Brevet FR3042560A1 — publié le 20170421

VILEBREQUIN COMPOSITE ASSEMBLE PAR EMMANCHEMENT DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION L'invention concerne un vilebrequin comprenant au moins un bras de vilebrequin disposé entre un maneton et un tourillon, assemblés par emmanchement. L'invention concerne également le procédé de fabrication d'un tel vilebrequin. La présente invention se rapporte au domaine des moteurs à combustion interne et trouve une application avantageuse sous la forme d'un vilebrequin de moteur à combustion interne de véhicule automobile. ETAT DE LA TECHNIQUE Dans la construction de moteurs, il est connu, soit de réaliser des vilebrequins monobloc, soit de les composer de plusieurs éléments. Les vilebrequins pour moteurs à combustion interne ou pour compresseurs sont destinés à transformer le mouvement alternatif des pistons en un mouvement de rotation de l'arbre du moteur ou du compresseur. Avec la bielle, le vilebrequin contribue à la transformation du mouvement rectiligne alternatif du piston en mouvement circulaire continu. Les vilebrequins habituellement utilisés dans les moteurs à combustion interne comprennent au moins deux motifs élémentaires, ledit motif étant constitué d'un bras de vilebrequin, d'un maneton et d'un tourillon. Le maneton assure la liaison pivot avec la bielle et reçoit la poussée du piston, et une excentration du maneton permet la transformation du mouvement de translation en un mouvement de rotation du vilebrequin autour des axes coaxiaux tourillonnant 3042560 2 dans des paliers correspondants du carter de moteur. Avec l'objectif de réduction de la consommation en carburant des véhicules automobiles, l'enjeu de la masse est devenu majeur justifiant une préférence pour les vilebrequins composites par rapport aux vilebrequins monoblocs. En 5 effet, les vilebrequins monoblocs ont pour inconvénient majeur leur mode de graissage hydrodynamique nécessitant une pompe à huile contrairement aux vilebrequins composites sur roulements présentant des pertes réduites et ne nécessitant pas de pompe de graissage. La réduction de masse a aussi été recherchée au niveau des pièces elles-mêmes par un travail sur leurs 10 épaisseurs, notamment concernant ledit bras de vilebrequin. Dans les vilebrequins composites, les différents éléments sont reliés les uns aux autres par emmanchement ou frettage (emmanchement à chaud ou à froid), ou par vissage. Les techniques de l'emmanchement ou du frettage sont préférées au vissage car le procédé d'assemblage par vissage est complexe 15 et nécessite des pièces supplémentaires et par conséquent une augmentation de la masse globale de l'assemblage. Le brevet FR1023001A divulgue un arbre à manivelles ou analogue constitué de plusieurs éléments réunis les uns aux autres par emmanchement à chaud dit aussi frettage. Ce mode de réalisation peu coûteux n'est 20 cependant plus compatible avec la réduction de masse recherchée des moteurs à combustion interne car son application à un bras de vilebrequin d'épaisseur réduite a pour inconvénient majeur de provoquer un phénomène de déformation par flexion du bras de vilebrequin après l'emmanchement du maneton. En effet, le processus d'assemblage par emmanchement à chaud, 25 qui consiste à chauffer la frette pour la dilater avant de l'enfiler sur l'élément qu'il faut fretter, puis de refroidir l'ensemble des deux pièces assemblées, crée des contraintes au moment du refroidissement, ou du retour à la température ambiante, car les pièces reprennent leurs dimensions originelles provoquant des contraintes à l'interface maneton - alésage aboutissant à des 30 déformations du bras de vilebrequin dans la zone entre ledit alésage et l'extrémité libre. En effet, l'assemblage par emmanchement génère ces 3042560 3 déformations car le diamètre du maneton avant assemblage étant supérieur au diamètre de l'alésage, un fort gradient de pression à l'interface apparaît une fois le maneton emmanché dans l'alésage provoquant des efforts résultant en ces déformations. Ce phénomène de déformation après emmanchement est 5 dû à une rigidité flexionnelle, ou rigidité de flexion non homogène localement autour de l'alésage. En effet, la rigidité flexionnelle du bras de vilebrequin est non-uniforme en bordure de l'alésage recevant le maneton, on distingue notamment une rigidité flexionnelle dans la zone entre ledit alésage et l'extrémité libre dudit bras de vilebrequin significativement inférieure à la 10 rigidité flexionnelle diamétralement opposée à ladite zone par rapport à l'axe de rotation du maneton. En outre, plus le bras de vilebrequin est d'épaisseur réduite plus les déformations par flexion augmentent jusqu'à modifier l'orientation de l'axe du maneton d'un angle de déviation par rapport à l'axe de l'alésage du maneton supérieur à 2,5 