Brevet FR2979268A1 — publié le 20130301

PROCEDE DE FABRICATION D'UNE CULASSE PRESENTANT UN GUIDE DE POUSSOIR DE SOUPAPE [0001] L'invention concerne la fabrication des culasses de moteurs à combustion interne, et en particulier la fabrication de culasses logeant au moins un poussoir de soupape. [0002] La distribution d'un moteur doit assurer le remplissage des cylindres en gaz frais, puis l'évacuation des gaz brûlés, tout en pouvant maintenir l'étanchéité du cylindre lors de la phase de compression et de la combustion. La distribution a donc une influence importante sur les performances et le niveau de pollution d'un moteur et elle est aujourd'hui en partie conçue en fonction de ces deux contraintes. Le système de distribution qui équipe actuellement tous les moteurs alternatifs à piston quatre temps, est celui à soupapes actionnées par des cames. La distribution à soupapes est actuellement la plus utilisée sur les moteurs à quatre temps car, par rapport aux autres, elle assure bien le remplissage/vidage de la chambre de combustion tout en étant fiable, simple et peu coûteuse. [0003] Les moteurs actuels emploient maintenant quasiment tous des arbres à cames en tête, c'est-à-dire positionnés au sommet de la culasse et entraînant directement les soupapes via des actionneurs. L'arbre à cames sert avant tout à commander les soupapes. L'arbre à cames est entraîné par le vilebrequin par l'intermédiaire d'une courroie, d'une chaîne, ou très rarement d'une cascade de pignons. Il peut aussi servir à entraîner un autre composant du moteur tel qu'une pompe. Un des actionneurs de soupape les plus répandus est le poussoir. Le poussoir transforme le mouvement rotatif de la came en mouvement linéaire de la soupape, selon les profils de came imposés. La soupape est généralement entraînée par le biais de composants tels qu'une coupelle et un ressort. Le poussoir est guidé en translation par la culasse. Les poussoirs peuvent être de type hydraulique ou mécanique. Le poussoir hydraulique permet de rattraper les jeux. Le poussoir offre une excellente rigidité. [0004] Du fait d'une recherche constante de réduction de la consommation de carburant des véhicules automobiles, un certain nombre de développements visent à réduire au maximum les frottements entre les pièces mécaniques en mouvement. Les frottements du mécanisme de distribution sont une source non négligeable de frottements, en particulier au ralenti. Le coulissement des poussoirs dans la culasse est notamment soumis à d'importants frottements. [0005] Une solution connue pour réduire le frottement des poussoirs dans la culasse est la formation d'un film lubrifiant sec de type DLC (pour « Diamond Like Carbon » en langue anglaise, ou carbone similaire au diamant) par dépôt sous vide en phase vapeur. Un tel procédé s'avère cependant difficilement compatible avec les exigences de coût et de cadence de fabrication en série. [0006] L'invention vise à résoudre un ou plusieurs de ces inconvénients. L'invention porte ainsi un procédé de fabrication d'une culasse de moteur à combustion interne destinée à guider un arbre à came en rotation, comprenant les étapes de : - fourniture d'un moule perdu en forme de culasse, le moule perdu étant inclus dans un autre moule résistant à une coulée de métal, le moule perdu comportant une forme définissant un guide de poussoir présentant un alésage cylindrique de section circulaire, l'alésage présentant un relief par rapport à la section circulaire ; - coulée de métal dans l'autre moule de façon à former la culasse par décomposition du moule perdu. [0007] Selon une variante, le relief de l'alésage du moule perdu fourni est une gorge formée dans une paroi de l'alésage. [0008] Selon encore une variante, la gorge de l'alésage du moule perdu fourni est rectiligne et s'étend selon l'axe de l'alésage cylindrique du guide de poussoir. [0009] Selon une autre variante, la gorge de l'alésage du moule perdu fourni s'étend sur toute la hauteur de l'alésage cylindrique. [0010] Selon encore une autre variante, la gorge de l'alésage du moule perdu fourni présente une largeur comprise entre 1 et 3 mm. [0011] Selon une variante, la