Brevet FR3071608A1 — publié le 20190329

PROCÉDÉ DE TEST POUR ORGANES DE CULASSE DE MOTEUR A COMBUSTION INTERNE ET SYSTEME DE MISE EN OEUVRE [0001] L'invention se rapporte à un procédé de test pour organes de culasse de moteur à combustion, et se rapporte également à un système mettant 5 en oeuvre ce procédé. [0002] L'invention concerne le domaine des essais des pièces mécaniques pour moteur à combustion interne, ces pièces étant destinées à subir de fortes contraintes thermique et mécanique, ces contraintes augmentant avec l'augmentation de la puissance et du rendement des moteurs. Concernant les 10 culasses, la contrainte thermique est à l'origine de fissures dans la chambre de combustion du moteur, dont une partie est formée dans la culasse, et la contrainte mécanique est à l'origine de fissures dans la chambre d'eau, dont les conduits d'eau forment un maillage au sein des culasses. Ce deuxième problème nécessite une amélioration de forme et de composition d'alliage de culasse dont les résultats aux 15 tests ne sont pas satisfaisants. [0003] Un exemple classique de test de culasse est présenté dans le document FR 2 651 319. Ce document de brevet présente un banc de test pour culasse, ce banc de test recréant les conditions fonctionnement de la culasse, en termes de température et de pression d'eau, au moyen de pompes à injection et 20 d'un moteur électrique animant des pistons. Cependant, de tels bancs de test ne peuvent reproduire de façon satisfaisante le fonctionnement des moteurs, alors que les moteurs présentent des pressions maximales internes de plus en plus élevées ainsi que des cycles de fonctionnement de vitesses variables, difficiles à recréer sur de tels bancs de test. De plus, une durée de test relativement longue est nécessaire 25 pour obtenir des résultats significatifs. [0004] Dans un autre document, WO 0169195, il est proposé de reproduire sur un banc de test d'une culasse d'un moteur à combustion interne les conditions de pression et de température, en utilisant des électrovannes pour ajuster la pression de l'eau, ces électrovannes permettant de réaliser une pression interne 30 élevée. Cependant, un tel banc peut difficilement simuler des cycles moteur rapides 2 et variables, et sa maintenance est complexe car l'arbre à cames du banc de test s'use rapidement au cours de ces cycles rapides. [0005] L'invention vise à s'affranchir de ces inconvénients tout en diminuant sensiblement la durée des tests. Pour ce faire, l'invention prévoit d'utiliser la définition de zones critiques de noyaux d'eau par des études préalables, pour appliquer une contrainte cyclique spécifique sur ces zones critiques. [0006] Plus précisément, la présente invention a pour objet un procédé de test sur une machine de fatigue pour une culasse de moteur à combustion, cette fatigue étant créée par un vérin issu de la machine de fatigue, en appliquant des contraintes cycliques sur une zone de la culasse placée dans l'axe de déplacement du vérin, cette culasse comportant des conduits et chambres d'eau appelés, conjointement noyau d'eau, et comportant au moins une zone sensible prédéterminée du noyau d'eau par des études de simulation préalables, ce procédé se déroulant selon les étapes suivantes : - sélection de la zone sensible prédéterminée du noyau d'eau de la culasse; - détermination d'un nombre de culasses à tester ; - détermination d'un taux de test minimal sans fissure à obtenir; - détermination d'un rapport entre des contraintes maximale et minimale à appliquer sur la culasse par la machine de fatigue en fonction d'un nombre de cycles à effectuer par test; - positionnement de la culasse sur la machine de fatigue, la zone sensible sélectionnée coïncidant alors avec la zone placée dans l'axe de déplacement du vérin et destinée à être fatiguée ; - essai de fatigue par application d'une contrainte cyclique avec surveillance de la formation ou amorce d'une