Brevet FR3035166A1 — publié le 20161021

Arbre de vanne de dosage de fluide La présente invention concerne un arbre de vanne de dosage de fluide. En général, on utilise une vanne à volet rotatif afin d'assurer le dosage d'un débit de fluide traversant un conduit de la vanne. Dans une telle vanne, le volet est solidaire d'un arbre de rotation, et la rotation de l'arbre permet de faire varier la surface de passage du conduit de la vanne. Le débit minimal est obtenu lorsque le volet est sensiblement perpendiculaire à l'axe du conduit. Le débit maximal est obtenu lorsque le volet est sensiblement parallèle à l'axe du conduit. On utilise également couramment un arbre de rotation fendu, le volet étant au moins partiellement engagé dans la fente de l'arbre. Afin de solidariser définitivement l'arbre et le volet, une possibilité est de les souder ensemble. A cette fin, une zone de soudure est aménagée sur le pourtour de l'arbre, notamment sous la forme d'un méplat. Le méplat peut être obtenu par usinage de l'arbre, et définit une surface plane parallèle à la fente dans laquelle le volet est inséré. Le méplat s'étend, dans une direction perpendiculaire à l'axe de l'arbre, d'un bord à l'autre de l'arbre. Des points de soudure sont réalisés à la surface de ce méplat, et la puissance apportée pour souder est ajustée afin de traverser non seulement la matière séparant le méplat et le volet, mais également le volet. Le volet peut ainsi être solidarisé avec l'arbre sur chacune de ses faces. Le fait de créer un méplat diminue la résistance à la flexion de l'arbre. L'opération de soudure, par un ou plusieurs cordons de soudure, génère des contraintes internes qui ont tendance à déformer l'arbre. Après soudure du volet, l'arbre n'est plus rectiligne et présente une courbure. Cette courbure est gênante car elle engendre des frottements importants dans les paliers de l'arbre. Ces frottements sont source d'usure et d'efforts élevés pour commander la vanne, et doivent autant que possible être évités ou limités. Afin de limiter la déformation de l'arbre, une possibilité est de limiter la longueur du ou des cordons de soudure. La chaleur apportée par l'opération de soudure étant réduite, les contraintes résiduelles sont plus faibles, et la déformation de l'arbre est effectivement réduite. Cependant, un risque associé à une telle approche est de diminuer exagérément la résistance de la soudure, et de rencontrer des cas de rupture de la liaison entre le volet et l'arbre, rendant la vanne non fonctionnelle. 3035166 2 L'invention vise à permettre de limiter la déformation de l'arbre sans compromettre la résistance de la soudure. A cet effet, l'invention propose un arbre de vanne de dosage de fluide, comportant : - Une fente agencée pour recevoir partiellement un volet, 5 - Une zone de soudure au moins partiellement au droit de la fente, cette zone de soudure permettant de souder ensemble le volet et l'arbre, - Une nervure de renfort, la zone de soudure étant au moins partiellement adjacente à la nervure de renfort. La nervure de renfort située au voisinage immédiat de la zone de soudure permet 10 d'augmenter la résistance à la flexion de l'arbre, et ainsi de limiter la déformation de l'arbre sans modifier les paramètres opératoires de l'opération de soudure. Avantageusement, l'arbre comporte deux zones de soudure. La présence de deux zones de soudure permet d'augmenter la résistance de l'assemblage entre le volet et l'arbre. 15 Selon un mode de réalisation, les zones de soudure sont chacune au moins partiellement adjacentes à une nervure de renfort. Chaque zone de soudure comporte une nervure de renfort de l'arbre. De préférence, la nervure de renfort est commune aux deux zones de soudure. Ce cas correspond à des zones de soudure en vis-à-vis, la nervure de renfort séparant les 20 deux zones de soudure. Selon un autre mode de réalisation, l'arbre comporte au moins trois zones de soudure. Dans le cas d'un arbre particulièrement long, il est intéressant d'augmenter le nombre de zones de soudure pour améliorer la résistance de la liaison entre l'arbre et le volet. Selon un mode de réalisation, les nervures de renfort sont distinctes. 