Brevet FR2988780A1 — publié le 20131004

"Ensemble de culasse de moteur thermique" La présente invention concerne un ensemble de culasse de moteur thermique, notamment de véhicule automobile, dit à arbre à cames en tête comportant une culasse recevant en rotation un arbre à cames qui est guidé en rotation dans ladite culasse par l'intermédiaire d'au moins deux paliers, chaque palier comportant au moins : - une portée cylindrique interne solidaire de la périphérie de l'arbre à cames et, - une base de palier comportant une demi-portée externe inférieure solidaire de la culasse, - un chapeau de palier, comportant une demi-portée externe supérieure, apte à être fixé à la culasse au droit de la base de palier pour ajuster la demi-portée externe inférieure avec la demi-portée externe supérieure de manière à former une portée externe du palier. On connaît de nombreux exemples d'ensembles de culasse, notamment des ensembles de culasse comportant des paliers lisses. Ces paliers lisses présentent notamment l'inconvénient d'être soumis à d'importants efforts radiaux et à une pollution élevée de l'huile, notamment à base de matières charbonneuses ou de particules métalliques, qui entraînent l'usure des paliers de la culasse. Cette usure est particulièrement préjudiciable aux culasses réalisées dans des matériaux tendres comme l'aluminium. Pour réduire les frottements et réduire par ailleurs les émissions de CO2 des moteurs, il a été envisagé d'ajouter des roulements sur les paliers d'arbres à cames. Or, du fait de la forme des cames, il n'est pas possible de 30 monter un roulement préalablement assemblé sur un arbre à cames après que l'arbre à cames ait été fabriqué. Plusieurs solutions consistent donc à rapporter sur l'arbre à cames et dans la culasse les différents éléments constitutifs du roulement, à savoir au moins un élément formant la piste intérieure du roulement, une cage, et au moins un élément formant la piste extérieure du roulement. En effet, la culasse étant généralement en aluminium, matériau dont la dureté est réduite, il n'est pas possible de former le ou les éléments extérieurs du roulement directement dans la culasse. Il n'est pas non plus possible de former le ou les éléments intérieurs du roulement directement sur l'arbre à cames. En effet, la réalisation d'une piste de roulement sur un arbre à cames impliquerait un traitement de celui-ci visant à accroître sa dureté. Or, la plupart des arbres à cames actuels sont réalisés à l'aide d'un procédé selon lequel la came est enfilée sur un tube, tube qui est ensuite soumis à un procédé de déformation pour immobiliser la came sur ledit tube. Ce procédé de déformation implique de pouvoir utiliser un tube dont la dureté est limitée afin de garantir sa déformation plastique dans la came associée. L'utilisation d'un tube de dureté élevée rendrait impossible le montage des cames. Dans la suite de la description du processus de déformation du tube de l'arbre à cames nous prendrons en exemple le processus dit de « dudgeonnage » mais le problème reste identique à d'autre techniques telles que l'hydroformage, le frettage à chaud ou à froid. Selon une première solution connue de l'état de la technique, il a été proposé de monter successivement une demi- bague extérieure inférieure du roulement dans la culasse, puis deux demi-cages porteuses d'aiguilles, de rouleaux ou de billes sur l'arbre à came, à nouveau une demi-bague extérieure supérieure du roulement, et enfin un chapeau de palier ou couvre-culasse. Outre un temps de montage relativement long de ces éléments, ceux-ci risquent d'être mal montés et de provoquer le coincement du palier. Selon une deuxième solution connue de l'état de la technique, il a été proposé de créer des bagues et cages fendues pouvant être écartées puis enfilées sur l'arbre à cames. Cette solution nécessite un montage compliqué du fait de l'emplacement du palier qui est généralement implanté entre deux cames consécutives et ne dispose à ce titre que d'un encombrement axial limité. Le montage doit tenir compte de cet encombrement axial car il est nécessaire de mettre en place successivement dans cet espace restreint la cage puis la bague extérieure. Par ailleurs, ces deux solutions ne sont pas satisfaisantes, car la jointure des demi-bagues ou des bords de fente d'une même bague constitue un défaut sur la piste considérée du roulement, défaut qui peut provoquer une usure accélérée des éléments roulants du roulement. L'invention remédie à ces inconvénients en remplaçant