Brevet FR2951236A1 — publié le 20110415

Vilebrequin pour moteur à combustion interne [0001 L'invention concerne un vilebrequin allégé pour moteur à combustion interne, un moteur et un véhicule équipé de ce vilebrequin ainsi que le procédé de fabrication d'un tel vilebrequin. [0002] Les vilebrequins qui équipent les moteurs des véhicules actuels sont des pièces généralement fabriquées en une seule pièce par exemple forgées à la presse ou coulées. La matière utilisée telle que la fonte, l'acier est de ce fait présente dans toutes les sections de la pièce, ce qui nécessite de réaliser au cours des opérations d'usinage des orifices de passage pour l'huile qui permet de lubrifier les paliers et les manetons présents sur le vilebrequin. En fonction des motorisations plus ou moins sollicitées, les critères de tenue font choisir des vilebrequins soit en fonte soit en acier forgés. [0003] Les vilebrequins sont des pièces soumises à des contraintes de flexion qui sont concentrées dans les gorges de raccordement (efforts des bielles), à des contraintes de torsion qui sollicitent principalement les milieux des tourillons et les orifices de graissage, à des contraintes de vibrations de torsion et de flexion ainsi qu'à des usures des paliers et manetons ou des matériaux antagonistes en relation avec la lubrification. [0004] Du fait des formes pleines d'un tel vilebrequin, celui-ci présente généralement un poids important qu'il n'est pas possible de réduire sans toucher à la géométrie et aux dimensions des formes extérieures du vilebrequin. [0005] De manière à réduire la masse d'un vilebrequin, on a proposé de supprimer de la matière dans le centre des manetons et des tourillons, la matière dans ces zones étant peu rentable en termes de rigidité et de tenue de la pièce. [0006] Dans EP 1 767 288 a été ainsi proposé un vilebrequin creux obtenu par moulage. [000n De manière à réduire le poids d'une telle pièce, on a proposé dans FR 2 802 591 de réaliser un vilebrequin mécanosoudé constitué d'un certain nombre d'éléments individuels pourvus de cavités en leur intérieur et assemblés les uns aux autres pour constituer le vilebrequin. Les éléments individuels sont ainsi assemblés par des soudures s'étendant transversalement à l'axe du vilebrequin. [0008] Un procédé de fabrication relativement similaire a été proposé dans DE 195 36 349, les éléments individuels pourvus de cavité étant assemblés par soudage par friction. [0009] Toutefois, malgré des avantages certains en termes de gain de masse du fait du caractère creux des vilebrequins ainsi réalisés, se pose alors un problème lié au circuit de lubrification comme d'ailleurs avec la plupart des vilebrequins creux proposés. Ainsi, le volume à l'intérieur d'un tel vilebrequin creux définit un volume pour le circuit de lubrification bien plus grand, rendant nécessaire l'utilisation d'une nouvelle pompe à huile pour pallier l'augmentation du volume d'huile. Par ailleurs, il est nécessaire de garantir un bon remplissage des zones creuses par l'huile afin de lubrifier correctement les paliers et manetons. En outre, on peut également avoir un problème de propreté ainsi qu'un risque de retard de montée en pression de l'huile au moment du démarrage du moteur. [0010] En outre, pour les vilebrequins constitués d'éléments individuels soudés, il existe un risque au niveau de la tenue de la soudure et de la qualité. [0011] On a proposé alors de réaliser un vilebrequin creux obtenu par coulée, un tube métallique étant inséré dans le moule pour former un canal principal s'étendant axialement tandis que des tubes relient ce canal à l'extérieur du vilebrequin. De ce fait, après coulée, le vilebrequin ainsi formé présente un canal principal de lubrification vers les paliers et manetons au travers des tubes. Toutefois, un tel procédé de fabrication ne permet de réaliser que des vilebrequins à recouvrement et en outre, lors de la coulée, il peut survenir des déformations du tube générant des difficultés de circulation dans le circuit de lubrification pouvant alors conduire à de mauvaises performances du vilebrequin liées à une lubrification de moindre qualité. [0012] Aussi, la présente invention a-t-elle pour but de proposer un vilebrequin « allégé » donc permettant d'avoir un gain en masse tout en préservant au sein de ce vilebrequin allégé, un circuit de lubrification permettant de lubrifier de manière efficace et optimale les paliers