25 Lorsque les zones de soudure sont décalées le long de l'axe de l'arbre, les nervures de chaque zone de soudure sont distinctes. De préférence, la largeur de la zone de soudure est comprise entre 2 et 4 millimètres. Cette largeur permet de réaliser un cordon de soudure tout en laissant un jeu entre le bord du cordon de soudure et la nervure de renfort. En effet, il n'est pas souhaitable que la 30 soudure interfère avec la nervure de renfort. De préférence encore, les zones de soudure sont symétriques par rapport au plan passant par l'axe de l'arbre et perpendiculaire au plan de la fente. 3035166 3 La réalisation des zones de soudures est ainsi facilitée. Selon un mode de réalisation, les zones de soudure sont situées de part et d'autre de la fente de l'arbre. Une telle réalisation est intéressante lorsque l'épaisseur du volet est trop importante pour 5 que la fusion soit assurée sur toute l'épaisseur du volet. Dans ce cas, il est avantageux de souder indépendamment chaque face du volet. Avantageusement, les zones de soudure sont centrées par rapport à la longueur de la fente. Cette disposition est favorable à l'obtention d'une déformation résiduelle symétrique. Selon un mode de réalisation, la zone de soudure est un méplat. 10 La soudure est ainsi facile à régler, car la distance entre séparant l'outil et la zone de soudure est constante. De préférence, les méplats ont la même dimension. L'opération de réalisation des méplats est ainsi standardisée. En variante, les méplats ont des dimensions différentes. 15 Une telle solution peut être employée lorsque l'on souhaite avoir des paramètres de soudure différents sur chacun des méplats, comme une longueur de soudure différente pour une zone particulièrement sollicitée mécaniquement. Avantageusement, les méplats sont coplanaires. La réalisation des soudures en automatique par un robot de soudure est ainsi facilitée. 20 En variante, les méplats sont dans des plans décalés. Comme précédemment, une telle solution peut être employée lorsque l'on souhaite avoir des paramètres de soudure différents sur chacun des méplats. Selon un mode de réalisation, le ou les méplats sont obtenus par usinage. Les zones de soudure sont réalisées par enlèvement de matière, une bonne précision 25 dimensionnelle peut être obtenue. Selon un autre mode de réalisation, les méplats sont obtenus par frappe. Une partie de la matière de l'arbre est repoussée par une opération de frappe. Un méplat est obtenu. L'écrouissage réalisé contribue également à renforcer l'arbre. De préférence, les méplats sont obtenus par fraisage. 30 Une fraise rotative est mise en contact avec l'arbre afin de créer les méplats. Selon un mode de réalisation, l'axe de fraisage est perpendiculaire au plan de la fente de l'arbre. 3035166 4 Afin de générer le méplat, la fraise est déplacée dans une direction parallèle à l'axe de l'arbre. Toute la surface usinée est plane. Selon un autre mode de réalisation, l'axe de fraisage est parallèle au plan de la fente et perpendiculaire à l'axe de l'arbre. 5 Dans ce cas, l'accès des outils pour réaliser simultanément chacun des méplats est facilité, car l'espacement entre les outils de fraisage est accru. Par contre, les extrémités de la zone usinée ne sont pas planes. Avantageusement, la fente s'étend entre deux plans parallèles. Le volet est ainsi inséré entre les deux plans parallèles formant la fente de l'arbre. 