Brevet FR2998670A1 — publié le 20140530

BANC D'ESSAI POUR TESTER DES PROPRIETES TRIBOLOGIQUES D'UN SYSTEME FORME PAR UN MANETON ET DES DEMI-COUSSINETS POUR MOTEUR [0001] L'invention porte sur un banc d'essai pour tester des propriétés tribologiques d'un système formé par un maneton et des demi-coussinets pour moteur, notamment de véhicule automobile, ainsi que sur le procédé de test correspondant. L'invention se rapporte ainsi au fonctionnement de l'attelage mobile d'un moteur à combustion interne. [0002] Comme montré sur la figure 1, l'attelage mobile 1 d'un moteur à combustion interne comporte, de façon connue en soi, un piston 2 animé d'un mouvement de translation à l'intérieur de la chambre de combustion d'un cylindre 3 du moteur. Le piston 2 assure notamment une compression suffisante à l'inflammation du mélange air/essence avant d'être repoussé violemment suite à l'explosion du mélange. [0003] Par ailleurs, un vilebrequin 5 transmet l'énergie dégagée par l'explosion aux roues du véhicule via la boîte de vitesses. Comme cela est visible sur la figure 2, le vilebrequin 5 est composé de paliers 8 appelés tourillons qui assurent son alignement et de paliers 10 excentrés appelés manetons en nombre égal à celui des cylindres 3. [0004] Pour assurer la liaison entre le piston 2 et le vilebrequin 5, l'attelage mobile 1 comporte une bielle 11 permettant la transformation du mouvement linéaire du piston 2 en un mouvement rotatif du vilebrequin 5. [0005] Cette bielle 11 est liée au piston 2 par l'intermédiaire d'un axe de piston. Cet axe peut être soit monté serré à l'intérieur d'un alésage d'une extrémité de la bielle 11 appelée pied de bielle 14, soit monté librement et maintenu de chaque côté de bossages du piston 2 par des anneaux (non représentés). [0006] La jonction entre la bielle 11 et un maneton 10 est assurée par deux demi- coussinets 17 de forme annulaire maintenus autour du maneton 10 par une extrémité de la bielle appelée tête de bielle 19 (cf. figure 3). Cette tête de bielle 19 est coupée en deux suivant un plan diamétral perpendiculaire à la direction d'allongement de la bielle 11. La partie rapportée, appelée chapeau de bielle 21, est fixée au corps de la bielle au moyen d'un système de vis de sorte que la tête de bielle 19 maintient les demi-coussinets 17 plaqués contre la périphérie externe du maneton 10. [0007] Les demi-coussinets 17 permettent de contrôler les risques de grippage entre la tête de bielle 19 et le maneton 10 mais aussi d'accommoder les deux surfaces lors des phases d'arrêt et de redémarrage du moteur au cours desquelles les conditions de contact sont sévères en raison de la présence d'un film d'huile très fin. [0008] Lors de la phase d'explosion se produisant dans la chambre de combustion d'un cylindre 3, c'est-à-dire au moment où le piston 2 est repoussé, une pression de compression est exercée sur la bielle 11. Cette pression est absorbée en partie par le pied de bielle 14 mais aussi par les demi-coussinets 17 positionnés entre le maneton 10 et la bielle 14. Le contact entre les demi-coussinets 17 et le maneton 10 est donc soumis à un choc qui peut occasionnellement entraîner une rupture du film d'huile et conduire à une usure prématurée de l'ensemble pouvant aller jusqu'au grippage. [0009] En outre, les contraintes liées aux émissions de dioxyde de carbone imposées par la réglementation conduisent à alléger des composants du véhicule et/ou à réduire les pertes mécaniques par frottement dans les moteurs et les boîtes de vitesse. Ces modifications engendrent des conditions de fonctionnement sévères susceptibles d'accroître les frottements et l'usure des pièces en mouvement relatif, telles que les manetons 10 du vilebrequin 5 et la bielle 11. [0010] Pour lutter contre ces phénomènes, il est connu d'appliquer des revêtements à bas coefficient de friction sur l'une ou l'autre de ces pièces, voire les deux. De plus, une amélioration de l'état de surface des matériaux en frottement peut être envisagée, par exemple par une texturation adaptée. [0011] Suite à l'application de ces revêtements sur des pièces de révolution comme les demi-coussinets 17, la qualification des propriétés tribologiques des matériaux et revêtements du système maneton/demi-coussinets est réalisée suivant deux méthodes connues. On rappelle ici que les propriétés tribologiques correspondent notamment aux propriétés