Brevet FR2947879A1 — publié le 20110114

CAME ET ARBRE A CAMES [0001] L'invention concerne les pièces mécaniques soumises à des contraintes mécaniques et tribologiques élevées, et en particulier la résistance d'un arbre à cames de moteur à combustion interne. [0002] Afin de réduire la consommation et d'améliorer les performances des véhicules automobiles, les constructeurs tendent d'une part à alléger les différents composants du véhicule et d'autre part à réduire les pertes par frottement mécanique dans le groupe motopropulseur. Dans un moteur au ralenti, les pertes par frottement dans le mécanisme d'admission représentent environ 25 % des pertes totales. Afin de réduire ces pertes ainsi que l'encombrement du moteur, on cherche à réaliser des arbres à cames présentant une masse en mouvement réduite et une grande compacité. Malgré la résistance élevée des matériaux utilisés pour l'arbre à cames, les conditions de fonctionnement du moteur peuvent induire des contraintes s'approchant de cette résistance mécanique. Par ailleurs, l'arbre à cames présente de nombreuses surfaces de frottement et subit donc de fortes contraintes tribologiques. L'arbre à cames présente notamment des portées pour son guidage en rotation dans la culasse et des cames actionnant les soupapes. [0003] Certaines cames de moteurs à combustion interne montés dans des véhicules du commerce sont réalisées par frittage. Des poudres de taille microscopique incluant des matériaux d'addition et du carbone sont mélangées à de la poudre de fer. Le mélange de ces poudres est ensuite mis en forme et comprimé avant de réaliser l'opération de frittage. Une came réalisée par frittage est potentiellement moins coûteuse et plus légère qu'une came forgée et usinée. À l'issue du frittage, on obtient des formes complexes et précises. Par conséquent, les opérations d'usinage dans la masse peuvent être limitées et certaines surépaisseurs peuvent être supprimées ce qui permet d'alléger la came. De plus, les cames peuvent être frettées sur un arbre creux, afin de réaliser un arbre à cames dit composé. Cette technique permet d'obtenir un arbre à cames particulièrement allégé. [0004] De telles cames présentent cependant un certain nombre d'inconvénients. Leur résistance mécanique reste encore limitée, en particulier du fait d'une porosité importante du matériau. De plus, la came formée lors de la compression peut présenter des fissures délicates à détecter avant l'étape de frittage. Par ailleurs, il existe un besoin pour améliorer les propriétés tribologiques d'une telle came, notamment sa résistance à l'abrasion. [0005] L'invention vise à résoudre un ou plusieurs de ces inconvénients. L'invention porte ainsi sur une came en acier fritté pour un arbre à cames dit composé d'un moteur à combustion interne, caractérisée en ce que des nanostructures de renfort diffusées dans le matériau ferreux. [0006] Par nanoparticules, il est entendu au sens de l'invention des particules dont au moins une des dimensions est inférieure à 1 micromètre, et de préférence dont une des dimensions est comprise entre une dizaines à quelques centaines de nanomètres. [0007] Selon une autre variante, les nanostructures comprennent des nanofibres, des nanotubes ou des nanopoudres. [0008] Selon encore une autre variante, les nanostructures dont choisies de préférence parmi du noir de carbone, du nickel, du cuivre, de l'alumine ou du carbure de silicium. On entend par noir de carbone des particules de carbone essentiellement sphériques de quelques dizaines à quelques centaines de nanomètres. [0009] De préférence, les nanostructures diffusées dans le matériau ferreux sont ajoutées à raison de 5 à 10% de la masse de matériau ferreux [0010] Selon une variante, la came est issue d'un frittage d'une poudre incluant des poudres de fer, de carbone, et des nanostructures de renfort. [0011] Selon une autre variante, la came est issue d'un frittage d'une poudre incluant des poudres de fer et de carbone, ladite poudre de carbone comportant des nanostructures de renfort. [0012] En plus des nanostructures diffusées, la came peut avantageusement comporter également une certaine quantité de nanostructures non diffusées dans la matrice ferreuse, incorporées avant l'opération de frittage et jouant un rôle de lubrifiant solide. [0013] Les nanostructures, diffusées et non diffusées pourront être ajoutées à raison de 20 à 