10 Selon un mode de réalisation, l'arbre comporte une zone de soudure réalisée sous la forme d'un méplat, et les plans délimitant la fente de l'arbre sont parallèles au plan du méplat. Le méplat et la fente de l'arbre étant dans des plans parallèles, l'épaisseur de matière devant être traversée par la soudure avant d'atteindre le volet est constante. Cette configuration est favorable à la répétabilité de l'opération de soudure. 15 Selon un mode de réalisation, les deux plans parallèles sont symétriques l'un de l'autre par rapport à l'axe de rotation de l'arbre. Le volet est ainsi centré sur l'arbre de rotation, et l'axe de rotation passe par le plan médian du volet. Le cas échéant, la fente débouche sur une extrémité de l'arbre. 20 Lorsque l'arbre ne comporte qu'un seul palier, la fente peut déboucher à l'extrémité opposée au palier. L'insertion du volet peut être réalisée selon deux directions différentes. Selon un mode de réalisation, la largeur des méplats est comprise entre 2 et 4 millimètres. Pour les diamètres d'arbre couramment utilisés pour l'application décrite, cette valeur représente un bon compromis entre facilité de soudage et résistance procurée par la 25 nervure de renfort. L'invention concerne également une vanne comportant : - Un arbre tel que décrit précédemment, - Un volet soudé à l'arbre, l'arbre et le volet étant agencés pour faire varier, lors d'une rotation de l'arbre, la section de 30 passage d'un conduit de la vanne traversé par un fluide. L'arbre et du volet sont assemblés l'un à l'autre, puis cet ensemble est intégré dans la vanne. 3035166 5 Selon un mode de réalisation, le fluide traversant la vanne comporte des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne. La vanne décrite est utilisée pour faire varier le débit de gaz d'échappement traversant un échangeur de chaleur destiné à refroidir les gaz d'échappement le traversant. La vanne et 5 l'échangeur sont disposés sur un circuit de recirculation des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne. De préférence, le volet est plan. Le volet peut ainsi être obtenu simplement à partir d'une plaque, par découpe. Selon un mode de réalisation, le volet est symétrique. 10 Un volet symétrique ne possède pas de sens de montage, ce qui facilite l'assemblage avec l'arbre. Avantageusement, le volet est métallique. Un volet métallique présente une bonne résistance mécanique et chimique, bien adapté pour l'application visée. 15 Avantageusement encore, l'arbre est métallique. Comme pour le volet, un arbre métallique est conseillé pour résister aux gaz d'échappement traversant la vanne. De préférence, la soudure entre l'arbre et le volet est réalisée par l'action d'un rayon laser. Le procédé de soudure laser permet de réaliser en automatique des soudures fines sans 20 apport de matière. De plus, les paramètres de réglage du robot de soudure, comme la vitesse d'avancement du rayon et la longueur du cordon de soudure sont facilement modifiables. Cela facilite les changements de série, c'est-à-dire le réglage des équipements lorsque la référence de pièce à fabriquer change. L'invention concerne également un procédé de fabrication d'une vanne telle que décrite 25 précédemment, comprenant les étapes suivantes : - Insérer le volet dans la fente de l'arbre, - Souder le volet à l'arbre via la ou les zones de soudure. L'invention sera mieux comprise à la lecture des figures. La figure 1 représente de façon schématique et partielle, en coupe, une vanne 30 intégrant un ensemble d'un arbre et d'un volet selon un mode de réalisation de l'invention, La figure 2 représente un ensemble d'un arbre et d'un volet selon l'état de l'art, 3035166 6 La figure 3 représente un ensemble d'un arbre et d'un volet selon le même mode de réalisation de l'invention que la figure 1, La figure 4 représente une vue en coupe d'un ensemble d'un arbre et d'un volet selon le même mode de réalisation de l'invention. 