et manetons. [0013] A cet effet, la présente invention a pour objet un vilebrequin dit allégé, caractérisé en ce qu'il présente une enveloppe externe métallique entourant une âme constituée d'une matière plastique. [0014] Ainsi de manière avantageuse, on propose un vilebrequin allégé puisque seule l'enveloppe externe est métallique tandis que la partie interne dudit vilebrequin est constituée d'une matière plastique choisie plus légère que du métal, ce qui permet un gain en masse tout en offrant la possibilité de créer au sein de ladite matière plastique présente dans toutes les sections de la pièce, un circuit de lubrification permettant ainsi de pallier les inconvénients des vilebrequins creux. [0015] L'enveloppe externe constituée d'un matériau métallique peut être en acier forgé, en acier coulé ou en fonte. [0016] La matière plastique constituant l'âme est choisie parmi des matières plastiques compatibles en termes de tenue thermique et chimique avec de l'huile de moteur chaude sur base : de type polyamide (tels que PA6, PA66, PA46, PA6-66,...), de type polyphtalamide (tel que PA6T/66, PA6T/61), de type polybutylène téréphtalate (PBT), de type copolyester ou copolyether. [0017] De manière avantageuse, le vilebrequin bi-matière ainsi réalisé peut présenter un circuit de lubrification interne classique permettant de lubrifier les paliers et les manetons présents sur le vilebrequin, un perçage étant réalisé pour former un conduit entre un palier et un maneton adjacents au niveau d'un bras les reliant, de manière classique en soi. Le circuit est ainsi constitué de conduits reliant un palier et un maneton qui présentent respectivement un perçage vers l'extérieur. [0018] La présente invention concerne également un procédé de fabrication d'un vilebrequin selon l'invention dans lequel on forme une enveloppe externe métallique creuse, on injecte dedans de la matière plastique, ladite enveloppe externe métallique jouant le rôle d'empreinte du moule de remplissage pour ladite matière et on maintient en pression l'ensemble jusqu'au refroidissement de ladite matière plastique. [0019] La formation de l'enveloppe externe métallique creuse peut être réalisée par exemple par soudage de deux demi-coquilles obtenues par forgeage, par exemple par estampage. Tout autre procédé permettant de réaliser une telle enveloppe externe est également utilisable. [0020] Selon un premier mode de réalisation, une fois l'enveloppe externe réalisée, on remplit complètement la cavité formée par ladite enveloppe à l'aide d'un procédé d'injection classique, à l'issue des phases de remplissage et de maintien en pression lors du refroidissement de la matière plastique, on réalise à l'aide d'opérations d'usinage pour générer des canaux et des orifices de passage pour l'huile, par exemple au niveau d'un bras, un conduit reliant un palier et un maneton qui présente également des perçages vers l'extérieur. [0021] La phase de maintien en pression permet de limiter la taille des porosités liées au retrait de la matière dans l'empreinte du vilebrequin creux lors du refroidissement. [0022] Selon un deuxième mode de réalisation, on remplit la cavité définie par l'enveloppe externe métallique à l'aide d'un procédé d'injection couplé à un procédé de moussage ou expansion d'une matière plastique. De manière avantageuse, un tel procédé de moussage ou expansion permet de limiter la quantité de matière constituant le coeur du vilebrequin permettant ainsi un allègement en masse supplémentaire, une limitation des porosités de taille importantes et une homogénéisation de la santé matière. Puis à l'aide d'opérations d'usinage, on génère des canaux et des orifices de passage pour l'huile comme déjà évoqué. [0023] Selon un troisième mode de réalisation, on remplit la cavité formée par l'enveloppe métallique externe à l'aide d'un procédé d'injection plastique assistée par gaz et/ou assistée par eau. Un tel procédé permet de réaliser un corps en matière plastique interne creux limitant ainsi la matière de remplissage d'où un gain en masse, mais permettant également de créer un canal de lubrification à l'intérieur du vilebrequin ainsi réalisé. On perce ensuite des orifices au niveau des paliers et manetons pour venir en communication avec ledit canal et permettre ainsi l'alimentation en huile desdits paliers et manetons depuis le canal principal traversant le coeur du vilebrequin. [0024] L'invention concerne