Brevet FR2958354A1 — publié le 20111007

Vilebrequin creux et son procédé de fabrication. [0001 La présente invention concerne un vilebrequin creux ainsi que son procédé de fabrication. [0002] De manière classique, les motorisations les moins sollicitées sont équipées de vilebrequins en fonte, tandis que pour les pièces plus chargées, les critères de tenue font choisir des solutions en acier forgé. [0003] La fonction du vilebrequin consiste au travers d'un système bielles - manivelle à transformer les mouvements rectilignes alternatifs des pistons en un mouvement rotatif continu. Aux extrémités, coté « queue de vilebrequin » se situe la poulie de distribution et à l'opposé coté plateau le volant moteur. [0004] Avec un vilebrequin « classique » pour un moteur quatre cylindres, la rotation de l'arbre est assurée par cinq paliers et les manetons-bielles sont équilibrés avec 4 ou 8 contrepoids. [0005] Un vilebrequin est soumis à des contraintes de flexion concentrées dans les gorges de raccordement (efforts des bielles), de torsion qui sollicitent principalement les milieux des tourillons et les orifices de graissage, de vibrations, de torsions et de flexion et d'usures des paliers et manetons ou des matériaux antagonistes en relation avec la lubrification. [0006] Un vilebrequin acier pour un moteur 4 cylindres possède une masse d'environ 12 à 15 kg, soit environ 10% de la masse du moteur. Le potentiel de gain en masse est significatif si l'on peut supprimer une partie de la matière dans le centre des manetons et tourillons, (gain > 2 kg), la matière dans ces zones étant peu rentable pour la rigidité et la tenue du vilebrequin. En effet, à l'heure actuelle, la matière (fonte ou acier) est présente dans toutes les sections. [0007] Les vilebrequins classiques en fonte, en acier sont généralement réalisés pleins, sous forme d'une pièce brute, issue d'un procédé de coulée par gravité. De telles pièces présentent donc l'inconvénient d'être lourdes. Des évidements et allègements peuvent être ensuite ménagés par usinage sur la peau de la pièce pour obtenir un gain en poids sur la pièce. De même, des conduits sont réalisés pour permettre le passage d'un lubrifiant haute pression, débouchant sur les manetons et tourillons du vilebrequin et passant à travers les bras dudit vilebrequin, ces conduits participant également à l'allègement de la pièce. Ainsi, la lubrification des paliers et des manetons, est réalisée grâce à des trous de passage d'huile. Ces trous ou conduits sont réalisés lors des opérations d'usinage. [000s] Afin d'alléger un tel vilebrequin, on a proposé de réaliser des évidements directement sur la pièce brute formant le vilebrequin à l'aide d'un noyau relativement complexe au niveau des tourillons et des manetons. Cette complexité est due au fait qu'il est nécessaire de garantir le passage de l'huile à travers les manetons et les tourillons depuis ces mêmes tourillons vers les manetons. Cette contrainte ne permet pas d'évider complètement ces éléments du vilebrequin. Ainsi, par exemple, s'il est possible d'évider partiellement un maneton, on doit cependant laisser une épaisseur suffisante de fonte permettant le passage d'un conduit de lubrification. [0009] De ce fait, l'allègement d'un tel vilebrequin n'est pas optimal puisqu'il faut garantir l'étanchéité des circuits de lubrification haute pression entre les tourillons et les manetons. En outre ; le noyautage est complexe ce qui rend la réalisation d'un tel vilebrequin également complexe à mettre en oeuvre. [oolo]On a proposé, dans JP 55-158871, un vilebrequin allégé réalisé par fonderie dans lequel des logements creux sont ménagés dans la pièce moulée à l'aide de noyaux creux insérés dans le moule au niveau des tourillons et manetons pour alléger ceux-ci. Toutefois, la mise en place de ces noyaux dans le moule requiert des tiges métalliques qui s'étendent au travers dudit noyaux creux. Par conséquent, le gain de poids n'est que partiel. [0011] Dans JP 56-131819, on propose sensiblement le même vilebrequin, mais la tige s'étendant dans chaque noyau creux est remplacée par des bouts de tige présents uniquement aux extrémités du noyau. En outre, on perce des alésages pour ménager des passages entre manetons et tourillons dans lesquels sont introduits des tubes pour le lubrifiant. Même si on améliore le gain de poids, l'allègement n'est toujours pas optimal et la réalisation de ce vilebrequin reste complexe. [0012] Par ailleurs, on a proposé également dans FR 1 127 826 de réaliser un vilebrequin creux coulé en fonte. Toutefois se pose alors également des problèmes liés au passage de l'huile de lubrification au sein d'une telle pièce creuse, en particulier au niveau de l'étanchéité. [0013] On connait également le concept de vilebrequin creux constitué de l'assemblage de deux demi-coquilles fixées par mécano soudure. Ainsi dans EP 2 141 371 est