30% de la masse de matériau ferreux. [0014] L'invention porte également sur un arbre à cames dit composé comportant au moins une came telle que détaillée ci-dessus assemblée sur l'arbre. [0015] Selon une variante, la came est assemblée par frettage sur l'arbre. [0016] Les nanoparticules peuvent être introduites à la poudre de fer avant le frittage. Alternativement, elles peuvent également être introduites sous la forme d'une poudre additive formée par une poudre de fer ou de carbone elle- même pré-alliée avec des nanostructures, ce qui permet d'éviter la manipulation de nanostructures au niveau par exemple d'une forge, la préparation de la poudre additive pouvant être réalisée dans un atelier spécifique, dans des conditions plus faciles à contrôler, et donc avec un moindre risque d'inhalation pour le personnel. [0017] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront clairement de la description qui en est faite ci-après, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés, dans lesquels : • la figure 1 est une vue en perspective d'un arbre à cames monté dans une culasse ; la figure 2 est une vue de dessus de l'arbre à cames de la figure 1 ; • la figure 3 est une vue de côté d'une came destinée à être rapportée sur un arbre creux. [0018] L'invention propose une came pour un arbre à cames dit composé de moteurs à combustion interne. Un arbre à cames dit composé est constitué par un tube, capable d'être dilaté ou évasé au-delà de sa limite élastique et par des cames assemblées ou fixées au tube par une liaison par adhérence exclusivement. Selon l'invention, la came est essentiellement composée de matériau ferreux incluant des nanostructures de renfort. [0019] La présence de nanostructures à l'intérieur du matériau fritté de la came permet de renforcer sa résistance mécanique et ses propriétés tribologiques. Du fait de la petite taille des nanoparticules, il est possible d'obtenir une meilleure densité de la pièce à vert, les nanoparticules pouvant se loger dans le volume PVF ce qui limite le risque de fissuration de la came à vert. [0020] Les taux d'éléments additionnels dans l'alliage de la came peuvent ainsi être augmentés. La taille et l'effet lubrifiant des nanostructures, notamment lorsque les nanoparticules comportent des particules de carbone, permettent par ailleurs d'augmenter la densité du matériau lors de la compaction [0021] De plus, du fait de la compacité des nanostructures, celles-ci pourront être incluses dans le matériau fritté en quantité relativement importante, sans pour autant nuire à leur diffusion dans les grains lors de l'opération de frittage. [0022] La figure 1 est une vue en perspective d'un arbre à cames 1 assemblé dans une culasse 5 de moteur à combustion interne. L'arbre à cames 1 est muni d'un arbre 3 monté à rotation par rapport à la culasse 5 et de cames 2. Les cames 2 sont solidaires de l'arbre 3 et entraînent des poussoirs 6 de soupapes en translation. Comme illustré à la figure 2, l'arbre 3 est muni de portées 4 permettant de guider l'arbre à cames 1 en rotation par rapport à la culasse 5. [0023] La came 2 inclut pour l'essentiel du matériau fritté, par exemple de l'acier. On considérera que la came 2 inclut pour l'essentiel un matériau ferreux si celui-ci représente plus de 50 % du poids de la came. [0024] Des nanostructures de renfort sont incluses dans le matériau ferreux. La présence des nanostructures permet d'augmenter la proportion d'éléments d'alliage, la densité et les propriétés mécaniques de la came 2. L'utilisation des nanostructures permet de diminuer la porosité de la matière : après leur diffusion lors d'une opération de frittage, les nanostructures laissent des porosités de taille très faible à leur emplacement d'origine. Les propriétés mécaniques sont ainsi fortement améliorées. [0025] Les cames 2 seront avantageusement réalisées par frittage d'une poudre incluant le matériau ferreux et des nanostructures de renfort. À l'issue du frittage, on obtient une came 2 de forme relativement précise, ce qui permet de limiter les opérations d'usinage et la quantité de copeaux réalisée. Par conséquent, la quantité de matière nécessaire pour réaliser la came 2 peut être limitée. [0026] Par ailleurs, les nanostructures jouent un rôle lubrifiant lors de la mise en forme et de la compression des poudres, et leur surface de contact avec la poudre de matériau ferreux est