de frottement et d'usure entre deux pièces en contact l'une avec l'autre. [0012] Ainsi, suivant une première méthode, on fabrique une éprouvette prenant généralement la forme d'une plaque. Cette éprouvette est réalisée dans le même un matériau, présente le même traitement thermique, la même rugosité, et le même état de surface que le maneton 10. Le revêtement à tester pour les coussinets est directement appliqué sur cette éprouvette plane. Un morceau d'échantillon représentatif de la pièce antagoniste, ici la bielle, réalisé en acier est mis en frottement contre la plaque. [0013] L'essai est réalisé sur un système équipé de capteurs qui permettent de déterminer le coefficient de frottement et l'usure des pièces. Toutefois, une telle méthode est très peu représentative des conditions de fonctionnement du contact entre le maneton et les demi-coussinets dans la mesure où les sollicitations appliquées sont très différentes de celles observées lors du fonctionnement du moteur du véhicule. En outre, les pièces testées présentent une forme très différente de la forme des pièces réelles qui est une forme de révolution. [0014] Suivant une deuxième méthode, l'attelage mobile complet est placé directement sur un banc moteur permettant de réaliser des essais de frottement de courte durée pour mesurer le coefficient de frottement et/ou des essais d'endurance pour mesurer le frottement et observer l'usure. Cette méthode très précise est toutefois coûteuse et longue à mettre en oeuvre. [0015] Il existe donc le besoin d'un système de test simple, rapide, peu onéreux, et surtout représentatif des conditions de fonctionnement sur véhicule du contact entre le maneton (revêtu ou non) et un coussinet. [0016] L'invention vise à répondre à ce besoin en proposant un banc d'essai pour tester des propriétés tribologiques d'un système formé par un maneton et des demi-coussinets appartenant à un attelage mobile d'un moteur, notamment de véhicule automobile, caractérisé en ce qu'il comporte: - un arbre moteur apte à entraîner en rotation un maneton alésé issu d'un vilebrequin contre lequel les demi-coussinets sont maintenus en contact par une tête de bielle, et - un système de contrainte apte à appliquer des efforts répétés et cycliques sur la tête de bielle de manière à simuler des efforts subis par le système formé par le maneton et les demi-coussinets lors d'un fonctionnement réel du moteur du véhicule automobile. [0017] Selon une réalisation, le système de contrainte est formé par un bras monté mobile en rotation autour d'un axe sensiblement perpendiculaire à un axe de l'arbre moteur en appui sur la tête de bielle. [0018] Selon une réalisation, le bras est destiné à être déplacé par un excentrique rotatif. [0019] Selon une réalisation, le bras est conformé pour coopérer avec une ouverture ménagée dans une périphérie externe de la tête de bielle. [0020] Selon une réalisation, le banc d'essai comporte un circuit d'huile pour assurer la lubrification du système formé par le maneton et les demi-coussinets. [0021] Selon une réalisation, le banc d'essai comporte un couvercle pour assurer une étanchéité du système. [0022] Selon une réalisation, le couvercle comporte une ouverture située au-dessus d'un axe de l'arbre moteur pour la sortie de l'huile. [0023] Selon une réalisation, l'arbre moteur étant relié à un bâti, le bras porte un capteur de mesure d'une variation de distance entre le bâti et le bras. [0024] Selon une réalisation, le banc d'essai comporte un capteur de mesure du couple d'entraînement de l'arbre moteur. [0025] Selon une réalisation, le banc d'essai comporte un calculateur apte à déterminer les propriétés tribologiques de l'ensemble formé par le maneton et les demi-coussinets à partir de la mesure d'une variation de distance entre le bâti et le bras et/ou du couple d'entraînement de l'arbre moteur. [0026] Selon une réalisation, le banc d'essai comporte un variateur de vitesse apte à entraîner l'arbre moteur à des vitesses représentatives d'un moteur à combustion interne en fonctionnement. [0027] L'invention a également pour objet un procédé de test des propriétés tribologiques d'un système formé par un maneton et des demi-coussinets appartenant à un attelage mobile d'un moteur, notamment de véhicule automobile, mis en oeuvre à l'aide du banc d'essai selon l'invention, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes: - découper à partir d'une bielle une tête de bielle, - découper à partir d'un vilebrequin un maneton du vilebrequin, - installer le maneton sur l'arbre moteur du banc d'essai, - plaquer des demi-coussinets de part et d'autre de la périphérie externe du maneton et assembler la tête de bielle autour des demi-coussinets, et - appliquer un effort de contrainte répété et cyclique sur la tête de bielle à l'aide d'un système de contrainte de manière à simuler des efforts subis par le système formé par le maneton et les demi-coussinets lors d'un fonctionnement réel du moteur du véhicule 30 automobile. [0028] Selon une mise en oeuvre, le système de contrainte prenant la forme d'un bras monté mobile en rotation autour d'un axe sensiblement perpendiculaire à l'axe de l'arbre moteur, le procédé comporte en outre les étapes suivantes: - réaliser une ouverture de centrage dans la tête de bielle, et - positionner le bras en appui sur la tête de bielle de manière qu'une portion du bras coopère avec l'ouverture. [0029] Selon une mise en oeuvre, le procédé comporte en outre les étapes suivantes: - mesurer une variation de la distance entre un bâti et le bras et/ou un couple d'entraînement de l'arbre moteur, et - déterminer les propriétés tribologiques du système formé par le maneton et les demi- coussinets à partir de ces mesures de distance et/ou de couple. [0030] L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à l'examen des figures qui l'accompagnent. Ces figures ne sont données qu'à titre illustratif mais nullement limitatif de l'invention. [0031] La figure 1 montre une représentation schématique d'un attelage mobile classique d'un moteur à combustion interne ; [0032] La figure 2 montre une représentation schématique d'un vilebrequin de l'attelage mobile de la figure 1; [0033] La figure 3 montre une représentation schématique d'une bielle de l'attelage mobile de la figure 1; [0034] La figure 4 montre une représentation schématique d'un banc d'essai pour tester des caractéristiques tribologiques d'un système formé par un maneton et des demi-coussinets selon l'invention; [0035] La figure 5 montre une vue en coupe transversale de l'ensemble formé par le maneton et les demi-coussinets monté sur l'arbre moteur du banc d'essai de la figure 4; [0036] La figure 6 montre un diagramme des étapes du procédé de test selon l'invention mis en oeuvre avec le banc d'essai de la figure 4. [0037] Les éléments identiques, similaires ou analogues conservent la même référence d'une figure à l'autre. [0038] La figure 4 montre un banc d'essai 31 pour tester des propriétés tribologiques d'un système formé par un maneton 10 et des demi-coussinets 17 appartenant à un attelage mobile d'un moteur de véhicule automobile. Ce banc d'essai 31 comporte un bâti fixe 32 et un arbre moteur 34 d'axe X sur lequel est destiné à être monté un maneton 10 alésé issu d'un vilebrequin 5 avec des demi-coussinets 17 plaqués contre le maneton 10 par une tête de bielle 19. Pour être entraîné en rotation par l'arbre moteur 34, le maneton 10 est maintenu serré contre une collerette 36 radiale de l'arbre 34 par l'intermédiaire d'un écrou 38 vissé en bout d'arbre. Cet arbre moteur 34 est entraîné par un variateur de vitesse 40 à des vitesses représentatives d'un moteur thermique en fonctionnement. [0039] Un système de contrainte prenant la forme d'un bras 41 est apte à appliquer des efforts F répétés et cycliques sur la tête de bielle 19. Plus précisément, le bras 41 est monté mobile en rotation autour d'un axe 43 sensiblement perpendiculaire à l'axe X. Le bras 41 est en appui sur la tête de bielle 19 par l'intermédiaire d'une portion en saillie 45 conformée pour coopérer avec une ouverture 48 ménagée dans la périphérie externe de la tête de bielle 19. Cette ouverture 48 permet de tolérer un désalignement du maneton 10 par rapport au bras 41 d'application de la charge. [0040] Ce bras 41 est destiné à être déplacé par un excentrique 41 rotatif positionné d'un côté du bras 41 opposé au côté du bras 41 comportant la portion en saillie 45 coopérant avec la tête de bielle 19. Cet excentrique 41 est relié de préférence à l'arbre moteur 34 via un ensemble d'engrenages (non représenté). Ainsi, le bras 41 applique un effort F suivant une direction verticale sensiblement perpendiculaire à l'axe X et relâche cet effort de manière cyclique pendant la durée du test. On