proposé un vilebrequin creux comprenant deux demi-coquilles assemblées autorisant la lubrification, le vilebrequin étant réalisé par forgeage à chaud des demi-coquilles par soudure par compression à chaud. Un tel procédé de fabrication présente cependant encore des inconvénients notamment du fait de la présence de calamine résultant de la soudure et se retrouvant dans le vilebrequin ainsi formé compromettant la propreté du circuit de lubrification. [0014] 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, qui peut rendre nécessaire l'utilisation d'une pompe à huile spécifique 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. [0015] 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. [0016] 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. [0017] L'invention a donc pour but de proposer un vilebrequin acier creux présentant un allègement intéressant en gain de poids et qui garantit également une étanchéité optimale des circuits de lubrification haute pression entre les tourillons et les manetons tout en étant d'une réalisation simple. [ools] A cet effet l'invention concerne un vilebrequin pour moteur à combustion interne, caractérisé en ce qu'il présente une enveloppe externe métallique dont la face interne est revêtue d'une couche de matière plastique. [0019] Ainsi de manière avantageuse, l'invention permet de remédier au problème de propreté du circuit d'huile que pose un vilebrequin creux forgé soudé du fait de la présence de corps polluants tels que calamine, grenailles ou autres pouvant être présents à l'intérieur du vilebrequin en déposant sur la surface interne du vilebrequin creux une fine couche de plastique englobant lesdits corps polluants. En outre, le revêtement de la surface interne du vilebrequin permet également de réduire sensiblement le volume du circuit d'huile ainsi défini par l'espace intérieur creux du vilebrequin. [0020] De préférence, l'enveloppe externe est constituée d'un matériau métallique tel que de l'acier forgé. De manière encore plus préférée, l'enveloppe externe est constituée de l'assemblage par soudage de deux demi-coquilles creuses en acier issues de forgeage. [0021] La matière plastique constituant la couche de revêtement interne 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 PA11, PAl2, PA6.10, PA6.12, PA6, PA66, PA46, de type polyphtalamide tel que PA6T/66, PA6T/61, de type polybutylène téréphtalate (PBT). [0022] De préférence, le vilebrequin comporte un circuit de lubrification constitué de conduits reliant un palier et un maneton qui présentent respectivement un perçage vers l'extérieur et en communication avec l'espace creux intérieur du vilebrequin. Les conduits sont définis par l'espace creux intérieur du vilebrequin. Ainsi, ce vilebrequin est ensuite percé de manière à alimenter en huile les paliers et les manetons depuis le circuit principal traversant le coeur du vilebrequin. [0023] L'invention concerne également un procédé de fabrication d'un vilebrequin creux, caractérisé en ce qu'on forme l'enveloppe externe par forgeage, puis on dépose ensuite sur la surface interne de ladite enveloppe extérieure une couche de matière plastique. De préférence, on assemble par soudage deux demi-coquilles creuses en acier issues de forgeage pour former l'enveloppe externe du vilebrequin [0024] Selon un mode de mise en oeuvre, le dépôt de la couche de matière plastique est réalisé par rotomoulage. [0025] Ainsi, après réalisation de l'enveloppe du vilebrequin, le corps creux métallique préalablement chauffé est rempli de poudre de matière plastique puis mis en rotation 10 comme cela est classique dans le procédé de rotomoulage. [0026] Par comparaison avec le rotomoulage d'une pièce 100% plastique, le vilebrequin creux métallique joue ici le rôle de moule de remplissage sauf que dans le cas présent on ne démoule pas la pièce plastique. L'avantage d'un tel procédé de rotomoulage est d'obtenir une épaisseur constante et plus ou moins épaisse selon les 15 besoins, l'épaisseur étant fonction du temps de chauffage et de refroidissement. [0027] Un vilebrequin obtenu par ce mode de mise en oeuvre pourra ensuite être percé de manière à alimenter en huile les paliers et les manetons depuis le circuit principal traversant le coeur du vilebrequin. Le plastique ne pose pas de difficulté particulière au moment de l'usinage (car la famille de matière choisie n'est pas dure). 