degrés. Or, l'assemblage en série 15 desdits motifs élémentaires doit respecter un critère d'alignement se traduisant par un écart entre l'axe de révolution du tourillon et l'axe de révolution du maneton inférieur à 2 minutes d'angle. Ladite déformation, résultant du processus d'emmanchement altérant l'alignement des tourillons après l'assemblage en série desdits motifs élémentaires du vilebrequin, nécessite 20 donc l'ajout d'une étape supplémentaire telle que le redressage du bras de vilebrequin pour corriger l'alignement desdits tourillons. Or l'ajout d'une étape supplémentaire telle que ladite étape de redressage présente de nombreux inconvénients de par la difficulté de réalisation du redressage due à la précision nécessaire et de par les risques afférents de fragilisation dudit bras 25 de vilebrequin, voire des liaisons entre les pièces assemblées. Pour résoudre cette difficulté, la publication EP1135622 divulgue un vilebrequin renforcé par une saillie formée par une calotte sphérique or cet ajout de matière va à l'encontre de la réduction de masse recherchée visant à satisfaire à l'objectif de réduction de la consommation en carburant. 30 3042560 4 RESUME DE L'INVENTION Un des buts de l'invention est de remédier aux inconvénients de la technique antérieure en fournissant un vilebrequin composé au moins d'un 5 bras de vilebrequin, d'un tourillon et d'un maneton assemblables conjointement par emmanchement pour une masse réduite. L'invention propose un vilebrequin comprenant au moins un bras de vilebrequin disposé entre un maneton et un tourillon, assemblés par emmanchement, ledit bras de vilebrequin étant caractérisé en ce qu'il présente 10 une rigidité flexionnelle sensiblement égale aux points diamétralement opposés autour de l'alésage destiné à recevoir ledit maneton. La rigidité flexionnelle ainsi uniformisée autour de l'alésage du maneton permet au bras de vilebrequin de limiter les déformations résultant de l'emmanchement du maneton et d'éviter l'étape de redressage dudit bras de vilebrequin. 15 Selon une caractéristique avantageuse, ledit bras de vilebrequin comporte une conformation locale de compensation flexionnelle en bordure dudit alésage destiné à recevoir ledit maneton. Grâce à ladite conformation locale de compensation flexionnelle, l'assemblage par emmanchement du bras de vilebrequin, est possible sans étape de redressage après emmanchement. 20 Selon une autre caractéristique avantageuse, ledit bras de vilebrequin comprend une cavité unique creusée sur une face dudit bras tournée vers le maneton. Cette caractéristique permet une réduction de la masse du bras de vilebrequin et donc du vilebrequin et du moteur sans altérer la tenue mécanique du vilebrequin et participe ainsi à l'amélioration de la performance 25 du moteur. Cette soustraction de matière favorise également le critère économique en diminuant la masse dudit bras de vilebrequin par rapport à d'autres solutions. Selon une autre caractéristique avantageuse, ladite cavité est située entre les alésages du maneton et du tourillon. Cette dernière constitue un 30 artifice facile à réaliser lors de la fabrication dudit bras de vilebrequin. 3042560 5 Selon une autre caractéristique avantageuse, ladite cavité est sensiblement distante dudit alésage destiné à recevoir ledit maneton, ce qui créé une symétrie partielle de masse entre la cavité et l'extrémité libre du bras de vilebrequin par rapport audit alésage et permet l'obtention d'une rigidité 5 flexionnelle sensiblement uniforme entre la partie du bras située entre la cavité et l'alésage destiné à recevoir le maneton et celle située entre l'extrémité libre diamétralement opposée et ledit alésage. Selon une autre caractéristique avantageuse, ladite cavité peut être réalisée par usinage, forgeage ou fonderie, ce qui permet de s'adapter au 10 procédé industriel utilisé pour la fabrication dudit bras de vilebrequin. Selon une autre caractéristique avantageuse, ladite cavité a la forme d'une entaille en arc de cercle partiel d'ouverture angulaire maximale de 50 degrés symétrique par rapport à l'axe maneton - tourillon. Cette délimitation correspond à la zone où la dissymétrie de forme du bras est la plus 15 importante. Cette forme permet une variation continue de la rigidité flexionnelle. Selon une autre caractéristique avantageuse, ledit bras de vilebrequin comporte des renforcements périphériques dans la direction transversale ou bajoues. Cette caractéristique permet de compenser les contraintes 20 mécaniques post-assemblage tout en limitant les modifications à la seule conception du bras de vilebrequin sans affecter la conception des autres pièces ni le procédé d'assemblage. Selon une autre caractéristique avantageuse, ledit bras de vilebrequin est réalisé en fonte et le maneton en acier, ce qui favorise le critère 25 économique en diminuant le coût des matériaux. Selon une autre caractéristique avantageuse, le maneton comprend un tube creux, ce qui permet une économie de matière et de masse. Selon une autre caractéristique avantageuse, le tourillon comprend un tube creux, ce qui permet également une économie de matière et de masse. 