simule ainsi les efforts subis par le système maneton/demi-coussinets lors d'un fonctionnement réel du moteur thermique du véhicule. [0041] Un circuit d'huile 50 assure la lubrification du système formé par le maneton 10 et les demi-coussinets 17. Un couvercle 51 fixé sur le bâti 32, par exemple au moyen de vis, assure l'étanchéité du système. Le circuit 50 présente une entrée d'huile 54 située au niveau de la partie supérieure du bâti 32, tandis que le couvercle 51 comporte une ouverture 55 située au-dessus de l'axe X de l'arbre moteur 34 pour assurer la sortie de l'huile. On garantit ainsi un niveau adapté d'huile à l'intérieur du système. [0042] Par ailleurs, le bras 41 porte un capteur 57, de préférence de type laser, pour mesurer une variation de distance entre le bâti 32 et le bras 41 lors de l'essai. Cette variation de distance donne une indication sur l'état d'usure et/ou l'épaisseur du film d'huile entre les demi-coussinets 17 et le maneton 10. Un couplemètre 59 installé sur la ligne de l'arbre moteur 34 permet de mesurer le couple d'entraînement dudit arbre moteur 34. [0043] Un calculateur 61 commande la vitesse du variateur de vitesse 40 ainsi que l'intensité de l'effort F appliqué par le bras 41 sur la tête de bielle 19. Ce calculateur 61 est également apte à déterminer des propriétés tribologiques du système formé par le maneton 10 et les demi-coussinets 17 à partir de la variation de la distance entre le bâti 32 et le bras 41 et/ou du couple d'entraînement de l'arbre moteur 34 mesurés respectivement par les capteurs de mesure 57 et 59. [0044] On décrit ci-après, en référence avec la figure 6, la mise en oeuvre d'un procédé de test des propriétés tribologiques du système formé par le maneton 10 et les demi- coussinets 17 à l'aide du banc d'essai 31 selon l'invention. [0045] Dans une première étape 101, on découpe la tête de bielle 19 suivant la ligne de découpe 64 représentée en traits discontinus sur la figure 3. L'ouverture 48 de centrage est ensuite réalisée dans la périphérie externe de la tête de bielle 19. [0046] Par ailleurs, on découpe dans une étape 102 un maneton 10 du vilebrequin 5 suivant la ligne de découpe 65 représentée en traits discontinus sur la figure 2. Ce maneton 10 est ensuite alésé pour pouvoir être installé sur l'arbre moteur 34 dans une étape 103. L'écrou 38 est vissé en bout d'arbre de manière à compresser le maneton 10 entre la collerette 36 et l'écrou 38. [0047] Dans une étape 104, les demi-coussinets 17 sont plaqués de part et d'autre de la périphérie externe du maneton 10. Le chapeau de bielle 21 est fixé par des vis au corps de la bielle 11 en sorte que la tête de bielle 19 maintient les demi-coussinets 17 plaqués contre la périphérie externe du maneton 10. [0048] Dans une étape 105, le couvercle 51 est fixé sur le bâti au moyen de vis de fixation pour assurer l'étanchéité de l'ensemble lors de l'essai. [0049] Dans une étape 106, le bras 41 est positionné sur la tête de bielle 19 de manière que la portion en saillie 45 du bras 41 coopère avec l'ouverture 48 de centrage. [0050] Lors de la réalisation du test dans une étape 107, les organes du banc d'essai 31 sont actionnés par le calculateur 61. Ainsi, le maneton 10 est entraîné en rotation par l'arbre moteur 34 suivant la flèche A visible sur la figure 5, tandis que l'effort F appliqué par le bras 41 est par exemple compris entre 0 N et 3000 N. Les durées d'application de l'effort F dépendent de l'effort minimal constant, de l'augmentation instantanée donnée par l'excentrique lui-même synchronisé sur la rotation du moteur 32, et il en est de même pour les durées de relâchement de l'effort sur la tête de bielle 19. Pour simuler efficacement les efforts subis par le système formé par le maneton 10 et les demi-coussinets 17 lors du fonctionnement du moteur thermique, ces durées d'application et de relâchement de l'effort F s'alternent pendant toute la durée de l'essai qui est de l'ordre de plusieurs heures suivant le type d'essai (usure ou frottement). [0051] La variation de la distance entre le bâti 32 et le bras 41 et/ou le couple d'entraînement de l'arbre moteur 34 sont mesurés dans une étape 108 respectivement par le capteur laser 57 et le capteur de couple 59. [0052] Le calculateur 61 détermine alors dans une étape 109 les propriétés tribologiques du système formé par le maneton 10 et les demi-coussinets 17 à