gorge de l'alésage du moule perdu fourni présente une profondeur comprise entre 2 et 5 mm. [0012] Selon une variante, le procédé comprend en outre une étape d'usinage de l'alésage du guide de poussoir de la culasse formé. [0013] Selon une autre variante, le procédé comprend en outre une étape de montage d'un poussoir dans le guide de poussoir de la culasse formée, le poussoir comportant un relief de forme complémentaire du relief de l'alésage du guide de poussoir de la culasse formée. [0014] Selon une autre variante, le moule perdu fourni comporte une forme définissant un guide de queue de soupape disposé dans l'alignement de la forme définissant le guide de poussoir. [0015] Selon encore une variante, dans lequel l'alésage du moule perdu fourni présente au moins deux reliefs par rapport à la section circulaire, l'étape de coulée comporte la coulée d'un alliage d'aluminium. [0016] L'invention a également pour objet l'association du moule perdu et de l'autre moule, tels qu'ils ont été décrits précédemment, ainsi que la culasse obtenue par le procédé décrit plus haut. [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 de différents composants de la distribution d'un moteur à combustion interne ; - la figure 2 est une vue de dessus d'une première variante de poussoir destiné à être monté dans une culasse ; - la figure 3 est une vue de dessus d'une deuxième variante de poussoir destiné à être monté dans une culasse ; - la figure 4 est une vue en coupe de côté du poussoir de la figure 3 ; - la figure 5 est une vue de dessus d'un guide de poussoir d'une culasse réalisée par un procédé selon l'invention ; - la figure 6 est une vue de dessus de l'assemblage du poussoir de la figure 3 dans le guide de la figure 5 ; - la figure 7 est une vue en coupe de côté d'un système de moule pour former une culasse. [0018] La figure 1 est une vue en perspective de différents composants de la distribution d'un moteur à combustion interne. Un arbre à came 2 est monté pivotant dans une culasse. L'arbre à came 2 est entraîné en rotation par le moteur à combustion interne et comporte une came 3 encastrée sur un arbre de l'arbre à came. La rotation de la came 3 sollicite un poussoir 1 en translation. Le poussoir 1 est monté coulissant dans un logement de la culasse. Le poussoir 1 entraîne une soupape 4 en translation, par exemple par l'intermédiaire d'une coupelle non illustrée. [0019] La figure 2 illustre une première variante d'un poussoir 1. Le poussoir 1 présente une paroi 12 sensiblement cylindrique de section circulaire. L'intérieur du poussoir 1 est évidé pour loger par exemple un ressort de rappel et une coupelle. Le poussoir 1 comporte une rainure incurvée 13 dans sa partie supérieure, dont le profil permet de réduire les frottements par contact avec la came 3. Le poussoir 1 comporte en outre un ergot 11 formant un relief en saillie radialement par rapport à la paroi 12. Comme détaillé par la suite, l'ergot 11 permet d'éviter un pivotement du poussoir 1 autour de son axe à l'intérieur d'un guide de poussoir de la culasse. L'ergot 11 permet également de favoriser le guidage en coulissement du poussoir 1. [0020] Les figures 3 et 4 illustrent une deuxième variante d'un poussoir 1. Ce poussoir 1 est sensiblement identique à celui de la première variante. Ce poussoir 1 se distingue de celui de la première variante par la présence d'un second ergot 11. Le second ergot 11 est disposé diamétralement opposé au premier ergot. Cette variante permet d'assurer un meilleur guidage en coulissement du poussoir 1. D'autres variantes peuvent être envisagées avec plus de deux ergots 11. [0021] La figure 5 est une vue de dessus de la culasse 5 au niveau d'un guide de poussoir. La culasse 5 comporte ainsi un alésage 51, délimité par une paroi de la culasse 5. L'alésage 51 est cylindrique et de section circulaire. L'alésage 51 est destiné à recevoir le poussoir 1 avec un ajustement coulissant. L'alésage 51 comporte une gorge 52 formant un relief par rapport à la section circulaire. La gorge 52 est conformée pour recevoir un ergot 11 du poussoir 1 de la figure 3. La forme de la gorge 52 est par exemple sensiblement