Brevet FR3051234A1 — publié le 20171117

PROCEDE DE RENFORCEMENT D'UN ASSEMBLAGE ENTRE UN CHAPEAU DE PALIER ET UN CARTER-CYLINDRES [0001] La présente invention porte sur un procédé de renforcement d'un assemblage entre un chapeau de palier et un carter-cylindres. L'invention trouve 5 une application particulièrement avantageuse, mais non exclusive, dans le domaine des moteurs thermiques de véhicules automobiles. [0002] De façon connue en soi, un chapeau de palier présente une surface de contact destinée à venir en appui contre une surface de contact correspondante d'un carter-cylindres de manière à délimiter un palier. Un tel palier est destiné à 10 recevoir un tronçon d'un arbre de vilebrequin pour assurer le montage rotatif du vilebrequin par rapport au carter-cylindres. [0003] Afin d'assurer un positionnement correct du chapeau de palier sur le carter-cylindres, un détrompeur prenant la forme d'une empreinte femelle réalisée sur le carter-cylindres est destiné à coopérer de façon complémentaire avec une 15 empreinte mâle correspondante réalisée dans le chapeau de palier. L'empreinte femelle est réalisée par exemple par poinçonnement du carter-cylindres réalisé dans un matériau à base d'aluminium par l'empreinte mâle du chapeau de palier réalisé dans un matériau de plus grande dureté, tel que de l'acier fritté. Toutefois, lors de sollicitations mécaniques trop importantes, il a été observé une apparition 20 de fissures dans la zone d'assemblage en extrémité de l'empreinte femelle susceptibles de provoquer la casse du moteur thermique. [0004] L'invention vise à remédier à cet inconvénient en proposant un procédé de renforcement d'un ensemble pour moteur thermique comportant: - un carter-cylindres, et 25 - au moins un chapeau de palier ayant une surface de contact destinée à venir en appui contre une surface de contact correspondante du carter-cylindres de manière à délimiter un palier lorsque le chapeau de palier et le carter-cylindres sont dans un état assemblés, le palier étant destiné à recevoir un tronçon d'un arbre de vilebrequin, caractérisé en ce que le procédé comporte: 3051234 2 - une étape de renforcement par friction-malaxage de la surface de contact du carter-cylindres, et - une étape de réalisation d'une empreinte femelle dans la surface de contact du carter-cylindres. [0005] L'invention permet ainsi d'améliorer la tenue en fatigue du carter-cylindres et donc d'éviter l'apparition de fissures en extrémité de l'empreinte femelle. En outre, l'étape de renforcement permet un affinage du grain et de la microstructure au niveau de la surface de contact du carter-cylindres, ce qui permet de faire disparaitre les microporosités éventuelles du matériau formant le carter-cylindres. [0006] Selon une mise en oeuvre, l'étape de renforcement par friction-malaxage est mise en oeuvre au moyen d'un outil muni d'une surface de frottement et d'un pion de travail ménagé dans la surface de frottement. [0007] Selon une mise en oeuvre, l'étape de renforcement par friction-malaxage comporte: - une étape de mise en contact du pion de travail sur la surface de contact du carter-cylindres pour échauffer la surface de contact du carter-cylindres qui devient pâteuse par effet de friction, - une étape de pénétration du pion de travail dans la surface de contact du carter-cylindres de telle façon que la surface de frottement complète de l'outil vienne en contact avec la surface de contact du carter-cylindres, et - une étape d'avancement de l'outil lorsqu'une rotation de l'outil a amené un échauffement suffisant de la surface de contact du carter-cylindres. [0008] Selon une mise en oeuvre, l'étape de renforcement par friction-malaxage est réalisée suivant toute une largeur de la surface de contact du carter-cylindres. [0009] Selon une mise en oeuvre, l'étape de renforcement par friction-malaxage est réalisée suivant toute la surface de contact du carter-cylindres. [0010] Selon une mise en oeuvre, l'empreinte femelle est réalisée après l'étape de renforcement par friction-malaxage sur la surface de contact du carter-cylindres. 