les bagues ou demi-bagues par un revêtement épais déposé sur les portées de paliers de la culasse et/ou de l'arbre à cames. Dans ce but, l'invention propose un ensemble de culasse de moteur thermique du type décrit précédemment, caractérisé en ce que au moins les portées externes de chaque palier sont obtenues par projection à froid de poudres métalliques et/ou céramiques à l'aide d'un gaz selon un procédé dit de projection gazo-dynamique. Selon d'autres caractéristiques de l'invention : - la portée interne de chaque palier est aussi obtenue par projection à froid de poudres métalliques et/ou céramiques à 25 l'aide d'un gaz selon un procédé dit de projection gazo-dynamique ; - la portée cylindrique interne est montée directement tournante dans les demi-portées externes inférieure et supérieure ; 30 - au moins une cage munie d'éléments roulants, notamment des aiguilles, des rouleaux ou des billes, est interposée entre la portée cylindrique interne et les demi-portées externes inférieure et supérieure ; - chaque portée obtenue par projection à froid de poudres métalliques et/ou céramiques à l'aide d'un gaz selon un procédé dit de projection gazo-dynamique est d'une épaisseur de 100 à 5000 L'invention concerne aussi un procédé de fabrication d'un palier de culasse du type décrit précédemment comportant au moins : - une portée cylindrique interne solidaire de la périphérie de l'arbre à cames et, io - une base de palier comportant une demi-portée externe inférieure solidaire de la culasse, - un chapeau de palier, comportant une demi-portée externe supérieure, apte à être fixé à la culasse au droit de la base de palier pour ajuster la demi-portée externe inférieure avec 15 la demi-portée externe supérieure de manière à former une portée externe du palier. Selon un premier mode de réalisation de l'invention ce procédé est caractérisé en ce qu'on introduit dans un flux de gaz à haute vitesse des poudres métalliques et/ou céramiques qui 20 sont projetées à froid sur la base et le chapeau de palier et/ou la périphérie de l'arbre à cames de manière qu'elle s'y déforment plastiquement et s'y consolident. Selon un second mode de réalisation de l'invention, ce procédé est caractérisé en ce qu'on introduit répétitivement dans 25 une chambre d'un canon remplie d'un mélange gazeux explosif des poudres métalliques et/ou céramiques, puis en ce que l'on provoque une détonation dans ladite chambre pour projeter lesdites poudres par le canon sur la base et le chapeau de palier et/ou la périphérie de l'arbre à cames de manière qu'elles s'y 30 déforment plastiquement et s'y consolident. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit pour la compréhension de laquelle on se reportera aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une vue schématique en coupe transversale illustrant le montage d'un palier rapporté d'arbre à cames selon un premier état antérieur de la technique ; - les figures 2A à 2F sont des vues longitudinales illustrant le montage d'un palier rapporté d'arbre à cames selon un second état antérieur de la technique ; - la figure 3 est une vue en coupe transversale d'une bague extérieure du palier de la figure 1 ; - la figure 4 est une vue en coupe longitudinale illustrant la fabrication d'un arbre à cames ; - la figure 5 est une vue schématique en coupe transversale d'un palier lisse selon l'état de la technique ; - la figure 6 est une vue en coupe longitudinale éclatée représentant un ensemble de culasse selon un premier mode de réalisation de l'invention ; - la figure 7 est une vue en coupe longitudinale éclatée représentant un ensemble de culasse selon un second mode de réalisation de l'invention ; - la figure 8 est une vue en coupe longitudinale représentant un premier dispositif de projection gazo-dynamique mis en oeuvre dans le procédé selon l'invention ; - la figure 9 est une vue en coupe longitudinale représentant un second dispositif de projection gazo-dynamique mis en oeuvre dans le procédé selon l'invention. Dans la suite de la description, les termes "inférieur" et "supérieur" sont utilisés de manière non limitative à des fins de description des figures et sans rapport avec la direction de la gravité. On a représenté à la figure 5 une partie d'un ensemble de 30 culasse d'un moteur thermique (non représenté), notamment un moteur thermique de véhicule automobile, dit à arbre à cames en tête. De manière connue, l'ensemble comporte une culasse 10 recevant en rotation un arbre à cames 12 qui est guidé en rotation dans