5 On a représenté sur la figure 1 une vanne 20 comportant : - Un arbre 1, - Un volet 2 soudé à l'arbre, l'ensemble formé par l'arbre et le volet est agencé pour faire varier la section de passage d'un conduit 8 de la vanne 20 traversé par un fluide. 10 Lors d'une rotation de l'arbre 1, le volet 2 pivote dans le conduit, la section de passage efficace du conduit 8 varie ce qui fait varier le débit traversant la vanne 20. Les moyens de commande de la vanne 20 n'ont pas été représentés. Dans cet exemple, le fluide traversant la vanne 20 comporte des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne. La vanne 20 est placée sur un circuit de recirculation de gaz 15 d'échappement entre l'échappement et l'admission d'un moteur à combustion interne. Afin de résister aux contraintes thermiques, mécaniques et chimiques créées par les gaz d'échappement, le volet 2 est métallique. Pour les mêmes raisons, l'arbre 1 est métallique. La figure 2 décrit un ensemble d'un arbre et d'un volet selon l'art antérieur. 20 L'arbre 1, de forme enveloppe cylindrique, comprend une fente parallélépipédique 3 recevant partiellement un volet 2. Un méplat 4 est réalisé sur l'arbre 1, le méplat 1 étant au droit de la fente 3. Le volet 2 et le méplat 4 sont dans des plans parallèles. Le volet 2 est inséré dans la fente 3 et y est maintenu par un outillage jusqu'à ce que l'opération de soudure soit achevée. La hauteur de la fente 3 est légèrement supérieure à l'épaisseur du 25 volet 2 pour permettre l'insertion du volet tout en assurant une proximité entre les éléments à solidariser ensemble. Le volet 2 est soudé à l'arbre 1 par deux cordons de soudure 5a et 5b. Sur l'exemple de la figure 2, les 2 cordons de soudure 5a et 5b sont parallèles et de même longueur. La soudure entre l'arbre 1 et le volet 2 est obtenue par l'action d'un rayon laser. La 30 puissance et le temps d'application du rayon laser sont choisis pour que la chaleur apportée par le rayon laser fasse fondre, au voisinage du rayon, la matière comprise entre le méplat 4 3035166 7 et le volet 2, fasse fondre également le volet d'une face à l'autre et commence à faire fondre la matière de l'arbre 1 située sous le volet 2. Ainsi, chaque cordon de soudure traverse le volet 2, et le volet 2 et l'arbre 1 sont solidarisés le long de chacune des faces du volet 2. 5 La fusion partielle du métal de l'arbre 1 afin de réaliser l'opération de soudure introduit, une fois la pièce refroidie, des contraintes résiduelles dans l'ensemble formé par l'arbre 1 et le volet 2. La résistance de l'arbre 1 dans la zone affectée par la soudure est diminuée en raison du manque de matière servant à créer le méplat 4, et en raison de la présence de la fente 3 réalisée dans l'arbre 1 afin de recevoir le volet 2. 10 Ces contraintes résiduelles tendent à déformer l'arbre 1, dont l'axe initialement rectiligne adopte une courbure une fois la soudure réalisée. Une fois le volet 2 soudé, l'arbre 1 présente un défaut de cylindricité. Ce défaut de cylindricité génère des frottements dans les paliers 11 recevant l'arbre et permettant sa rotation. Ces frottements génèrent des efforts d'actionnement élevés, ainsi que de l'usure dans les 15 paliers, et doivent être évités ou au moins minimisés. L'invention vise à accroitre la résistance en flexion de l'arbre afin de minimiser les déformations résiduelles liées à l'opération de soudure. On a représenté sur la figure 3 un arbre 1 de vanne 20 de dosage de fluide, comportant : - Une fente 3 agencée pour recevoir partiellement un volet 2, 20 - Une zone de soudure 4a au droit de la fente 3, cette zone de soudure 4a permettant de souder ensemble le volet 2 et l'arbre 1, - Une nervure de renfort 6, la zone de soudure 4a étant au moins partiellement adjacente à la nervure de renfort 6. En apportant un renfort à l'arbre 1 dans la zone de soudure, on limite la déformation de 25 l'arbre 1 sous l'action des contraintes résiduelles. De plus, la nervure de renfort 6 permet de limiter l'échauffement au voisinage du cordon de soudure 5a, ce qui permet en plus de diminuer le niveau de contraintes résiduelles. Plus précisément, l'arbre 1 comporte deux zones de soudure 4a, 4b. Les zones de soudure 4a, 4b sont chacune au moins partiellement adjacentes à une nervure 30 de renfort 6. Sur l'exemple de la figure 3, la nervure de renfort 6 est commune aux deux zones de soudure. 