partir des mesures effectuées par les capteurs 57 et/ou 59. [0053] L'homme du métier pourra bien entendu modifier le banc d'essai 31 et le procédé de test décrits ci-dessus sans sortir du cadre de l'invention. Ainsi, en variante, le capteur laser 57 pourrait être remplacé par tout autre capteur de mesure de longueur adapté à la mise en oeuvre du procédé de test selon l'invention. En variante, le banc d'essai 31 est dépourvu de calculateur 61 et de capteurs 57, 59, les mesures relatives à l'usure et aux frottements des pièces étant alors effectuées après la réalisation d'un test. Alternativement, le bras 41 est remplacé par un vérin hydraulique mobile en translation appliquant un effort répété et cyclique sur la tête de bielle 19. REVENDICATIONS1. Banc d'essai (31) pour tester des propriétés tribologiques d'un système formé par un maneton (10) et des demi-coussinets (17) appartenant à un attelage mobile (1) d'un moteur, notamment de véhicule automobile, caractérisé en ce qu'il comporte: - un arbre moteur (34) apte à entraîner en rotation un maneton (10) alésé issu d'un vilebrequin (5) contre lequel les demi-coussinets (17) sont maintenus en contact par une tête de bielle (19), et - un système de contrainte (41) apte à appliquer des efforts répétés et cycliques sur la tête de bielle (19) de manière à simuler des efforts subis par le système formé par le maneton (10) et les demi-coussinets (17) lors d'un fonctionnement réel du moteur du véhicule automobile. 2. Banc d'essai selon la revendication 1, caractérisé en ce que le système de contrainte (41) est formé par un bras (41) monté mobile en rotation autour d'un axe (43) sensiblement perpendiculaire à un axe (X) de l'arbre moteur (34) en appui sur la tête de bielle (19). 3. Banc d'essai selon la revendication 2, caractérisé en ce que le bras (41) est destiné à être déplacé par un excentrique rotatif (41). 4. Banc d'essai selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que le bras (41) est conformé pour coopérer avec une ouverture (48) ménagée dans une périphérie externe de la tête de bielle (19). 5. Banc d'essai selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte un circuit d'huile (50) pour assurer la lubrification du système formé par le maneton (10) et les demi-coussinets (17). 6. Banc d'essai selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte un couvercle (51) pour assurer une étanchéité du système. 7. Banc d'essai selon les revendications 5 et 6, caractérisé en ce que le couvercle (51) comporte une ouverture (55) située au-dessus d'un axe (X) de l'arbre moteur (34) pour la sortie de l'huile. 8. Banc d'essai selon la revendication 2 et l'une des revendications 3 à 7, caractérisé en ce que l'arbre moteur (34) étant relié à un bâti (34), le bras (41) porte un capteur (57) de mesure d'une variation de distance entre le bâti (34) et le bras (41). 9. Banc d'essai selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte un capteur (59) de mesure du couple d'entraînement de l'arbre moteur (34). 10. Banc d'essai selon la revendication 8 et/ou la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comporte un calculateur (61) apte à déterminer les propriétés tribologiques de l'ensemble formé par le maneton (10) et les demi-coussinets (17) à partir de la mesure d'une variation de distance entre le bâti (34) et le bras (41) et/ou du couple d'entraînement de l'arbre moteur (34). 11. Procédé de test des propriétés tribologiques d'un système formé par un maneton (10) et des demi-coussinets (17) appartenant à un attelage mobile d'un moteur, notamment de véhicule automobile, mis en oeuvre à l'aide du banc d'essai (31) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes: - découper (101) à partir d'une bielle (11) une tête de bielle (19), - découper (102) à partir d'un vilebrequin (5) un maneton (10) du vilebrequin (5), - installer (103) le maneton (5) sur l'arbre moteur (34) du banc d'essai, - plaquer (104) des demi-coussinets (17) de part et d'autre de la périphérie externe du maneton (10) et assembler la tête de bielle (19) autour des demi-coussinets, et - appliquer un effort (F) de contrainte répété et cyclique sur la tête de bielle (19) à l'aide du système de contrainte de manière à simuler des efforts subis par le système formé par le maneton (10) et les demi-coussinets (17) lors d'un fonctionnement réel du moteur du véhicule automobile.