fissure sur une paroi du noyau d'eau ; - réitération du test sur une autre culasse de la série ; - si le taux de test sans fissure n'est pas atteint, le dimensionnement et/ou la forme du noyau d'eau sont modifiés en fonction des études préalables ; - si le taux de test sans fissure est atteint, le dimensionnement et la forme de la culasse sont validés ; 3 - si une autre zone sensible est à tester sur la culasse, les étapes précédentes sont réitérées. [0007] Un avantage particulièrement appréciable de cet essai de fatigue est de permettre de valider la forme d'une nouvelle culasse avec un nombre et une 5 durée d'essais réduits. [0008] L'invention se rapporte également à une machine de fatigue destinée à mettre en oeuvre ce procédé et équipée d'un vérin appliquant des contraintes cycliques sur une culasse par une extrémité mobile. Cette machine de fatigue comporte au moins trois piliers de pose et ledit vérin est équipé en son 10 extrémité mobile d'une interface d'appui. [0009] Une telle machine de fatigue, utilisée pour une culasse, permet de réaliser des essais à température ambiante et à pression ambiante. La culasse testée dispose en général d'au moins quatre orifices de fixation sur un carter de moteur. Quatre de ces orifices sont alors posés sur les piliers de pose pour les 15 essais de fatigue, ces orifices étant choisis pour entourer une zone sensible du noyau d'eau qui est destinée à subir les contraintes. [0010]Selon certains modes de réalisation : - l'interface d'appui est agencée en extrémité d'un poinçon de forme cylindrique formant l'extrémité mobile du vérin ; 20 - la plus grande dimension de l'interface d'appui est comprise entre 10 et 20 mm; - alternativement, l'interface d'appui est une bille posée sur la culasse ; - les piliers de pose sont équipés en leur extrémité de pastilles en carbure ; - le rapport de la contrainte minimum à la contrainte maximum, dit rapport 25 de charge, est compris entre 0,05 et 0,5 ; - des capteurs acoustiques sont positionnés sur la culasse, ces capteurs permettent d'effectuer des contrôles non destructifs de la présence de fissures. [0011] L'invention se rapporte également à un véhicule automobile équipé d'un moteur dont la culasse est validée avec la machine de fatigue telle que définie ci-30 dessus. [0012] Dans le présent texte, les qualificatifs « supérieur » et « inférieur » se rapportent aux localisations d'éléments par rapport aux équipements positionnés 4 en utilisation standard. Le qualificatif « vertical » se rapport à la direction des forces de gravité, et le qualificatif « horizontal » correspond à une direction perpendiculaire à la direction verticale. Sur les figures, des éléments identiques sont repérés par un même signe de référence qui renvoie au(x) passage(s) de la description qui le mentionne(nt). 5 [0013] D'autres données, caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description non limitée qui suit, en référence aux figures annexées qui représentent, respectivement : - la figure 1, un logigramme du procédé de test de fatigue selon l'invention ; - la figure 2, une vue partielle d'un noyau d'eau présentant des zones 10 sensibles; - la figure 3, une vue d'une culasse avec quatre points de pose sur une machine de fatigue; - la figure 4, un schéma d'un poinçon selon l'invention, avant sa pose en extrémité d'un vérin; et 15 - la figure 5, un schéma de principe d'une machine de fatigue selon l'invention. [0014] Un logigramme du procédé de test de fatigue selon l'invention est présenté en référence à la figure 1. Ce logigramme se déroule sur une machine de fatigue pour une culasse de moteur à combustion. La culasse en test comporte des 20 conduits et chambres d'eau appelés conjointement noyau d'eau, et comporte au moins une zone sensible placée au préalable dans la zone de test de la machine (cf. la description ci-dessous en référence à la figure 5). Ce procédé comporte les étapes