complémentaire de la forme de l'ergot 11. [0022] La figure 6 est une vue de dessus du poussoir 1 monté à l'intérieur de l'alésage 51 du guide de poussoir de la culasse 5. Le relief 11 est logé dans le relief 52. La combinaison du relief 52 et du relief 11 permet d'éviter une rotation du poussoir 1 autour de son axe. Le poussoir 1 n'effectue ainsi qu'une translation le long de l'axe de l'alésage 51. Du fait de la suppression de la rotation du poussoir 1 à l'intérieur de l'alésage 51, les frottements du poussoir 1 sont réduits lorsqu'il est entraîné par la came 3 ou un ressort de rappel. Outre une réduction de la consommation de carburant, un tel guidage permet de réduire les dimensions et donc le poids du poussoir 1 du fait que la surface de contact avec la came 3 est mieux positionnée. [0023] La gorge 52 de l'alésage 51 de la culasse 5 (et donc du moule perdu 6 détaillé par la suite) est rectiligne et s'étend selon l'axe de l'alésage cylindrique 51 du guide de poussoir. [0024] La gorge 52 de l'alésage 51 de la culasse 5 s'étend avantageusement sur toute la hauteur de l'alésage cylindrique, ce qui facilite la géométrie du moule 6. La gorge 52 peut également seulement sur une portion de la hauteur de l'alésage cylindrique. La gorge 52 de l'alésage 51 présente avantageusement une largeur comprise entre 1 et 3mm. La gorge de l'alésage 51 présente avantageusement une profondeur comprise entre 2 et 5mm. [0025] La culasse 5, avec le guide de poussoir comportant l'alésage 51 muni du relief 52, est réalisée par moulage en moule perdu. Un exemple de procédé de moulage à moule perdu applicable à la culasse 5 est décrit ci-dessous. [0026] On réalise dans un premier temps un moule perdu définissant rigoureusement la géométrie de la culasse 5. Le moule perdu est réalisé typiquement à partir d'un composant précurseur en polystyrène. Le composant précurseur peut être réalisé par assemblage par collage de sous-composants. Plusieurs composants peuvent être reliés de façon à former une grappe. [0027] La grappe de composants est ensuite avantageusement plongée dans un bain, dans lequel elle est enduite d'une couche réfractaire. La couche réfractaire est séchée par étuvage et forme une couche rigide à la surface du 2 9 792 6 8 5 composant précurseur, de façon à former le moule perdu. La couche réfractaire sert à absorber les produits de décomposition du polystyrène, la couche présente une perméabilité suffisante pour laisser passer les gaz de décomposition et réguler le flot de métal, et sert de rempart entre le moule en 5 sable et le métal lors de la coulée. [0028] Le moule perdu est introduit dans une cuve où il est enrobé par du sable sec. Le sable est soumis à des vibrations pour remplir toutes les cavités. Le sable forme ainsi le moule dans lequel la culasse sera coulée. La figure 7 est une vue en coupe de la combinaison du moule perdu 6 et du moule en 10 sable 7, au niveau du guide de poussoir. Le moule perdu 6 est inclus dans le moule en sable 7. Le moule perdu 6 est conçu pour se décomposer au contact du métal liquide. Le moule en sable 7 est conçu pour résister à la coulée de métal liquide. [0029] Le métal liquide (par exemple un alliage d'aluminium tel que de l'AI- 15 Si7Cu3Mg) est alors versé sur le moule perdu via un entonnoir de coulée. Le polystyrène du moule perdu 6 se décompose sous l'effet de la chaleur et laisse progressivement la place au métal coulé. Après refroidissement, la culasse moulée est extraite du moule en sable 7 puis nettoyée afin d'éliminer des résidus à sa surface. Les attaques de coulée sont sciées, puis la culasse 5 fait 20 l'objet d'un contrôle d'étanchéité et d'un examen radioscopique. [0030] Le moulage à moule perdu permet d'obtenir une culasse 5 d'une géométrie très complexe avec des cotes très proches de celles de la pièce finie. Un tel type de moulage permet notamment de réaliser des trous d'huile, des conduits de retour ou des canaux de recyclage de gaz de bas moteur dans 25 la culasse 5. La masse de la culasse 5 est réduite et les opérations de parachèvement et d'usinage peuvent être réduites. La formation des rainures dans les logements de poussoirs à l'échelle industrielle est ainsi facilitée. Le moulage à moule perdu est également moins polluant que le moulage par gravité ou le moulage à basse pression. 