30 L'invention concerne aussi un procédé de fabrication d'un vilebrequin comprenant au moins un bras de vilebrequin disposé entre un maneton et un 3042560 6 tourillon, assemblés par emmanchement, caractérisé en ce qu'il comporte une étape de mise en forme d'une conformation locale concave de compensation flexionnelle en bordure d'un alésage destiné à recevoir ledit maneton. 5 BREVE DESCRIPTION DES FIGURES D'autres caractéristiques et avantages apparaîtront à la lecture d'un mode de réalisation préféré décrit en référence aux figures dans lesquelles: 10 la figure 1 représente une vue en coupe longitudinale d'un motif de vilebrequin selon l'invention, la figure 2 représente une vue de face du bras de vilebrequin selon un mode préféré de réalisation selon l'invention, et la figure 3 représente une vue en coupe longitudinale du 15 bras de vilebrequin d'un mode préféré de réalisation selon l'invention. DESCRIPTION DETAILLEE DES FIGURES 20 Sur la figure 1, le vilebrequin est composé des éléments d'un motif élémentaire, que sont un bras de vilebrequin 100 disposé entre un tourillon 110 et un maneton 120. Lesdits éléments 100, 110 et 120 sont réalisés chacun en une seule pièce par coulée, forgeage ou par un procédé similaire. En outre, les matériaux des éléments sont par exemple pour le tourillon 110 et le 25 maneton 120 l'acier et pour le bras de vilebrequin 100 la fonte. Selon un mode préféré de réalisation de l'invention, le maneton 120 et le bras de vilebrequin 100 sont assemblés ensemble par emmanchement. Les axes de révolution des tourillons et des manetons sont disposés dans une direction longitudinale L, le bras de vilebrequin a une forme allongée dans la 30 direction verticale V. La direction transversale T est perpendiculaire au plan formé par les directions longitudinale L et verticale V. 3042560 7 De manière préférentielle, lesdits éléments sont destinés à un moteur à combustion interne dont l'efficacité est améliorée par une optimisation de la masse du moteur. Dans ce cadre, le vilebrequin comporte un bras de vilebrequin 100 avec une épaisseur faible dans la direction longitudinale L. On 5 entend par épaisseur faible une épaisseur inférieure à 18 millimètres ; dans le mode de réalisation présenté, ladite épaisseur est d'environ 15 millimètres. Suivant ce même principe de réduction de matière, ledit tourillon 110 ainsi que ledit maneton 120 sont de forme cylindrique et de manière préférentielle sont creux. Le bras de vilebrequin 100 comprend un alésage destiné à recevoir le 10 maneton 110 et un alésage destiné à recevoir le tourillon 120. De façon générale, la rigidité flexionnelle du bras 100 de vilebrequin n'est pas uniforme. On entend par rigidité flexionnelle la raideur locale en flexion selon l'axe vertical V. Par exemple, la valeur locale de la rigidité flexionnelle entre l'alésage du maneton et l'extrémité libre 150 du bras de 15 vilebrequin 100 est sensiblement inférieure à la valeur locale de la rigidité flexionnelle de la partie dudit bras entre les deux alésages du maneton 120 et du tourillon 110, les deux parties étant situées de façon diamétralement opposée par rapport l'alésage du maneton. Cette non uniformité de rigidité flexionnelle entraine des déformations essentiellement en flexion lors de 20 l'assemblage par emmanchement du maneton 120 dans le bras 100 de vilebrequin. Ainsi, il est fréquent de constater une déformation par flexion présentant un angle de déviation par rapport à l'axe vertical V supérieur à 2,5 degrés, ce qui nécessite une étape pour redresser l'ensemble bras de vilebrequin 100 et maneton 120 après assemblage par emmanchement. 25 L'emmanchement du tourillon 110 ne provoque pas ces déformations car son alésage est uniformément entouré de matière à son voisinage. En bordure de l'ouverture destinée à recevoir ledit maneton 120, ledit bras de vilebrequin 100 comprend une cavité 130 dans la face du bras 100 tournée vers le maneton 120, ladite cavité étant agencée entre les alésages du 30 maneton 120 et du tourillon 110. La formation de ladite cavité réduit localement la rigidité flexionnelle du bras 100. La réduction de rigidité permet 3042560 8 d'obtenir une rigidité sensiblement égale aux points diamétralement opposés autour de l'alésage destiné à recevoir ledit maneton 120. Ladite cavité 130 peut avoir été prévue au moulage du bras de vilebrequin 100 ou être formée par des procédés mécaniques. 