3035166 8 Dans un mode de réalisation non représenté, l'arbre comporte au moins trois zones de soudure décalées axialement le long de l'arbre. Cette configuration peut être employée dans le cas d'un arbre très long, pour lequel on souhaiterait éviter une distance trop importante entre deux cordons de soudure. 5 Dans un mode de réalisation non représenté, les nervures de renfort sont distinctes. Sur l'exemple de la figure 3, la largeur L de la zone de soudure 4a est comprise entre 2 et 4 millimètres. Ainsi, la zone de soudure 4a est suffisamment large pour recevoir le rayon laser, tout en évitant que le rayon laser touche la nervure de renfort 6. La zone de soudure 4a est également suffisamment étroite pour que la nervure de renfort 6 comporte assez de matière 10 pour jouer un rôle de renfort efficace. Les zones de soudure 4a, 4b sont symétriques par rapport au plan passant par l'axe de l'arbre 1 et perpendiculaire au plan de la fente 3. Les zones de soudure 4a, 4b sont centrées par rapport à la longueur de la fente 3. Plus précisément, la zone de soudure 4a est un méplat. Il en est de même pour la zone de 15 soudure 4b. Le cordon de soudure s'étend tout entier sur le méplat, sans en recouvrir toute la superficie. Dans une variante non illustrée, le cordon de soudure recouvre toute la superficie du méplat. Dans une autre variante non illustrée, le cordon de soudure s'étend sur le méplat et sur une 20 zone de l'arbre en dehors du méplat. Les méplats 4a, 4b ont la même dimension. Les méplats 4a, 4b sont coplanaires. Le ou les méplats 4a, 4b sont obtenus par usinage. Les méplats 4a, 4b sont obtenus par enlèvement de matière de l'arbre. 25 Plus précisément, les méplats 4a, 4b sont obtenus par fraisage. Sur l'exemple de la figure 3, l'axe de fraisage est perpendiculaire au plan de la fente de l'arbre. Pour réaliser chaque méplat, la fraise d'usinage est translatée selon une direction parallèle à l'axe de l'arbre 1. Une fraise cylindrique à deux tailles peut notamment être utilisée. L'intégralité de la matière enlevée définit une surface plane. De préférence, les deux 30 méplats sont usinés simultanément par deux fraises agissant conjointement. Le temps de cycle de l'opération d'usinage est ainsi minimisé, ce qui minimise le coût de la pièce. 3035166 9 Lorsque l'encombrement des outils fait qu'il est difficile de disposer deux fraises agissant conjointement, et selon un mode de réalisation non représenté, l'axe de fraisage est parallèle au plan de la fente et perpendiculaire à l'axe de l'arbre. L'accès des outils d'usinage est dans ce cas facilité. Le déplacement de la fraise permet de créer une surface plane. Les 5 extrémités de la surface créée par l'enlèvement de matière ont le profil de la fraise, c'est-à- dire cylindrique. Le cordon de soudure est réalisé dans la zone plane ainsi créée. Selon d'autres modes de réalisation non représentés : Les méplats ont des dimensions différentes. Les méplats sont dans des plans décalés. 