30 [0031] Le moule perdu 6 fourni comporte un guide 63 de queue de soupape disposé dans l'alignement du guide de poussoir. Ainsi, la culasse moulée 5 comporte un guide de queue de soupape disposé en vis-à-vis de l'alésage 51. [0032] La paroi de l'alésage 51 est avantageusement usinée pour améliorer la précision de ses cotes après le moulage. 35 [0033] Une fois la culasse 5 moulée, et ayant éventuellement subi des usinages de finition, des poussoirs 1 sont montés dans les différents guides de poussoir de la culasse 5. [0034] L'invention n'est bien entendu pas limitée au profil de gorge illustré, en l'occurrence de section sensiblement rectangulaire. La gorge peut ainsi présenter une section arrondie, avec une courbure qui pourra être plus ou moins élevée en fonction du diamètre de l'alésage 51 par exemple. [0035] En conclusion, l'invention fait en sorte que le poussoir ne tourne plus sur lui-même. Il effectue uniquement un mouvement de va et vient imposé par la came. La suppression du mouvement de rotation permet d'éliminer une partie importante des frottements générés. [0036] L'invention permet de diminuer significativement les pertes d'énergie, tout particulièrement à faible régime dans un moteur thermique. Et diminuer les frottements permet de diminuer la consommation de carburant et donc les émissions de gaz carbonique. [0037] Réaliser des gorges anti-rotation dans les alésages culasse permet d'envisager de diminuer les surfaces présentes entre les butées anti-rotation sur poussoirs, ce qui permet un gain en masse non négligeable sur sur les poussoirs, et de dimensionner au juste nécessaire la zone de frottement poussoir/came, ce qui contribue aussi à une diminution de la masse des poussoirs. REVENDICATIONS1. Procédé de fabrication d'une culasse (5) de moteur à combustion interne destinée à guider un arbre à came en rotation, comprenant les étapes de : - fourniture d'un moule perdu en forme de culasse, le moule perdu étant inclus dans un autre moule résistant à une coulée de métal, le moule perdu comportant une forme définissant un guide de poussoir présentant un alésage cylindrique (51) de section circulaire, l'alésage présentant un relief (52) par rapport à la section circulaire ; - coulée de métal dans l'autre moule de façon à former la culasse (5) par décomposition du moule perdu. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le relief (52) de l'alésage (51) du moule perdu fourni est une gorge formée dans une paroi de l'alésage. 3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel la gorge (52) de l'alésage (51) du moule perdu (6) fourni est rectiligne et s'étend selon l'axe de l'alésage cylindrique (51) du guide de poussoir. 4. Procédé selon la revendication 2 ou 3, dans lequel la gorge (52) de l'alésage (51) du moule perdu fourni s'étend sur toute la hauteur de l'alésage cylindrique. 5. Procédé selon l'une des revendications 2 à 4, dans lequel la gorge (52) de l'alésage (51) du moule perdu fourni présente une largeur comprise entre 1 et 3 mm. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, dans lequel la gorge de l'alésage (51) du moule perdu fourni présente une profondeur comprise entre 2 et 5 mm. 7. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant en outre une étape d'usinage de l'alésage (51) du guide de poussoir de la culasse formée (5). 8. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant en outre une étape de montage d'un poussoir (1) dans le guide de poussoir de la culasse formée, le poussoir comportant un relief (11) de forme complémentaire du relief (52) de l'alésage (51) du guide de poussoir de la culasse formée (5). 9. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le moule perdu (6) fourni comporte une forme définissant un guide (62) de queue de soupape disposé dans l'alignement de la forme définissant le guide de poussoir. 10. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'alésage du moule perdu fourni présente au moins deux reliefs (52) par rapport à la section circulaire.