3051234 3 [0011] Selon une mise en oeuvre, l'empreinte femelle est réalisée par poinçonnement d'une empreinte mâle complémentaire ménagée dans la surface de contact du chapeau de palier sur la surface de contact du carter-cylindres. [0012] Selon une mise en oeuvre, l'empreinte femelle présente une forme en 5 "coton-tige". [0013] Selon une mise en oeuvre, le chapeau de palier est réalisé dans un matériau ayant une rigidité plus grande que celle du matériau du carter-cylindres. [0014] L'invention a également pour objet un ensemble pour moteur thermique comportant: 10 - un carter-cylindres, et - au moins un chapeau de palier ayant une surface de contact destinée à venir en appui contre une surface de contact correspondante du carter-cylindres de manière à délimiter un palier lorsque le chapeau de palier et le carter-cylindres sont dans un état assemblés, le palier étant destiné à recevoir un tronçon d'un 15 arbre de vilebrequin, caractérisé en ce que la surface de contact du carter- cylindres comporte: - une empreinte femelle réalisée par poinçonnement d'une empreinte mâle complémentaire ménagée dans la surface de contact du chapeau de palier, et - des traces de mise en oeuvre d'un procédé de type friction-malaxage. 20 [0015] L'invention a également pour objet un moteur thermique caractérisé en ce qu'il comporte un ensemble tel que défini précédemment. [0016] 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. 25 [0017] La figure 1 est une représentation schématique de l'assemblage entre un carter-cylindres et un chapeau de palier selon la présente invention; [0018] La figure 2a est une vue générale d'un carter-cylindres avec lequel est mis en oeuvre le procédé selon la présente invention; 3051234 4 [0019] La figure 2b est une vue détaillée de l'empreinte femelle selon la présente invention ménagée dans la surface de contact du carter-cylindres; [0020] La figure 3 est une vue détaillée des empreintes mâles ménagées dans la surface de contact d'un chapeau de palier et destinées à coopérer chacune avec 5 une empreinte femelle de forme correspondante réalisée dans le carter-cylindres; [0021] Les figures 4a et 4b sont des représentations schématiques illustrant différentes configurations de la zone renforcée lors de la mise en oeuvre du procédé de renforcement par friction-malaxage sur la surface de contact du carter-cylindres selon la présente invention; 10 [0022] Les figures 5a à 5d sont des vues illustrant les différentes étapes du procédé de renforcement par friction-malaxage mises en oeuvre dans le cadre de la présente invention; [0023] La figure 6 est une représentation graphique illustrant l'impact de l'augmentation des caractéristiques mécaniques générées par la mise en oeuvre 15 du procédé de renforcement par friction-malaxage sur la tenue en fatigue de l'assemblage entre le carter-cylindres et le chapeau de palier. [0024] Les éléments identiques, similaires, ou analogues conservent la même référence d'une figure à l'autre. [0025] La figure 1 montre un ensemble 8 pour moteur thermique comportant un 20 chapeau de palier 11 destiné à coopérer avec un carter-cylindres 10. Le chapeau de palier 11 comporte une surface de contact 13 destinée à venir en appui contre une surface de contact 12 correspondante du carter-cylindres 10. Ainsi, lorsque le chapeau de palier 11 et le carter-cylindres 10 sont dans un état assemblés, ils délimitent un palier destiné à recevoir un tronçon d'un arbre de vilebrequin pour 25 son montage rotatif par rapport au carter-cylindres 10. Comme cela est visible sur la figure 2a, deux chapeaux de paliers 11 sont destinés à être montés de part et d'autre de chaque alésage 9 du carter-cylindres 10 destiné à recevoir un piston correspondant. 3051234 5 [0026] Le nombre de chapeaux de palier 11 dans l'exemple représenté vaut quatre pour un moteur à trois cylindres, mais ce nombre pourra bien entendu varier en fonction de l'application et du nombre de cylindres du moteur thermique. Les chapeaux de palier 11 sont ici des pièces indépendantes les unes des autres, mais 5 pourront en variante faire partie d'une seule et même pièce qui comportera alors une pluralité de chapeaux de palier 11. [0027] Les chapeaux de pallier 11 sont généralement réalisés dans un matériau ayant une rigidité plus grande celle du matériau du carter-cylindres 10. En l'occurrence, le carter-cylindres 10 pourra être réalisé par exemple dans un alliage 10 d'aluminium, tandis que les chapeaux de palier 11 pourront être réalisés par exemple en acier fritté. [0028] Pour assurer l'assemblage entre ces deux éléments 10, 11, chaque chapeau de palier 11 comporte des alésages traversants 15 destinés à venir en regard d'alésages 14 de forme correspondante réalisés dans le carter-cylindres 10. 