accrue ce qui facilite leur diffusion lors du frittage. La densité de la came 2 peut ainsi être encore accrue pour accroître sa résistance mécanique. Les nanostructures pourront être réparties de façon homogène dans la came 2. [0027] Les nanostructures désignent des objets de taille intermédiaire entre des structures moléculaires et des structures microscopiques. Les nanostructures incluent notamment des nanotubes, des nanofibres ou des nanopoudres. Les nanostructures incluses dans la came 2 pourront notamment comprendre des nanotubes tels que des nanotubes de carbone, du noir de carbone, de l'alumine, du Carbure de Silicium, du nickel, du cuivre. [0028] Le matériau ferreux pourra inclure jusqu'à 5 % en masse de nanoparticules de carbure de silicium ou de carbone (par exemple du noir de carbone, des nanopoudres ou des nanotubes de carbone) et/ou jusqu'à 10 0/0 en masse d'autres nanostructures d'éléments d'alliage tels que du nickel ou du cuivre. On veillera également à limiter à au plus 5% en masse la teneur en particules constituées d'oxydes. [0029] Si la quantité de carbone est suffisamment importante, par exemple allant une partie ne va pas diffuser dans la matrice lors du frittage et jouera alors également un rôle permanent de lubrifiant solide qui va limiter l'usure de la came 2 (ou de la pièce en regard de celle-ci). Dans ce cas, la teneur en nanoparticules pourra atteindre jusqu'à 30% en volume de la came. [0030] Pour réaliser une came, le procédé suivant pourra être utilisé : on mélange au préalable la poudre de matériau fritté (généralement du fer ou du fer allié, de la poudre de carbone et des éléments d'addition conventionnels) aux nanostructures. On met ensuite en forme et on compresse la poudre mélangée. On réalise ensuite le frittage de la came par chauffage. On réalise ensuite un usinage de finition des surfaces si nécessaire. [0031] La came 2 formée pourra présenter la configuration illustrée à la figure 3. Cette came 2 présente un alésage traversant 7. Cet alésage 7 est destiné à être traversé par l'arbre 3. La came 2 peut ainsi être rapportée sur un arbre creux 3 afin de réduire le poids et le coût de l'arbre à cames 1 formé. La came 2 pourra être fixée de façon connue en soi par frettage sur l'arbre 3. Du fait des propriétés mécaniques et tribologiques améliorées de la came 2, un tel mode de fabrication d'un arbre à cames pourra être adopté pour un nombre accru de motorisations.20 Revendications1. Came (2) en acier fritté pour un arbre à cames dit composé d'un moteur à combustion interne, caractérisée par des nanostructures de renfort diffusées dans le matériau ferreux. 2. Came selon la revendication 1, dans laquelle les nanostructures comprennent des nanofibres, des nanotubes ou des nanopoudres. 3. Came (2) selon la revendication 1 ou la revendication 2, dans laquelle les nanopoudres comprennent du noir de carbone, du nickel, du cuivre, de l'alumine ou du carbure de silicium. 4. Came selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans laquelle les nanostructures diffusées dans le matériau ferreux sont ajoutées à raison de 5 à 10% de la masse de matériau ferreux. 5. Came (2) selon l'une quelconque des revendications, caractérisée en ce qu'elle est issue d'un frittage d'une poudre incluant des poudres de fer, de carbone, et des nanostructures de renfort ou d'un frittage de poudres de fer et d'une poudre de carbone incluant des nanostructures de renfort. 6. Came (2) selon la revendication 5, caractérisée en ce qu'elle comporte également des nanostructures non diffusées dans la matrice ferreuse, incorporées avant l'opération de frittage et jouant un rôle de lubrifiant solide. 7. Came (2) selon la revendication 6, caractérisée en ce que les nanostructures diffusées et non diffusées sont ajoutées à raison de 20 à 30% de la masse de matériau ferreux. 8. Procédé d'obtention d'une came selon l'une quelconque des revendications précédentes comportant la formation d'une poudre additive formée de carbone et de nanostructures, le mélange de cettepoudre additive à de la poudre de fer et de carbone et une mise en forme par frittage. 9. Arbre à cames (1) dit composé comprenant un arbre (3) et au moins une came (2) selon l'une quelconque des revendications précédentes 5 assemblée sur l'arbre. 10. Arbre à cames (1) selon la revendication 9, caractérisée en ce que la came est assemblée par frettage sur l'arbre.