aussi un moteur équipé d'un tel vilebrequin et un véhicule équipé de ce moteur. [0025] On décrira maintenant l'invention plus en détails en référence au dessin dans lequel : [0026] La figure 1 représente une vue en coupe longitudinale d'une enveloppe externe de vilebrequin selon l'invention ; [0027] La figure 2 représente une vue en coupe longitudinale d'un vilebrequin selon un premier mode de réalisation ; [0028] La figure 3 représente une vue en coupe longitudinale d'un vilebrequin obtenu après remplissage de la matière plastique selon le troisième mode de réalisation. [0029] Comme on peut le voir à la figure 1, un vilebrequin 1 selon l'invention comporte une enveloppe externe métallique creuse 2 réalisée par exemple par l'assemblage de deux demi-coquilles estampées puis soudées. Ces deux demi-coquilles peuvent être en en acier « coulé ou forgé » ou en fonte. Puis le corps creux métallique 2 est éventuellement préalablement chauffé et la cavité 3 ainsi définie est remplie de matière plastique. Par comparaison avec l'injection d'une pièce totalement en matière plastique, le vilebrequin creux métallique 2 remplit ici le rôle d'empreinte du moule de remplissage, à ceci prêt que dans le cas présent on ne démoule pas la pièce plastique. [0030] On utilise ensuite un procédé d'injection standard de matière plastique. Ainsi, on remplit complètement la cavité 3 définie par l'enveloppe 2 par de la matière plastique et ensuite on maintient en pression le temps que la matière plastique refroidisse. Ce maintien en pression permet de minimiser les risques de porosités liées au retrait de la matière. On forme ainsi l'âme 4 du vilebrequin 1. [0031] En fonction de l'épaisseur de la cavité c'est-à-dire de l'enveloppe 2, qui peut varier en fonction du vilebrequin 1 envisagé, il peut y avoir un risque de voir se créer des porosités à coeur (comme on peut le constater sur certaines pièces plastiques utilisées en automobile et comportant des zones massives). Toutefois, cela ne devrait pas poser de problèmes fonctionnels. [0032] La différence de dilatation entre les deux matières (métal et plastique) ne pose pas de problème, la seule conséquence étant le risque de voir s'infiltrer de l'huile entre les deux matières mais sans que cela ne nuise au fonctionnement de la pièce 1 ainsi réalisé. [0033] Le vilebrequin 1 bi-matière « non creux » mais allégé peut alors être percé, de manière à obtenir un circuit de lubrification traditionnel des paliers et manetons similaire à un circuit de lubrification d'un vilebrequin classique (non représenté sur la figure 2). La matière plastique ne pose pas de difficulté particulière au moment de l'usinage car une telle matière n'est pas dure. [0034] L'enveloppe 2' du vilebrequin 1' de la figure 3 est également une enveloppe creuse métallique, soit en acier forgé, soit en acier coulé, soit encore en fonte. L'âme 4' du vilebrequin est remplie de matière plastique compatible en terme de tenue thermique et chimique avec l'huile moteur chaude par exemple du type Polyamide (PA6, PA66, PA46, PA6-66...), du type polyphthalamide PPA (PA6T/66, PA6T/61, ...) ou du type PBT. En outre, comme on peut le voir sur les figures 3 et 4, le coeur de l'âme 4' en matière plastique est creux. En effet, après réalisation de l'enveloppe 2' du vilebrequin 1', le corps creux métallique 2' est éventuellement préalablement chauffé puis la cavité 3' ainsi définie est remplie à l'aide d'un procédé d'injection assistée gaz ou assistée eau. Ainsi, on injecte le plastique dans le moule formé de l'enveloppe externe 2', puis on injecte du gaz au centre de l'une des extrémités de la pièce, puis le gaz injecté crée un conduit central 5' exempt de matière plastique, créant ainsi créer un canal 5' de lubrification à l'intérieur du vilebrequin 1'. [0035] Un tel procédé de fabrication est applicable aux vilebrequins ayant une zone de recouvrement entre les manetons et les paliers, suffisamment importante pour permettre un remplissage continu avec une zone creuse tout le long de la pièce. [0036] Un tel vilebrequin 1' pourra ensuite être percé (cf figure 4), de manière à alimenter en huile les paliers et les manetons depuis le canal 5' principal traversant le coeur du vilebrequinl'. La matière plastique ne pose pas de difficulté particulière au moment de l'usinage de ces petits perçages 6'. [0037] L'invention permet donc d'obtenir des vilebrequins allégés avec des gains de poids