5 De manière facultative, dans la direction transversale T dudit bras de vilebrequin 100 des renforcements périphériques 140 ou bajoues sont formés pour compenser les contraintes mécaniques créées dans cette zone du vilebrequin en fonctionnement lorsque ce dernier est soumis à la pression des gaz et à la force centrifuge des bielles et des pistons. 10 La figure 2 est une coupe transversale du motif selon le plan défini par l'axe de la direction verticale V et l'axe de la direction transversale T. La figure 3 est une coupe du motif selon le plan défini par l'axe de la direction verticale V et l'axe de la direction longitudinale L. Dans l'exemple de réalisation illustré par lesdites figures 2 et 3, 15 l'épaisseur 180 du bras 100 est d'environ 15 millimètres. La cavité 130 a la forme d'une entaille en arc de cercle partiel d'ouverture angulaire 160 maximale de 50 degrés symétrique par rapport à l'axe vertical. Cette délimitation correspond à une zone du bras où la dissymétrie de forme avec l'extrémité libre 150 est la plus importante. Ladite forme en entaille permet 20 une variation continue de la rigidité flexionnelle dans ladite zone. La profondeur 170 de ladite cavité 130 mesure dans l'exemple de réalisation illustré environ 7 millimètres. L'assemblage dudit bras de vilebrequin 100 par emmanchement avec ledit maneton 120 entraine également une déformation en flexion du bras mais 25 de valeur réduite et inférieure à 1 degrés, ne nécessitant pas d'étape supplémentaire de redressage car ladite cavité 130, diminuant la masse localement, créé une symétrie partielle de rigidité flexionnelle autour dudit alésage. 30 Le vilebrequin selon l'invention est ainsi composé au moins d'un bras de vilebrequin 100, d'un tourillon 110 et d'un maneton 120 dont les éléments 3042560 9 sont assemblables ensemble par emmanchement pour une masse réduite puisque le bras 100 de faible épaisseur 180 est creusé d'une cavité unique 130 tournée vers le maneton 120 créant une symétrie partielle de rigidité flexionnelle autour dudit alésage et permettant un emmanchement sans étape 5 supplémentaire de redressage. Cette invention s'applique également aux vilebrequins des moteurs essence ainsi qu'aux moteurs des compresseurs et des pompes transformant le mouvement de rotation de l'arbre moteur du compresseur ou de la pompe 10 en un mouvement de translation d'un ou plusieurs pistons. REVENDICATIONS1. Vilebrequin comprenant au moins un bras de vilebrequin (100) disposé entre un maneton (120) et un tourillon (110), assemblés par emmanchement, ledit bras de vilebrequin (100) étant caractérisé en ce qu'il présente une rigidité flexionnelle sensiblement égale aux points diamétralement opposés autour d'un alésage destiné à recevoir ledit maneton (120). 2. Vilebrequin selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit bras de vilebrequin (100) comporte une conformation locale de compensation flexionnelle en bordure dudit alésage destiné à recevoir ledit maneton (120). 3. Vilebrequin selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce ledit bras de vilebrequin (100) comprend une cavité unique (130) creusée sur une face dudit bras (100) tournée vers le maneton (120). 4. Vilebrequin selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite cavité (130) est située entre les alésages du maneton (120) et du tourillon (110). 5. Vilebrequin selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite cavité (130) est sensiblement distante dudit alésage destiné à recevoir ledit maneton (120). 6. Vilebrequin selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite cavité (130) peut être réalisée par usinage, forgeage ou fonderie. 3042560 11 7. Vilebrequin selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite cavité (130) a la forme d'une entaille en arc de cercle partiel d'ouverture angulaire (160) maximale de 50 degrés symétrique par rapport à l'axe maneton (120) - tourillon (110). 5 8. Vilebrequin selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit bras de vilebrequin (100) comporte des renforcements périphériques (140) dans la direction transversale. 10 9. Vilebrequin selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit bras de vilebrequin (100) est réalisé en fonte et le maneton (120) en acier. 10. Vilebrequin selon l'une quelconque des revendications précédentes, 15 caractérisé en ce que ledit maneton (120) comprend un tube creux. 11. Vilebrequin selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit tourillon (110) comprend un tube creux. 20 12. Procédé de fabrication d'un vilebrequin comprenant au moins un bras de vilebrequin (100) disposé entre un maneton (120) et un tourillon (110), assemblés par emmanchement, caractérisé en ce qu'il comporte une étape de mise en forme d'une conformation locale concave de compensation flexionnelle en périphérie d'un alésage destiné à recevoir ledit maneton (120). 25