15 Des organes de fixation (non représentés) viennent s'insérer à l'intérieur de ces alésages 14, 15 pour le maintien de l'ensemble 8. [0029] Comme cela est représenté sur la figure 2b, une empreinte femelle 16 est ménagée dans la surface de contact 12 du carter-cylindres 10. L'empreinte femelle 16 est par exemple réalisée par poinçonnement de l'alliage d'aluminium du carter- 20 cylindres 10 par une pièce en acier fritté ayant une forme en relief. [0030] Comme cela est bien visible sur les figures 2b, 4a et 4b, l'empreinte femelle 16 pourra avoir une forme en "coton-tige". On entend par "coton-tige" une forme de tige présentant une partie centrale 162 de section constante et deux extrémités 161 de plus grande section, s'élargissant et s'achevant en une forme 25 sensiblement sphérique ou ovoïde ou ovalisante. Une telle forme permet d'optimiser la répartition des efforts lorsque le moteur thermique est en fonctionnement. L'empreinte femelle 16 est réalisée à deux extrémités diamétralement opposées de chaque palier. 3051234 6 [0031] L'empreinte femelle 16 est destinée à coopérer de façon complémentaire avec une empreinte mâle 17 située sur le chapeau de palier 11 représentée en figure 3. L'empreinte mâle 17 présente ainsi une forme de "coton-tige" en relief par rapport à la surface de contact 12. L'empreinte mâle 17 a des dimensions 5 correspondantes à celles de l'empreinte femelle 16. [0032] Afin d'éviter l'apparition de fissures en extrémité de l'empreinte femelle 16 dans la zone de contact entre le carter-cylindres 10 et le chapeau de palier 11, la surface de contact 12 comporte une zone renforcée 18 s'étendant suivant toute une largeur Lc de la surface de contact 12 du carter-cylindres 10 mesurée suivant 10 une direction axiale par rapport à un axe du palier. [0033] La zone renforcée 18 pourra être obtenue par la mise en oeuvre d'un procédé de friction-malaxage (ou FSP pour "Friction Stir Processing" en anglais) sur la surface de contact 12 du carter-cylindres 10. Le procédé de friction-malaxage est mis en oeuvre de préférence avant le poinçonnement de la surface 15 de contact 12 du carter-cylindres 10 par l'empreinte mâle 17 du chapeau de palier 11. [0034] Le procédé de friction-malaxage permet de malaxer en sous-surface la matière de la surface de contact 12 du carter-cylindres 10 en générant une surpression de type hydrostatique. On peut ainsi déformer à chaud et affiner la 20 structure du matériau de la surface de contact 12, tout en permettant le cas échéant de refermer les porosités présentes du fait du procédé d'élaboration des pièces moteur, par exemple coulées sous pression. [0035] Plus précisément, comme cela est représenté sur les figures 5a à 5d, l'opération de friction-malaxage pourra être réalisée par un outil rotatif 20 muni 25 d'une surface de frottement 21 et d'un pion de travail 22 ménagé dans la surface de frottement 21. [0036] Comme cela est illustré par les figures 5a et 5b, alors que l'outil 20 tourne suivant la flèche F1, le pion de travail 22 vient en contact avec la matière du carter-cylindres 10 suite à un déplacement suivant la flèche F2, de manière à échauffer la 3051234 7 matière par effet de friction. La matière du carter-cylindres 10 sous le pion de travail 22 devient alors pâteuse. Le pion de travail 22 pénètre dans la matière du carter-cylindres 10 et la surface de frottement 21 complète de l'outil 20 vient en contact avec une surface du carter-cylindres 10, comme cela est illustré sur la 5 figure 5c. [0037] Lorsque la rotation de l'outil rotatif 20 amène un échauffement suffisant de la matière du carter-cylindres 10, on démarre l'avance de l'outil rotatif 20 suivant la flèche F3, comme cela est représenté sur la figure 5d. Il se produit alors un malaxage de la matière du carter-cylindres 10 qui permet de reboucher les 10 porosités et d'affiner le grain et la microstructure du palier de carter-cylindres 10. [0038] Les gains mesurés grâce à la mise en oeuvre du procédé de friction-malaxage sont d'environ 150% pour l'allongement à la rupture, et d'environ 40% sur la résistance à la traction et la limite conventionnelle d'élasticité. [0039] Comme cela est illustré sur la figure 4a, la surface de contact 12 du carter- 15 cylindres 10 pourra présenter une zone renforcée 18 s'étendant suivant toute la largeur Lc de la surface de contact 12 et suivant une longueur L1 correspondant à une portion d'une longueur totale L2 de la surface de contact 12. En variante, comme cela est représenté sur la figure 4b, le procédé de renforcement pourra être mis en oeuvre de telle façon que la zone 18 s'étend suivant toute la surface de 20 contact 12 du carter-cylindres 10. La zone 18 s'étend ainsi suivant toute la largeur Lc de la surface de contact 12 et suivant toute la longueur L2 de la surface de contact 12. En l'occurrence, la largeur Lc est mesurée suivant la direction d'allongement longitudinale de l'empreinte