variant selon la matière plastique de remplissage utilisée. Ainsi, la densité du PA6 est, selon les grades, comprise entre 1040 et 1150 kg/m3 et la densité du PA66 est, selon les grades, comprise entre 1140 et 1150 kg/m3 alors que pour comparaison la densité d'une fonte GS utilisée sur des vilebrequins est égale à 7200 kg/m3 et la densité de l'acier est de 7850 kg/m3. Le rapport de densité entre la fonte et le PA6 est égal à 7200/1100, soit 6,5 et celui entre l'acier et le PA6 est égal à 7850/1100 soit 7,1. On a donc bien un gain en masse du vilebrequin d'environ 10%. [0038] En outre, les zones creuses du vilebrequin 1 étant remplies de matière plastique, elles ne peuvent être remplies par l'huile de lubrification et il n'y a donc pas de nouvelle pompe à huile à prévoir. [0039] De plus, on élimine l'incidence de l'évolution des zones creuses en fonction de l'usure des outillages d'estampage. Par ailleurs, il n'y a pas d'incidence d'équilibrage du vilebrequin en fonctionnement moteur du fait de l'absence d'huile dans les zones creuses ni même de risque de calamine résultant du soudage dans le circuit d'huile. [0040] On élimine ainsi le risque de retard de la montée en pression d'huile lors du démarrage moteur. Revendications1. Vilebrequin (1, 1') pour moteur à combustion interne, caractérisé en ce qu'il présente une enveloppe externe métallique (2, 2') entourant une âme (4, 4') constituée d'une matière plastique. 2. Vilebrequin (1, 1 ') selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'enveloppe externe (2, 2') est constituée d'un matériau métallique tel qu'acier forgé, acier coulé, fonte. 3. Vilebrequin (1, 1') selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la matière plastique constituant l'âme (4, 4') est choisie parmi des matières plastiques compatibles en termes de tenue thermique et chimique avec de l'huile de moteur chaude sur base : de type polyamide tel que PA6, PA66, PA46, PA6-6, de type polyphtalamide tel que PA6T/66, PA6T/61, de type polybutylène téréphtalate (PBT), de type copolyester ou copolyether. 4. Vilebrequin (1) selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comporte un circuit de lubrification constitué de conduits reliant un palier et un maneton qui présentent respectivement un perçage vers l'extérieur. 5. Vilebrequin (1') selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comporte un circuit de lubrification comprenant un canal principal (5') s'étendant au travers de l'âme (4') en matière plastique du vilebrequin (1'), des perçages (6') reliant le canal principal (5') à l'extérieur au niveau des paliers et manetons. 6. Procédé de fabrication d'un vilebrequin (1, 1'), caractérisé en ce qu'on forme une enveloppe externe métallique creuse (2, 2'), on injecte dedans de la matière plastique, ladite enveloppe externe métallique (2, 2') jouant le rôle d'empreinte de moule de remplissage pour ladite matière et on maintient en pression l'ensemble jusqu'au refroidissement de ladite matière plastique. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'enveloppe externe métallique creuse (2, 2') est réalisée par soudage de deux demi-coquilles obtenues par forgeage. 8 8. Procédé selon l'une des revendications 6 et 7, caractérisé en ce qu'une fois l'enveloppe externe réalisée, on remplit complètement la cavité formée par ladite enveloppe à l'aide d'un procédé d'injection classique, à l'issue des phases de remplissage et de maintien en pression lors du refroidissement de la matière plastique, on réalise à l'aide d'opérations d'usinage des orifices de passage pour l'huile, tel qu'au niveau d'un bras, un conduit reliant un palier et un maneton qui présentent respectivement un perçage vers l'extérieur. 9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que le procédé d'injection est couplé à un procédé de moussage ou expansion d'une matière plastique. 10. Procédé selon l'une des revendications 6 et 7, caractérisé en ce qu'on remplit la cavité formée par l'enveloppe métallique externe (2') à l'aide d'un procédé d'injection assistée par gaz et/ou assistée par eau, permettant de réaliser une âme (4') en matière plastique interne creuse formant un canal de lubrification (5') à l'intérieur du vilebrequin (1') ainsi réalisé, on perce ensuite des orifices (6') au niveau des paliers et manetons pour venir en communication avec ledit canal (5'). 11. Moteur équipé d'un vilebrequin selon l'une des revendications 1 à 5.