Brevet FR3011305A1 — publié le 20150403

L'invention concerne le domaine technique des contacts tribologiques et plus généralement tout système où un axe est monté serré est sollicité suivant une direction préférentielle induisant une sollicitation dudit axe suivant un secteur angulaire partiel. L'invention concerne avantageusement un axe de piston. Dans ce type de contact, il est apparu important de soumettre l'axe de piston à un revêtement du type DLC afin de prévenir le grippage de l'axe de piston face aux antagonistes généralement en bronze et/ou en aluminium. L'application d'un revêtement anti-grippage est devenue nécessaire suite à l'augmentation croissante des pressions de contact entre les différents composants du système compte tenu de la volonté d'augmenter la puissance, de diminuer les consommations ... Cette augmentation de pression de contact résulte de la diminution des dimensions des pièces afin d'en réduire la masse et l'énergie perdue résultant de l'inertie. L'axe de piston peut être monté flottant afin de réduire l'usure et de repousser la limite au grippage dans le contact axe/bielle. Toutefois, avec l'augmentation de la charge, le risque de grippage qui peut apparaître est alors rédhibitoire. On observe également que le montage d'un axe flottant impose l'utilisation d'une bague, généralement en bronze, dans la bielle. Une solution de ce type ressort par exemple de l'enseignement du document DE 102009026726. Il en résulte un surcoût suite à la fourniture, au frettage et à l'usinage in situ de la bague. On note également une obligation de dimensionner la bielle avec un anneau supérieur d'un plus grand diamètre imposant une sur-hauteur au piston ainsi qu'un surpoids à la bielle. Il en résulte une limitation de la compacité du moteur et des surcoûts de l'ensemble dudit bloc moteur. En considérant ces inconvénients, la plupart des outils industriels actuellement utilisés sont configurés pour des conceptions où l'axe de piston est monté serré dans la bielle et libre dans ledit piston. Dans ce type de montage, afin de réduire l'usure et de repousser la limite au grippage dans le contact axe/bielle, l'ensemble de l'axe reçoit, comme évoqué, un revêtement de type DLC. L'intérêt d'appliquer ce genre de revêtement est donc de prévenir le grippage de l'axe de piston face aux composants antagonistes le plus souvent réalisé en bronze ou en aluminium. Des solutions de ce type ressortent par exemple de l'enseignement des documents WO 2009/144076 ou DE 102011102209. Cette solution technique pour prévenir le grippage n'est pas totalement satisfaisante étant donné que l'application du revêtement de type DLC s'effectue sur la totalité du diamètre de l'axe ce qui augmente, de manière significative, les coûts. L'invention s'est fixée pour but de remédier à ces inconvénients de manière simple, sûre, efficace et rationnelle. Le problème que se propose de résoudre l'invention est, dans le cas d'un axe monté serré et sollicité selon une direction préférentielle, induisant une sollicitation de l'axe suivant un secteur angulaire partiel, ce qui est notamment le cas pour un axe de piston, de permettre au motoriste d'augmenter la charge de sollicitation de l'attelage mobile, de supprimer tout risque de grippage en utilisant un revêtement du type DLC dans des conditions particulières afin de diminuer de manière significative les coûts de mise en oeuvre. Pour résoudre un tel problème, l'axe de piston présente un revêtement antigrippage du type DLC limité à un secteur angulaire correspondant au moins à une 25 zone frottante soumise à une pression de contact suivant une direction préférentielle. Il résulte donc de ces caractéristiques que le revêtement anti-grippage est appliqué uniquement sur le secteur angulaire sollicité, afin de réduire la surface à traiter et, par conséquent, de diminuer les coûts de mise en oeuvre. Le fait de revêtir partiellement l'axe ne s'impose pas de manière évidente à l'homme du métier qui, tout au contraire, est dissuadé d'utiliser une telle technique qui nécessite un positionnement angulaire précis de l'axe lors de son montage pour que la zone frottante corresponde à la zone revêtue. On observe également que le fait de revêtir partiellement l'axe permet d'envisager l'utilisation d'un revêtement anti-grippage d'épaisseur plus importante par rapport à ce qui est pratiqué selon l'état antérieur de la technique augmentant, par conséquent, la durée de vie de l'axe. Selon d'autres caractéristiques, le revêtement anti-grippage est du DLC. Le secteur angulaire revêtu est compris entre 15° (- 7,5° à +7,5°) et 220° (-110° à +110°). L'épaisseur du revêtement est uniforme à ± 20% sur la zone frottante. L'épaisseur du revêtement est comprise entre 1 et 10 !am. Pour résoudre le problème posé d'appliquer le revêtement anti-grippage du type DLC sur une partie seulement de