Brevet FR2910624A1 — publié le 20080627

Banc d'essai de mesures tribologiques La présente invention concerne un banc d'essai destiné à étudier les frottements et phénomènes d'usure des constituants internes d'un moteur thermique. Les industries automobiles sont actuellement confrontées à deux dé- fis majeurs : - la préservation des ressources énergétiques ; et - la protection de l'environnement. Pour relever ces défis, une des voies les plus efficaces est la réduc- tion de la consommation de carburant des véhicules de transport terrestres. En effet, la réduction de consommation globale de carburant contribue à réduire les émissions des produits de combustion des moteurs, et ce d'une manière plus efficace que toutes les opérations de post-traitement. Pour réduire cette consommation, une des méthodes les plus effica- ces et à un coût relativement modéré est la réduction des pertes mécaniques par frottement, et ce principalement dans les moteurs qui constituent l'un des postes majeurs de ces pertes. On connaît dans l'état de la technique des dispositifs qui permettent d'étudier les frottements et phénomènes d'usure des constituants internes des moteurs thermiques. Certaines caractérisations de ces phénomènes sont testées sur banc d'essai monocylindre, dont le principe consiste à apprécier la dégradation des pièces mécaniques internes en contact (segments, piston et chemise) lors de leur mise en rotation sur un cycle donné. Cependant, les résultats obtenus sont exclusivement basés sur l'usure comparative des surfaces en contact par mesures métrologiques avant et après essai. De plus, la mise en œuvre d'une campagne d'essai de ce type nécessite : - la dégradation de nombreuses pièces spécifiques coûteuses ; - plusieurs centaines d'heures de fonctionnement du banc ; et - des mesures métrologiques délicates, souvent inférieures au pm. 2910624 2 Ainsi, ce type de banc n'autorise pas une compréhension fine des phénomènes d'usure, la mesure et le suivi de la dégradation des pièces et du frottement étant impossibles en fonctionnement. L'invention a pour but de proposer un banc qui permette de mesurer 5 en temps réel les efforts de frottement générés sur l'attelage mobile (segments, piston et chemise) et de suivre ainsi la dégradation des pièces en dynamique. A cet effet, l'invention a pour objet un banc d'essai destiné à étudier les frottements et phénomènes d'usure des constituants internes d'un moteur thermique, caractérisé en ce qu'il comprend un moteur comprenant une carcasse, un embiellage et un piston mobiles par rapport à la carcasse, la carcasse comportant au moins deux constituants, et en ce qu'il comprend un capteur d'effort interposé entre les deux constituants et adapté pour délivrer, lors du fonctionnement du banc, des signaux représentatifs des contraintes 15 subies par lesdits constituants. Le banc d'essai selon l'invention peut comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - les deux constituants sont liés l'un à l'autre seulement par le capteur d'effort ; 20 - les deux constituants comprennent un bloc cylindre et une culasse ; - le capteur d'effort comporte un premier anneau et un deuxième anneau reliés entre eux par des cellules de charge, et des moyens de fixation des premier et deuxième anneaux sur le bloc cylindre et la culasse respectivement ; 25 - les cellules de charge sont de type piézo-électrique ; - les cellules de charge sont angulairement réparties entre les premier et deuxième anneaux de façon régulière ; - lesdits moyens de fixation comprennent des vis ; - le moteur comprend un premier prolongement cylindrique creux so- 30 lidaire du bloc cylindre et un deuxième prolongement cylindrique solidaire de la culasse et engagé dans le premier prolongement, la longueur d'engagement et l'espace radial des premier et deuxième prolongements 2910624 3 étant adaptés pour limiter la fuite d'air produite lors de la phase de compression du moteur ; - la longueur d'engagement est sensiblement comprise entre 5 mm et 25 mm et l'espace radial est sensiblement compris entre 5 pm et 25 pm ; et 5 - il comprend des moyens adaptés pour traiter et visualiser les si- gnaux issus du capteur d'effort. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple, et faite en se référant aux dessins annexés, dans lesquels : 10 - la Figure 1 est une vue schématique en coupe verticale longitudi- nale d'un banc d'essai selon l'invention ; et - la Figure 2 est une vue en perspective du capteur d'effort du banc de la Figure 1. La Figure 1 représente un banc d'essai 10 formé d'un socle rigide 12, 15 couramment désigné par marbre , et d'une maquette de moteur thermi- que monocylindre 14 reposant sur le socle 12. La maquette de moteur 14 comporte une carcasse formée d'un support 15, d'un bloc cylindre 16 et d'une culasse 18 solidaires du support 15. Le bloc cylindre 16 délimite un unique cylindre 20 entouré par une chemise 20 22 frettée dans le bloc cylindre 16 et dans laquelle est monté coulissant un piston 24. Une chambre de combustion 26 est ainsi délimitée entre la culasse 18 et le piston 24 dans le cylindre 20. Le piston 24 est muni de trois segments 28 et est raccordé, par l'intermédiaire d'une bielle 30, à un vilebrequin 32 monté rotatif par rapport 25 au support 15 de la carcasse. Des moyens propres à mettre en rotation le vilebrequin 32, tels qu'un moteur électrique 34 équipé d'une courroie 36 reliée au vilebrequin 32, sont prévus sur le socle 12, à proximité de la maquette de moteur 14. Le banc d'essai 10 comprend un capteur d'effort 38 monté sur la maquette de moteur 14 et adapté pour délivrer, lors du fonctionnement du banc 10, des signaux représentatifs des efforts subis par les constituants internes du moteur 14, à savoir la chemise 22, le piston 24 et les segments 28. 2910624 4 Le capteur d'effort 38 est interposé entre le bloc cylindre 16 et la culasse 18, et constitue la seule liaison entre ces deux pièces. Le capteur d'effort est conçu comme un anneau dynamométrique comportant un premier anneau 40, ou anneau inférieur, et un deuxième an- 5 neau 42, ou anneau supérieur. L'anneau inférieur 40 est fixé en périphérie du bloc cylindre 16 au moyen, par exemple, de six vis 44 disposées l'une par rapport à l'autre à un angle de 60 . Les vis 44 sont engagées dans une collerette extérieure 45 du bloc cylindre 16. 10 De même, l'anneau supérieur 42 est fixé en périphérie de la culasse 18 au moyen, par exemple, de six vis 46 disposées l'une par rapport à l'autre à un angle de 60 . La seule liaison mécanique entre les anneaux inférieur et supérieur 40, 42 est assurée par trois cellules de charge piézo-électriques triaxes 48 15 insérées entre les deux anneaux 40, 42. Comme le montre la Figure 2, les trois cellules 48 sont disposées l'une par rapport à l'autre à un angle de 120 . Afin de préserver au maximum l'étanchéité de la chambre de combustion 26, la maquette de moteur 14 comprend un premier prolongement 20 cylindrique creux 50 solidaire du bloc cylindre 16 et un deuxième prolonge-ment cylindrique 52 solidaire de la culasse 18. Plus précisément, le premier prolongement 50 est fixé sur le dessus du bloc cylindre 16 par quatre vis 53 disposées l'une par rapport à l'autre à un angle de 90 . 25 De même, le deuxième prolongement 52 est fixé au-dessous de la culasse 18 par quatre vis (non représentées) disposées l'une par rapport à l'autre à un angle de 90 . Les premier et deuxième prolongements 50, 52 sont imbriqués l'un dans l'autre sans contact avec un jeu radiale minimal par rapport à l'axe Z 30 du cylindre 20, de telle sorte qu'ils sont adaptés pour limiter la fuite d'air pro-duite lors de la phase de compression du moteur 14. 2910624 5 La longueur d'engagement L des premier et deuxième prolongements 50, 52 est sensiblement comprise entre 5 mm et 25 mm, de préférence sensiblement égal à 15mm. L'espace radial e entre les premier et deuxième prolongements 50, 5 52 est sensiblement compris entre 5 pm et 25 pm, de préférence sensible-ment égal à 15 pm. Des moyens 54 adaptés pour traiter les signaux issus du capteur d'effort 38 et permettre à un opérateur de visualiser ces signaux sont prévus sur le banc d'essai 10. Les moyens 54 comprennent par exemple un boîtier 10 de sommation, trois amplificateurs de charge et un oscilloscope ou une carte d'acquisition intégrée à un ordinateur (non représentés). Un accéléromètre 56 solidaire du bloc cylindre 16 ainsi qu'un capteur de pression 58 solidaire de la culasse 18 sont également prévus pour fournir à l'opérateur des informations supplémentaires concernant le moteur 14. 