20 [0028] De même, l'ajout d'un dépôt de plastique à l'intérieur du vilebrequin n'augmentera pas de manière significative la masse du vilebrequin creux. [0029] De plus, il n'y a plus de risques de présence de corps polluants tels que la calamine, la grenaille ou autres dans le circuit d'huile car ces polluants sont englobés dans la couche de matière plastique. Ce type de procédé peut être appliqué 25 idéalement directement chez le forgeron à l'issue de la forge puis du soudage des demi-coquilles. [0030] L'invention concerne également un moteur à 2, 3, 4 ou 6 cylindres pourvu d'un tel vilebrequin ainsi qu'un véhicule comportant un tel moteur. [0031] On décrira maintenant l'invention plus en détails en référence au dessin dans 30 lequel la figure 1 représente une vue en coupe longitudinale d'un vilebrequin en acier creux selon l'invention, la figure 2 représente le vilebrequin de la figure 1 après usinage des trous de passage d'huile sur un maneton et un palier. [0032] Le vilebrequin creux 1 représenté dans les figures 1 et 2 présente quatre manetons 2 et cinq paliers 3. Il est constitué de deux demi-coquilles 4 réalisées en acier forgé. Après assemblage des deux demi-coquilles creuses 4 par soudage, on obtient une enveloppe externe de vilebrequin 1 sur la surface interne de laquelle on dépose une couche 5 de matière plastique. [0033] Selon un mode de mise en oeuvre préféré, le dépôt de la couche 5 de matière plastique est réalisé par rotomoulage. [0034] Ainsi, après réalisation de l'enveloppe du vilebrequin 1, le corps creux métallique préalablement chauffé est rempli de poudre de matière plastique en quantité voulue, puis il est mis en rotation pour un dépôt uniforme de plastique à l'intérieur du vilebrequin comme cela est classique dans le procédé de rotomoulage. Le moule (enveloppe métallique du vilebrequin 1) transmet les calories à la matière qui fond et se répartit uniformément à l'intérieur du moule. [0035] L'invention 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] La matière plastique constituant la couche de revêtement interne 5 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 PA11, PAl2, PA6.10, PA6.12, PA6, PA66, PA46, de type polyphtalamide tel que PA6T/66, PA6T/61, de type polybutylène téréphtalate (PBT). [0037] La densité des PA est selon le type comprise entre 1010 kg/m3 à 1180 kg/m3. Pour comparaison également la densité de l'acier = 7850 kg/m3. De ce fait, un vilebrequin selon l'invention permet un gain en poids très intéressant. [0038] De même, l'ajout d'un dépôt de plastique à l'intérieur du vilebrequin 1 30 n'augmentera pas de manière significative la masse du vilebrequin creux. [0039] De plus, il n'y a plus de risques de présence de corps polluants tels que calamine, grenaille ou autres dans le circuit d'huile 6 défini par le coeur creux du vilebrequin 1. [0040] Par ailleurs, le volume du circuit d'huile réduite par la couche de matière plastique n'implique plus nécessairement l'utilisation d'une pompe spéciale. [0041] Un vilebrequin) ainsi obtenu est ensuite percé de manière à alimenter en huile les paliers 3 et les manetons 2 depuis le circuit principal 6 traversant le coeur du vilebrequin 1 au niveau des conduits reliant paliers 3 et manetons 2. Les trous 7 sont uniquement représentés sur un maneton 2 et un palier 3 et doivent être reproduits sur l'ensemble du vilebrequin. [0042] L'invention n'est nullement limitée à l'exemple décrit mais englobe l'ensemble des variantes définies. REVENDICATIONS1. Vilebrequin (1) pour moteur à combustion interne, caractérisé en ce qu'il présente une enveloppe externe métallique dont la face interne est revêtue d'une couche (5) de matière plastique. 2. Vilebrequin (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'enveloppe externe est constituée d'un matériau métallique tel que de l'acier forgé, 3. Vilebrequin (1) selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'enveloppe externe est constituée de l'assemblage par soudage de deux demi-coquilles creuses issues de forgeage. 4. Vilebrequin (1) selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la matière plastique constituant la couche de revêtement interne (5) 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 PA11, PAl2, PA6.10, PA6.12, PA6, PA66, PA46, de type polyphtalamide tel que PA6T/66, PA6T/61, de type polybutylène téréphtalate (PBT). 5. Vilebrequin (1) selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte un circuit de lubrification (6) constitué de conduits reliant un palier (3) et un maneton (2) qui présentent respectivement un perçage (7) vers l'extérieur et en communication avec l'espace creux intérieur du vilebrequin (1). 6. Procédé de fabrication d'un vilebrequin creux (1), caractérisé en ce qu'on forme par forgeage l'enveloppe externe du vilebrequin, puis on dépose sur la surface interne de ladite enveloppe extérieure une couche de matière plastique. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'on assemble par soudage deux demi-coquilles métalliques telles qu'en acier forgé, creuses pour former l'enveloppe externe du vilebrequin. 8. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que le dépôt de la couche de matière plastique est réalisé par rotomoulage. 9. Moteur à combustion interne pourvu d'un vilebrequin selon l'une des revendications 1 à 5. 10. Véhicule comportant un moteur selon la revendication 9. 8