l'axe, l'invention concerne également un procédé pour appliquer ce revêtement. Selon une forme de réalisation, on : positionne circulairement les axes sur un support, selon au moins une rangée et en position de tangence, bloque en rotation les axes par rapport au support, dispose le support équipé des axes dans une enceinte sous vide, entraîne en rotation le support équipé des axes, réalise le revêtement anti-grippage qui est déposé sélectivement sur les axes selon un secteur angulaire délimité par le positionnement en tangence desdits axes. Dans une autre forme de réalisation, on : positionne circulairement les axes sur un support selon au moins une rangée et en position de tangence ou de quasi tangence, dispose entre chaque axe un élément de protection apte à délimiter, pour chacun des axes, un secteur angulaire, bloque en rotation les axes par rapport au support, dispose le support équipé des axes dans une enceinte sous vide, entraîne en rotation le support équipé des axes, réalise le revêtement anti-grippage qui est déposé sélectivement sur le secteur angulaire délimité par l'élément de protection rapporté. L'invention est exposée ci-après plus en détail à l'aide des figures des dessins annexés dans lesquels : La fig. 1 montre l'application de l'invention à un axe de piston. La fig. 2 est une vue en coupe transversale à caractère schématique montrant l'axe de piston monté serré dans la bielle, l'axe étant revêtu partiellement du revêtement anti-grippage du type DLC selon les caractéristiques de l'invention. La fig. 3 est une vue en perspective d'un exemple de montage des axes sur un support monté dans une enceinte PVD afin de soumettre les axes à un traitement anti-grippage avec application d'une couche de DLC selon un secteur angulaire limité La fig. 4 est une vue partielle en coupe transversale et à plus grande échelle correspondant à la figure 3. Les fig. 5 et 6 sont, de la même façon que les fig. 3 et 4, des vues montrant un autre exemple de réalisation pour l'application du revêtement DLC selon un secteur angulaire limité On a illustré figure 1 un axe (1) de piston (2) monté serré dans une bielle (3). Au moment de l'explosion, l'axe (1) est sollicité suivant une direction préférentielle (F) induisant une sollicitation dudit axe suivant un secteur angulaire partiel. Selon les caractéristiques à la base de l'invention, un revêtement anti-grippage (4) de type DLC est appliqué sur l'axe (1) selon un secteur angulaire limité (S) correspondant au moins à la zone frottante soumise à la pression de contact suivant la direction préférentielle (F). Sans pour cela sortir du cadre de l'invention d'autres revêtements anti-grippage que le DLC peuvent être utilisés tels que le CrN, ou le TiAIN. On renvoie aux figures 3 et 4 et aux figures 5 et 6 qui montrent deux solutions pour appliquer un revêtement du type DLC sur une partie seulement de la circonférence des axes (1). Les axes (1) sont positionnés circulairement à la périphérie d'un support (5) selon au moins une rangée. Les axes (1) sont immobilisés en rotation et disposés en position de tangence. Dans la forme de réalisation illustrée aux figures 3 et 4, les axes (1) sont disposés autour d'un noyau central (6) qui empêche la rotation desdits axes en vue de leur blocage en rotation, comme indiqué. Toujours dans cette forme de réalisation, afin de traiter un nombre important d'axes, ces derniers sont empilés les uns sur les autres en utilisant l'alésage interne desdits axes qui coopère avec des tiges de guidage (7). Après nettoyage des axes (1), ces derniers sont mis en place comme indiqué selon le montage tel que défini précédemment qui est ensuite, de manière parfaitement connue, chargé dans une enceinte de dépôt sous vide (non représenté).Pendant l'opération de pompage, l'enceinte de dépôt sous vide et les 5 axes (1) sont dégazés par chauffage radiatif à une température de consigne respectant la température de revenu des axes. Lorsque le vide atteint une valeur de 2.10-5 mbar, de l'argon est introduit dans l'enceinte pour atteindre une pression de l'ordre de 10-3 mbar. Les paramètres de décapage sont adaptés afin de permettre l'élimination d'une couche d'oxyde que présente naturellement des axes (1), y 10 compris, dans les zones confinées au niveau de la jonction des axes (1) résultant de leur positionnement d'une manière tangente. Les paramètres sont adaptés de façon à diminuer la tension sur les axes tout en augmentant le courant, afin de diminuer la gaine cathodique. Après décapage, un dépôt de nitrure de chrome est réalisé suivant un procédé 15 de pulvérisation magnétron. En fin de dépôt PVD, un dépôt de type carbone amorphe est déposé par procédé PECVD. Cette couche de carbone amorphe a-C :H est précédée d'une couche de transition contenant par exemple du silicium de type a-C :H-Si. Cette application du revêtement DLC est