimisées de façon à réduire au maximum la contrainte en conservant une portée suffisante pour les coussinets. Il faut veiller aussi à ce que la rigidité du vilebrequin reste acceptable pour ne pas détériorer les aspects acoustiques. Les valeurs du rayon (105), de l'angle (107) et les rayons des cercles de traçage pourront être modifiées de façon à obtenir des gorges de forme différentes. Ainsi en modifiant l'angle (107), la section de la gorge pourra être modifiée, en intervenant sur la forme, le rayon ou autre du cercle de traçage la courbe qui porte le mouvement de l'outil sera modifiée. Les gorges modifiées peuvent avantageusement faire l'objet d'un traitement de surface pour augmenter leur résistance, comme par exemple un traitement thermique par induction. Comme illustré sur la figure 5 à l'interface de la gorge (100) avec la 5 portée cylindrique (14), les angles (150) sont arrondis de façon à ne pas blesser les coussinets. lo 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), de io profondeur moyenne caractérisé en ce que la zone annulaire de raccordement (30) a sa taille augmentée en largeur et en profondeur, uniquement dans la zone où les contraintes sont élevées (121, 141), formant une gorge (100) de décharge. 2. Vilebrequin (10) selon la revendication 1 caractérisé en ce que la 15 gorge (100) est disposée sur la face opposée à celle où s'exerce les efforts du gaz (4) sur le tronçon cylindrique(12,14). 3. Vilebrequin (10) selon la revendication 1 caractérisé en ce que la gorge (100) est formée dans les zones annulaires de raccordement des manetons (14) et/ou des tourillons (12). 4. Vilebrequin (10) selon la revendication 1 caractérisé en ce que la gorge (100) a une forme en U avec une base de rayon supérieur à 1, 5 mm (105) et un axe de symétrie du U incliné selon un angle supérieur à zéro degrés (107) par rapport à la face adjacente (131) du bras. 5. Vilebrequin (10) selon la revendication 1 caractérisé en ce que dans la 25 zone où la largeur de la gorge (100) est augmentée, la longueur portante du coussinet est réduite. 6. Vilebrequin (10) selon la revendication 1 caractérisé en ce que la zone modifiée de la gorge (100) fait l'objet d'un traitement de surface pour augmenter sa résistance. 7. Vilebrequin (10) selon la revendication 6 caractérisé en ce que le traitement de surface est un traitement thermique par induction. 8. Vilebrequin (10) selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'à l'interface avec la portée cylindrique les angles (150) de la gorge (100) sont 5 arrondis de façon à ne pas blesser le coussinet.