10 Les méplats sont obtenus par frappe. Au lieu de procéder par enlèvement de matière, on obtient chacun des méplats par déformation d'une portion de l'arbre. Les zones de soudure sont situées de part et d'autre de la fente de l'arbre. Une telle solution est à privilégier pour les cas où le volet est trop épais pour que l'apport de chaleur de l'opération de soudure fasse fondre le volet d'une face à 15 l'autre. En soudant indépendamment chaque face, il n'est plus nécessaire de faire fondre le volet sur toute son épaisseur. Sur la figure 4, on a représenté une coupe de l'ensemble de l'arbre 1 et du volet 2 de la figure 3, selon un plan ne passant pas par les cordons de soudure. La fente 3 s'étend entre deux plans parallèles. 20 Chaque zone de soudure 4a, 4b est réalisée sous la forme d'un méplat, et les plans délimitant la fente 3 de l'arbre 1 sont parallèles au plan du méplat 4a, 4b. L'épaisseur de matière à traverser est constante en tout point du cordon de soudure 5a, 5b. Egalement, les 2 plans parallèles sont symétriques l'un de l'autre par rapport à l'axe de rotation de l'arbre 1. Le volet est ainsi centré sur l'arbre. 25 Le volet 2 est plan. Dans le mode de réalisation illustré, le volet 2 est symétrique, comme on peut le voir sur la figure 3. Comme on peut le voir sur la figure 4, la largeur L des méplats est comprise entre 2 et 4 millimètres. 30 Pour le diamètre de l'arbre de la vanne décrite, cet intervalle de valeur permet à la nervure 6 d'apporter un renfort suffisant tout en laissant suffisamment de largeur aux méplats 4a, 4b pour souder dans de bonnes conditions. 3035166 10 Selon un mode de réalisation non représenté, la fente 3 débouche sur une extrémité de l'arbre 1. Cette caractéristique peut être employée lorsque l'arbre est maintenu d'un seul coté par un palier unique. Comme décrit précédemment, l'invention concerne également un procédé de fabrication 5 d'une vanne telle que décrite précédemment, comprenant les étapes suivantes : Insérer le volet 2 dans la fente 3 de l'arbre 2, Souder le volet 2 à l'arbre 1 via la ou les zones de soudure 4a, 4b. REVENDICATIONS1. Arbre (1) de vanne de dosage de fluide, comportant : Une fente (3) agencée pour recevoir partiellement un volet (2), Une zone de soudure (4a) au moins partiellement au droit de la fente (3), cette zone de soudure (4a) permettant de souder ensemble le volet (2) et l'arbre (1), Une nervure de renfort (6), Caractérisé en ce que la zone de soudure (4a) est au moins partiellement adjacente à la nervure de renfort (6). 2. Arbre (1) selon la revendication précédente, comportant deux zones de soudure (4a, 4b). 3. Arbre (1) selon la revendication précédente, selon lequel les zones de soudure (4a, 4b) sont chacune au moins partiellement adjacentes à une nervure de renfort (6). 4. Arbre (1) selon la revendication précédente, selon lequel la nervure de renfort (6) est commune aux deux zones de soudure. 5. Arbre (1) selon l'une des revendications précédentes, selon lequel la largeur (L) de la zone de soudure (4a) est comprise entre 2 et 4 millimètres. 6. Arbre (1) selon l'une des revendications 2 à 5, selon lequel la zone de soudure (4a) est un méplat. 7. Arbre (1) selon la revendication précédente, selon lequel le ou les méplats sont obtenus par usinage. 8. Arbre (1) selon l'une des revendications 6 et 7, selon lequel la fente (3) est délimitée par des plans parallèles au plan du méplat. 9. Vanne (20) comportant : Un arbre (1) selon l'une des revendications précédentes, Un volet (2) soudé à l'arbre (1), l'arbre (1) et le volet (2) étant agencés pour faire varier, lors d'une rotation de l'arbre (1), la section de passage d'un conduit (8) de la vanne (20) traversé par un fluide. 10. Vanne (20) selon la revendication précédente, selon laquelle la soudure entre l'arbre(1) et le volet (2) est obtenue par l'action d'un rayon laser. 3035166 12 11. Procédé de fabrication d'une vanne selon l'une des revendications 9 et 10, comprenant les étapes suivantes : Insérer le volet (2) dans la fente (3) de l'arbre (1), Souder le volet (2) à l'arbre (1) via la ou les zones de soudure (4a, 4b).