femelle 16, tandis que la longueur L2 est mesurée suivant une direction perpendiculaire à la direction d'allongement 25 longitudinale de l'empreinte femelle 16. [0040] Une fois la réalisation de l'empreinte femelle 16 effectuée, la zone renforcée 18 s'étend à l'intérieur et autour de l'empreinte femelle 16. En particulier, la zone renforcée 18 s'étend entre les extrémités 161 de l'empreinte femelle 16 en forme de "coton-tige" et les bords d'extrémité de la surface de contact 12 délimitant la largeur Lc. Les gains en caractéristiques mécaniques obtenus par le procédé de 3051234 8 friction-malaxage permettent d'augmenter la tenue en fatigue du carter-cylindres 10 ainsi renforcé et donc d'éviter l'apparition de fissures en extrémité 161 de l'empreinte femelle 16. [0041] La figure 6 est une représentation graphique de l'évolution de la tenue en 5 fatigue du matériau par un décalage de la valeur de ID de a à b et donc de la droite DV dite de Dang Van. On appréciera que la marge de contrainte CD est plus grande après la mise en oeuvre du procédé de renforcement, ce qui a pour conséquence d'éloigner le matériau renforcé de la zone de rupture R potentielle par rapport à la zone de non-rupture NR délimitée par la droite DV. REVENDICATIONS1. Procédé de renforcement d'un ensemble (8) pour moteur thermique comportant: - un carter-cylindres (10), et - au moins un chapeau de palier (11) ayant une surface de contact (13) déstinée à venir en appui contre une surface de contact (12) correspondante dudit carter- cylindres (10) de manière à délimiter un palier lorsque ledit chapeau de palier (11) et ledit carter-cylindres (10) sont dans un état assemblés, ledit palier étant destiné à recevoir un tronçon d'un arbre de vilebrequin, caractérisé en ce que ledit procédé comporte: - une étape de renforcement par friction-malaxage de ladite surface de contact (12) dudit carter-cylindres (10), et - une étape de réalisation d'une empreinte femelle (16) dans ladite surface de contact (12) dudit carter-cylindres (10). 2. Procédé de renforcement selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite étape de renforcement par friction-malaxage est mise en oeuvre au moyen d'un outil (20) muni d'une surface de frottement (21) et d'un pion de travail (22) ménagé dans ladite surface de frottement (21). 3. Procédé de renforcement selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite étape de renforcement par friction-malaxage comporte: - une étape de mise en contact dudit pion de travail (22) sur ladite surface de contact (12) dudit carter-cylindres (10) pour échauffer ladite surface de contact (12) dudit carter-cylindres (10) qui devient pâteuse par effet de friction, - une étape de pénétration dudit pion de travail (22) dans ladite surface de contact (12) dudit carter-cylindres (10) de telle façon que ladite surface de frottement (21) complète dudit outil (20) vienne en contact avec ladite surface de contact (12) dudit carter-cylindres (10), et - une étape d'avancement dudit outil (20) lorsqu'une rotation dudit outil (20) a amené un échauffement suffisant de ladite surface de contact (12) dudit carter-cylindres (10). 3051234 10 4. Procédé de renforcement selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ladite étape de renforcement par friction-malaxage est réalisée suivant toute une largeur (Lc) de ladite surface de contact (12) dudit carter-cylindres (10). 5 5. Procédé de renforcement selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ladite étape de renforcement par friction-malaxage est réalisée suivant toute ladite surface de contact (12) du carter-cylindres (10). 6. Procédé de renforcement selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que ladite empreinte femelle (16) est réalisée après ladite étape de 10 renforcement par friction-malaxage sur ladite surface de contact (12) du carter- cylindres (10). 7. Procédé de renforcement selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que ladite empreinte femelle (16) est réalisée par poinçonnement d'une empreinte mâle (17) complémentaire ménagée dans ladite surface de contact 15 (13) dudit chapeau de palier (11) sur la surface de contact (12) dudit carter-cylindres (10). 8. Procédé de renforcement selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que ladite empreinte femelle (16) présente une forme en "coton-tige". 20 9. Procédé de renforcement selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que ledit chapeau de palier (11) est réalisé dans un matériau ayant une rigidité plus grande que celle du matériau dudit carter-cylindres (10).