parfaitement connue pour un homme du métier et est donnée à titre indicatif nullement limitatif 20 L'invention réside non pas dans l'application en tant que telle du DLC, mais dans le procédé permettant de revêtir une partie seulement de la circonférence des axes, de ce revêtement DLC. 25 Dans cette configuration, des essais ont démontré que l'on obtient un revêtement sur un secteur angulaire total de 200° (-100° à +100°). Ce revêtement est adhérent sur un secteur allant de -85° à +80° soit un secteur angulaire total de 155°. L'épaisseur du revêtement DLC est uniforme à ± 20 % sur un secteur allant de -70° à +65° soit un secteur angulaire de 135°. (Remarque : Le revêtement est considéré comme fonctionnel sur ce secteur angulaire.) Sur le secteur opposé allant de +100° à -100°, on observe une absence totale de revêtement DLC. Dans la forme de réalisation illustrée figures 5 et 6 l'arrêt de la zone revêtue 5 n'est pas induite par le contact avec l'axe adjacent, mais par un élément de protection rapporté (8) apte à délimiter, pour chacun des axes, un secteur angulaire. Dans cette forme de réalisation, les axes (1), comme indiqué précédemment dans le cas de la forme de réalisation illustrée figures 3 et 4, sont bloqués en rotation et sont positionnés de manière tangente ou, dans ce cas, de manière quasi-10 tangente, compte tenu de la mise en place de l'élément de protection (8) entre deux axes adjacents (1). Des essais ont été effectués avec des axes (1) en acier de diamètre 20 mm et 28 mm Ces axes ont suivi la même procédure que celle indiquée précédemment pour l'application en tant que telle du revêtement DLC (nettoyage, mise sous vide, dégazage, décapage, dépôt). 15 Dans cette configuration, on obtient un revêtement adhérent sur la totalité du secteur angulaire revêtu (S) soit de -50° à +50° environ, pour l'axe de diamètre 20 mm et de -62,5° à +62,5°, pour l'axe de diamètre 28 mm L'épaisseur de revêtement DLC est uniforme à ± 20 % sur ce même secteur angulaire (S). Pour l'axe de 20 mm et le secteur opposé allant de +50° à -50° on observe une absence 20 totale de revêtement. Il en est de même en ce qui concerne l'axe de diamètre 28 mm sur le secteur opposé allant de +62,5° à -62,5° Dans cette forme de configuration, l'utilisation d'un élément rapporté de protection (8) pour définir et limiter la zone devant être revêtue de DLC, permet 25 d'avoir un revêtement adhérent, d'épaisseur uniforme, sur tout le secteur angulaire concerné par le revêtement DLC et délimité par ledit élément de protection (8). Un positionnement judicieux de cet élément de protection (8) permet d'obtenir un revêtement adhérent et présentant une morphologie satisfaisante sur un secteur angulaire pouvant aller jusqu'à 220° (de -110° à +110°). Des essais comparatifs ont été effectués dans le cas de l'application du revêtement DLC sur la totalité de la périphérie de l'axe selon l'état antérieur de la technique et selon une partie seulement de ladite périphérie, selon les caractéristiques de l'invention. Ces essais ont été effectués sur un axe de diamètre 16 mm et de longueur 45 mm Dans le cas d'un revêtement DLC sur 360° (état antérieur de la technique), il est nécessaire d'utiliser une configuration dite triple rotation. Dans ce cas, il est possible de traiter 4356 axes par charge dans une machine TSD850 commercialisée par la société HEF-Durferrit. Lorsque les axes sont traités, selon les caractéristiques de l'invention, c'est-à-dire application de revêtement DLC sur un secteur angulaire limité et dans la configuration illustrée figures 3 et 4, une configuration dite double rotation est suffisante. Dans ce cas, il est possible de traiter 5544 axes par charge dans le même type de machine TSD 850. On obtient par conséquent, un gain de remplissage machine de l'ordre de 25 %. Selon l'invention, du fait du passage de la configuration triple rotation à la configuration double rotation, on obtient également un gain sur les temps de cycle de revêtement DLC. Dans le cadre d'un revêtement DLC d'épaisseur de 3 !am selon l'état antérieur de la technique (revêtement sur 360°) la durée du cycle en configuration triple rotation est de 15,5 heures dans une machine TSD 850 tandis que selon l'invention (revêtement sur secteur angulaire limité) la durée de cycle en configuration double rotation, toujours dans une machine TSD 850, est de 11,2 heures, soit un gain de temps de l'ordre de 35 %. En plus de ces avantages, il apparait que le fait d'appliquer le revêtement DLC sur un secteur angulaire partiel de l'axe, permet d'augmenter l'épaisseur du revêtement tout en restant intéressant d'un point de vue économique. Cette augmentation d'épaisseur permet d'augmenter la durée de vie de l'axe, et particulièrement intéressant dans le cas d'applications très chargées. L'épaisseur du revêtement DLC peut ainsi être comprise entre 1 et 10 !am.5