ladite culasse 10 par l'intermédiaire d'au moins deux paliers 14, chaque palier 14 comportant au moins : - une portée cylindrique interne 16 solidaire de la périphérie de l'arbre à cames et, - une base de palier 18 comportant une demi-portée 20 externe inférieure solidaire de la culasse, - un chapeau de palier 22, comportant une demi-portée 24 externe supérieure, apte à être fixé à la culasse 10 au droit de la base de palier 18 pour ajuster la demi-portée externe inférieure 20 avec la demi-portée externe supérieure 24 de manière à former globalement une portée externe du palier 18. Dans une culasse 10 conventionnelle telle qu'elle a été représentée à la figure 5, la portée cylindrique interne 16 est formée directement sur l'arbre à cames 12 et les demi-portées inférieure 20 et supérieure 24 sont formées directement dans la culasse 10, formant ainsi un palier 14 lisse. Un tel palier lisse 14 présente l'inconvénient d'être soumis à d'importants efforts radiaux et à une pollution élevée de l'huile, notamment une pollution à base de matières charbonneuses ou de particules métalliques, qui entraînent l'usure du palier 14 de la culasse 10. Cette usure est particulièrement préjudiciable aux culasses qui sont réalisées dans des matériaux tendres comme l'aluminium. Pour réduire les frottements et réduire par ailleurs les émissions de CO2 des moteurs, il a été envisagé d'ajouter des roulements sur les paliers d'arbres à cames. Or la spécificité des formes et des procédés de fabrication en grande série des arbres à cames ne permet pas de monter 30 aisément un roulement entre arbre à cames et culasse. Ainsi, du fait de la forme des cames, il n'est pas possible de monter un roulement déjà assemblé sur un arbre à cames après que l'arbre à cames ait été fabriqué. Plusieurs solutions consistent donc à rapporter sur l'arbre à cames et dans la culasse les différents éléments constitutifs du roulement, à savoir au moins un élément formant la piste intérieure du roulement, une cage, et au moins un élément formant la piste extérieure du roulement. Ces éléments formant les pistes interne et externe du roulement sont en effet indispensables. En effet, dans le cas d'une culasse réalisée en un matériau tendre comme l'aluminium, dont la dureté est réduite, il n'est pas possible de former le ou les éléments extérieurs du roulement directement dans la culasse. Il n'est pas non plus possible de former le ou les éléments intérieurs du roulement directement sur l'arbre à cames. En effet, la réalisation d'une piste de roulement sur un arbre à cames impliquerait un traitement préalable de celui-ci visant à accroître sa dureté. Or, la plupart des arbres à cames 12 actuels sont réalisés à l'aide d'un procédé de déformation dont un exemple est le processus dit de "dudgeonnage", comme représenté à la figure 4. Selon ce procédé, les cames 26 sont enfilées sur un tube 28 comportant un alésage 30. Le tube 28 est ensuite déformé intérieurement par l'introduction dans son alésage 30 d'un outil 32 de diamètre supérieur au diamètre de l'alésage 30, ce qui permet de déformer plastiquement le tube 28 pour immobiliser la came 26 sur ledit tube 28. Ce procédé de déformation implique donc de pouvoir utiliser un tube 28 dont la dureté est limitée afin de garantir sa déformation plastique et l'immobilisation des cames 26 associées. L'utilisation d'un tube 28 de dureté élevée rendrait impossible le montage des cames 26 selon ce procédé. Aussi, pour réaliser un montage d'un roulement 11 entre l'arbre à came 12 et la culasse 10, il a été proposé selon une première solution connue de l'état de la technique qui a été représentée à la figure 1, de monter successivement une demi-bague extérieure inférieure 34 du roulement dans la culasse 18, puis une demi-cage 36, porteuse d'aiguilles, de rouleaux ou de billes 40 sur l'arbre à came, une autre demi-cage 42, porteuse d'aiguilles , de rouleaux ou de billes 40 sur l'arbre à came 12 puis 5 à nouveau une demi-bague extérieure 44 supérieure du roulement, et enfin un chapeau de palier ou couvre-culasse 22. Dans cette configuration la demi-bague extérieure inférieure 34 du roulement 11 comporte la demi-portée inférieure 20 et la demi-bague extérieure 44 supérieure comporte la demi- 10 portée supérieure 24. Outre un temps de montage relativement long de ces éléments, ceux-ci risquent d'être mal montés et de provoquer le coincement du palier. Selon une deuxième solution connue de l'état de la 15 technique qui a été représentée aux figures 2A à 2F, il a