15 Lors du fonctionnement du banc d'essai 10, un opérateur actionne le moteur électrique 34 afin de mettre en rotation le vilebrequin 32 par l'intermédiaire de la courroie 36. La rotation du vilebrequin 32 entraîne le coulissement du piston 24 dans le cylindre 20 suivant l'axe Z. 20 Les efforts subis par la chemise 22, et donc par le bloc cylindre 16, sont transmis au capteur d'effort 38. Les trois cellules triaxes 48 délivrent alors chacune trois signaux représentatifs des contraintes subies par la chemise 22, lesquels signaux sont acheminés vers le boîtier de sommation puis vers les trois amplificateurs de 25 charge via des câbles haute isolation. Les signaux en sortie des amplificateurs sont ensuite traités par l'oscilloscope ou par la carte d'acquisition électronique intégrée à l'ordinateur. Une macro-tâche d'un tableur permet enfin à l'opérateur de visualiser 30 les signaux d'effort sur la chemise 22, sur les trois axes et en temps réel. Le banc d'essai selon l'invention permet donc de mesurer les efforts de frottement et de suivre la dégradation des pièces mécaniques internes en contact d'un moteur thermique lors du fonctionnement du moteur. 2910624 6 Les intérêts techniques et économiques liés à l'utilisation du banc d'essai selon l'invention sont évidents dans le sens où ce dernier permet la caractérisation et la validation du gain éventuel des dispositifs visant à réduire les frottements des constituants internes d'un moteur thermique. 5 En permettant de qualifier rapidement et à moindre coût l'aptitude au frottement : - des états de surface ; - de la géométrie des pièces ; - des matériaux et des revêtements ; 10 - des lubrifiants, etc... ce banc d'essai constitue donc un véritable outil d'investigation et de recherche dans le domaine de l'usure et des phénomènes tribologiques. Les enjeux pour les industries automobiles sont : - un gain potentiel en frottement ; 15 - un gain de consommation de carburant ; - le respect des normes anti-pollution ; et - l'augmentation de la durée de vie des véhicules automobiles. REVENDICATIONS 1. Banc d'essai (10) destiné à étudier les frottements et phénomènes d'usure des constituants internes d'un moteur thermique, caractérisé en ce qu'il comprend un moteur (14) comprenant une carcasse, un embiellage (30, 32) et un piston (24) mobiles par rapport à la carcasse, la carcasse comportant au moins deux constituants (16, 18), et en ce qu'il comprend un capteur d'effort (38) interposé entre les deux constituants (16, 18) et adapté pour délivrer, lors du fonctionnement du banc (10), des signaux représentatifs des contraintes subies par lesdits constituants (16, 18). 2. Banc d'essai (10) selon la revendication 1, caractérisé en ce que les deux constituants (16, 18) sont liés l'un à l'autre seulement par le capteur d'effort (38). 3. Banc d'essai (10) selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les deux constituants (16, 18) comprennent un bloc cylindre (16) et une culasse (18). 4. Banc d'essai (10) selon la revendication 3, caractérisé en ce que le capteur d'effort (38) comporte un premier anneau (40) et un deuxième anneau (42) reliés entre eux par des cellules de charge (48), et des moyens de fixation (44, 46) des premier et deuxième anneaux (40, 42) sur le bloc cylin- dre (16) et la culasse (18) respectivement. 5. Banc d'essai (10) selon la revendication 4, caractérisé en ce que les cellules de charge (48) sont de type piézo-électrique. 6. Banc d'essai (10) selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que les cellules de charge (48) sont angulairement réparties entre les pre-mier et deuxième anneaux (40, 42) de façon régulière. 7. Banc d'essai (10) selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que lesdits moyens de fixation (44, 46) comprennent des vis. 8. Banc d'essai (10) selon l'une quelconque des revendications 3 à 7, caractérisé en ce que le moteur (14) comprend un premier prolongement cylindrique creux (50) solidaire du bloc cylindre (16) et un deuxième prolongement cylindrique (52) solidaire de la culasse (18) et engagé dans le premier prolongement (50), la longueur d'engagement (L) et l'espace radial (e) 2910624 8 des premier et deuxième prolongements (50, 52) étant adaptés pour limiter la fuite d'air produite lors de la phase de compression du moteur (14). 9. Banc d'essai (10) selon la revendication 8, caractérisé en ce que la longueur d'engagement (L) est sensiblement comprise entre 5 mm et 25 mm 5 et l'espace radial (e) est sensiblement compris entre 5 pm et 25 pm. 10. Banc d'essai (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens (54) adaptés pour traiter et visualiser les signaux issus du capteur d'effort (38).