été proposé de créer un roulement 11 à partir d'une bague extérieure 46 fendue et d'une cage fendue 48 pouvant être écartées puis enfilées sur l'arbre à cames 12. Selon cette conception, on enfile d'abord la cage fendue 48 20 entre deux cames 26 comme représenté à la figure 2A, puis on plaque la cage contre une des cames comme représenté à la figure 2B. On introduit alors la bague extérieure fendue 46 dans l'espace restant en écartant ses bords 50 comme représenté à la figure 2C puis en les relâchant comme représenté à la figure 2D. 25 On répète la même opération pour agencer la bague 46 sur la cage 48, comme représenté aux figures 2E et 2F. Cette solution nécessite un montage compliqué du fait de l'emplacement du palier qui est généralement implanté entre deux cames 26 consécutives et ne dispose à ce titre que d'un 30 encombrement "e" axial limité. Le montage doit tenir compte de cet encombrement axial car il est nécessaire de mettre en place successivement dans cet espace "e" restreint la cage 48 puis la bague extérieure 46. Les deux solutions précédemment évoquées ne sont en tout état de causes pas satisfaisantes, car la jointure 51 des demi-bagues 34, 44 représentée à la figure 3 ou la jointure des bords 50 de fente d'une même bague 46 représentés à la figure 2F constituent un défaut sur la piste considérée du roulement associé, défaut qui peut provoquer une usure accélérée des éléments roulants du roulement. L'invention remédie à ces inconvénients en remplaçant les bagues ou demi-bagues d'un roulement par un revêtement épais déposé sur les portées 16, 20, 24 de paliers de la culasse 10 et/ou de l'arbre à cames 12. Dans ce but, et comme cela est illustré aux figures 6 et 7, l'invention propose un ensemble de culasse 10 de moteur thermique du type décrit précédemment, caractérisé en ce que au moins la portée externe 20, 24 de chaque palier 14 est obtenue par projection à froid de poudres métalliques et/ou céramiques à l'aide d'un gaz selon un procédé dit de projection gazodynamique. Avantageusement, dans le mode de réalisation préféré de l'invention, la portée interne 16 de chaque palier est aussi obtenue par projection à froid de poudres métalliques et/ou céramiques à l'aide d'un gaz selon un procédé dit de projection gazo-dynamique. Il existe deux types principaux de procédés de projection 25 gazo-dynamique. Selon un premier type de procédé qui a été représenté à la figure 8, on introduit dans un flux "F" de gaz à haute vitesse des poudres métalliques et/ou céramiques 53 qui sont projetées à froid sur la base 18 et le chapeau 22 de palier et/ou la périphérie 30 de l'arbre à cames 12 de manière qu'elle s'y déforment plastiquement et s'y consolident. Par exemple, le flux de gaz F est créé dans une chambre 52 qui débouche dans un canon 54 alimenté en poudre 53 par une trémie 56. Selon un second type de procédé qui a été représenté à la figure 9, on introduit répétitivement dans une chambre 60 d'un canon 62, remplie d'un mélange gazeux explosif "G", des poudres métalliques et/ou céramiques 53, puis on provoque une détonation dans ladite chambre 60 par exemple à l'aide d'une bougie 64 pour projeter lesdites poudres par le canon sur la base 18 et le chapeau 22 de palier et/ou la périphérie de l'arbre à cames 12 de manière qu'elles s'y déforment plastiquement et s'y consolident. Ce procédé permet d'obtenir des portée externe 20, 24 de palier 14 qui sont consolidées par la projection des poudres métalliques. A cet effet, chaque portée 16, 20 ou 24 obtenue par projection à froid de poudres métalliques et/ou céramiques à l'aide d'un gaz selon un procédé dit de projection gazo-dynamique est d'une épaisseur de 100 à 5000 i_tm. La réalisation de ces portées 16, 20, 24 est bien entendu réalisée sur l'arbre à cames 12 fini, après la fixation des cames 26 sur le tube 28. Selon cette conception générale, plusieurs types de paliers peuvent être envisagés. Selon un premier mode de réalisation de l'invention qui a été représenté à la figure 7, la portée cylindrique interne 16 est montée directement tournante dans les demi-portées externes inférieure 20 et supérieure 24. Selon un premier mode de réalisation de l'invention qui a été représenté à la figure 8 au moins une cage 66 munie d'élément roulants 68, notamment des aiguilles, des rouleaux ou des billes, est interposée entre la portée cylindrique interne 16 et les demi-portées externes inférieure 20 et supérieure 24. Il sera compris que la cage 66 peut être une cage unique fendue ou bien être constituée de deux demi-cages. L'invention permet donc de réaliser de manière simple, avantageuse et résistante un montage de roulement entre un arbre à came 12 et une culasse 10 de véhicule automobile, ce qui permet d'augmenter la longévité des culasses réalisées dans des matériaux tendres tels que l'aluminium. REVENDICATIONS1. Ensemble de culasse (10) de moteur thermique, notamment de véhicule automobile, dit à arbre à cames en tête comportant une culasse (10) recevant en rotation un arbre à cames (12) qui est guidé en rotation dans ladite culasse (10) par l'intermédiaire d'au moins deux paliers (14), chaque palier (14) comportant au moins : - une portée (16) cylindrique interne solidaire de la périphérie de l'arbre à cames (12) et, - une base de palier (18) comportant une demi-portée (20) externe inférieure solidaire de la culasse, - un chapeau de palier (22), comportant une demi-portée (24) externe supérieure, apte à être fixé à la culasse (10) au droit de la base de palier (18) pour ajuster la demi-portée externe inférieure avec la demi-portée externe supérieure de manière à former une portée externe du palier, caractérisé en ce que au moins la portée externe (20, 24) de chaque palier (14) est obtenue par projection à froid de poudres métalliques et/ou céramiques (56) à l'aide d'un gaz selon un procédé dit de projection gazo-dynamique. 2. Ensemble de culasse (10) de moteur thermique selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la portée interne (16) de chaque palier (14) est aussi obtenue par projection à froid de poudres métalliques et/ou céramiques (56) à l'aide d'un gaz selon un procédé dit de projection gazo-dynamique. 3. Ensemble de culasse (10) de moteur thermique selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la portée cylindrique interne (16) est montée directement tournante dans les demi-portées externes inférieure (20) et supérieure (24). 4. Ensemble de culasse (10) de moteur thermique selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'au moins une cage (66) munie d'élément roulants (68), notamment des aiguilles, des rouleaux ou des billes, est interposée entre laportée cylindrique interne (16) et les demi-portées externes inférieure (20) et supérieure (24). 5. Ensemble de culasse (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque portée (16, 20, 24) obtenue par projection à froid de poudres métalliques et/ou céramiques à l'aide d'un gaz selon un procédé dit de projection gazo-dynamique est d'une épaisseur de 100 à 5000 i_tm. 6. Procédé de fabrication d'un palier (14) de culasse selon l'une quelconques des revendications 1 à 5, comportant au moins: - une portée (16) cylindrique interne solidaire de la périphérie de l'arbre à cames (12) et, - une base (18) de palier comportant une demi-portée (20) externe inférieure solidaire de la culasse (10), - un chapeau de palier (22), comportant une demi-portée (24) externe supérieure, apte à être fixé à la culasse (10) au droit de la base de palier (18) pour ajuster la demi-portée externe (20) inférieure avec la demi-portée externe supérieure (24) de manière à former une portée externe du palier (18), caractérisé en ce qu'on introduit dans un flux (F) de gaz à haute vitesse des poudres métalliques et/ou céramiques (56) qui sont projetées à froid sur la base (18) et le chapeau (22) de palier et/ou la périphérie de l'arbre à cames (12) de manière qu'elle s'y déforment plastiquement et s'y consolident. 7. Procédé de fabrication d'un palier de culasse selon l'une quelconques des revendications 1 à 5, comportant au moins : - une portée (16) cylindrique interne solidaire de la périphérie de l'arbre à cames (12) et, - une base (18) de palier comportant une demi-portée (20) externe inférieure solidaire de la culasse (10), - un chapeau de palier (22), comportant une demi-portée (24) externe supérieure, apte à être fixé à la culasse (10) au droit de la base de palier (18) pour ajuster la demi-portée externe (20)inférieure avec la demi-portée externe supérieure (24) de manière à former une portée externe du palier (18), caractérisé en ce qu'on introduit répétitivement dans une chambre (60) d'un canon (62) remplie d'un mélange gazeux (G) explosif des poudres métalliques et/ou céramiques (56), puis en ce que l'on provoque une détonation dans ladite chambre (60) pour projeter lesdites poudres (56) par le canon (62) sur la base (18) et le chapeau (22) de palier et/ou la périphérie de l'arbre à cames (12) de manière qu'elles s'y déforment plastiquement et s'y consolident.