suivantes, après avoir déterminé et sélectionné les zones sensibles du noyau d'eau par une série de simulations préalables, en étape 1; 25 - nombre de culasses à tester: une ou deux (en cas de souci) dans l'exemple (étape 2); - détermination du taux de test minimal sans fissure à obtenir en étape 3, 100% dans l'exemple; - détermination du rapport des contraintes maximale et minimale à 30 appliquer sur la culasse par la machine de fatigue (étape 4) en fonction d'un nombre de cycles à effectuer dans un test: rapport de charge égal à +0,1 dans l'exemple; 5 - positionnement de la culasse sur la machine de fatigue à l'étape 5, une zone sensible sélectionnée coïncidant alors avec la zone placée (« Z » sur la figure 5) dans l'axe de déplacement du vérin (52 sur la figure 5); - essai de fatigue par application d'une contrainte cyclique (étape 6) avec 5 surveillance de la formation ou amorce d'une fissure sur une paroi du noyau d'eau; - réitération du test sur une autre culasse de la série en (boucle 7), selon le protocole défini à l'étape 2; - tant que le taux de test (test 8) sans fissure n'est pas atteint, le dimensionnement et, en complément, la forme du noyau d'eau sont modifiés (étape 10 9) à partir de simulations préalablement effectuées; les étapes de test peuvent alors recommencer (boucle 10) avec la nouvelle forme de la culasse; - lorsque le taux de test sans fissure est atteint, le dimensionnement et la forme de la culasse sont validés (fin, étape 11) ; - les autres zones sensibles sont testées selon les étapes précédentes 15 (boucle 12). [0015]E n moyenne, la durée d'un tel test de fatigue dure de un à trois jours, alors qu'en simulant un fonctionnement de culasse dans un moteur en y appliquant les valeurs de pression et de température régnant dans un moteur, un test dure environ dix semaines. 20 [0016] La figure 2 montre une vue partielle d'un noyau d'eau 20 présentant des zones sensibles 21. Cette vue est une représentation simulée représentant en volumes des espaces vides correspondant aux conduits et chambres d'un noyau d'eau de culasse. Des études de simulation connues déterminent au préalable une ou plusieurs zones sensibles 21 du noyau d'eau 20, et le risque de fissuration est 25 défini par un coefficient de danger. [0017] Des essais préliminaires de validation du procédé selon l'invention montrent que si on soumet une culasse à une situation réelle dans un moteur (en termes de pression, température, et vibrations), les zones où se produisent des fissures en essais de fatigue sont celles pour lesquelles le coefficient de danger a 30 été défini comme maximal dans les études de simulation. [0018] La figure 3 présente une vue d'une culasse 30 avec quatre points de pose 33 sur une machine de fatigue. Cette culasse 30 présente différents orifices 6 31, 32 et 33 (fixation, puits de bougies ou autres fonctions). Parmi les orifices prévus pour la fixation 32, 33, les 4 orifices 33 ont été choisis car ils entourent une zone sensible de la culasse, et sont destinés à être posés sur les piliers de pose (54 sur la figure 5). 5 [0019] Un schéma de poinçon 40 selon l'invention est illustré sur la figure 4, avant sa pose en extrémité d'un vérin (référence 52 sur la figure 5). Ce poinçon 40 comporte une interface d'appui 41 à l'extrémité d'une prolongation 42 du corps cylindrique 43 du poinçon 40. L'interface d'appui 41 présente un diamètre de l'ordre de 15 mm. Pour la fixation sur un vérin (52 sur la figure 5), le corps cylindrique 43 10 présente une cavité 44 à l'opposé de la prolongation 42. [0020] Un schéma de principe d'une machine de fatigue 50 est présenté sur la figure 5. Cette machine de fatigue 50 comporte un cadre 51 actionnant un vérin 52 terminé par un poinçon 40. Le vérin 52 applique des essais de fatigue par application d'une contrainte cyclique de fréquence 35 Hz dans le sens de la flèche 15 « F » perpendiculairement à la surface « S » de la culasse 30, posée à l'horizontale sur 4 piliers de pose 54. Une zone sensible « Z » de la culasse 30 la zone sensible sélectionnée est placée à la verticale du vérin 52, et elle est alors dans l'axe Y'Y de déplacement de ce vérin 52. La durée de test sur une zone sensible « Z » de la culasse 30 est comprise entre un jour et trois jours, au lieu de 8 à 10 semaines pour 20 des tests de culasse en situation réelle dans un moteur. [0021 ] Les paramètres de test utilisés pour la machine de fatigue 50 sont les suivants : - la fréquence du cycle de la fatigue est de 35 Hz, - le rapport de charge appliqué R est égal à 0,1, mais tout rapport de charge positif 25 est utilisable ; - la censure des essais est de 3*1 06 cycles; mais toute valeur supérieure à 105 est acceptable pour ces tests. [0022] L'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation décrits et représentés. Ainsi, la forme du pion peut être différente de celle présentée sur ces 30 figures. De plus, ces tests de fatigue peuvent être réalisés à chaud. [0023] En outre, l'invention s'applique à toute pièce mécanique sujette à un risque de fissuration dans des conditions d'exploitation REVENDICATIONS1. Procédé de test sur une machine de fatigue (50) pour une culasse (30) de moteur à combustion, cette fatigue étant créée par un vérin (52) issu de la machine de fatigue (50), en appliquant des contraintes cycliques sur une zone (Z) de la culasse (30) placée dans l'axe (Y'Y) de déplacement du vérin (52), cette culasse (30) comportant des conduits et chambres d'eau appelés, conjointement noyau d'eau, et comportant au moins une zone sensible (Z) prédéterminée du noyau d'eau par des études de simulation préalables, ce procédé se déroulant selon les étapes suivantes : - sélection de la zone sensible (Z) prédéterminée du noyau d'eau de la culasse (étape 1) ; - détermination d'un nombre de culasses à tester (étape 2); - détermination d'un taux de test minimal sans fissure à obtenir (étape 3); - détermination d'un rapport entre des contraintes maximale et minimale à appliquer sur la culasse (30) par la machine de fatigue (étape 4), en fonction d'un nombre de cycles à effectuer par test; - positionnement de la culasse sur la machine de fatigue (étape 5), la zone sensible sélectionnée (Z) coïncidant alors avec la zone placée dans l'axe de déplacement (Y'Y) du vérin (52) et destinée à être fatiguée ; - essai de fatigue (étape 6) par application d'une contrainte cyclique avec surveillance de la formation ou amorce d'une fissure sur une paroi du noyau d'eau ; - réitération du test sur une autre culasse (30) de la série (boucle 7); - si le taux de test (8) sans fissure n'est pas atteint, le dimensionnement et/ou la forme du noyau d'eau sont modifiés en fonction des études préalables ; - si le taux de test sans fissure est atteint, le dimensionnement et la forme de la culasse (30) sont validés (étape 11); et - si une autre zone sensible (Z) est à tester sur la culasse (30), les étapes précédentes sont réitérées (boucle 12). 8 2. Machine de fatigue (50) de mise en oeuvre le procédé selon la revendication 1 et équipée d'un vérin (52) appliquant des contraintes cycliques sur une culasse (30) par une extrémité mobile (40), caractérisée en ce qu'elle comporte au moins trois piliers de pose (54) et en ce que ledit vérin (52) est équipé en son 5 extrémité mobile (40) d'une interface d'appui (41). 3. Machine de fatigue (50) selon la revendication 2 dans laquelle l'interface d'appui (41) est agencée en extrémité d'un poinçon (50) de forme cylindrique formant l'extrémité mobile du vérin (52). 4. Machine de fatigue (50) selon la revendication précédente, dans 10 laquelle la plus grande dimension de l'interface d'appui (41) est comprise entre 10 et 20 mm. 5. Machine de fatigue (50) selon la revendication 2, dans laquelle l'interface d'appui (41) est une bille posée sur la culasse (30). 6. Machine de fatigue (50) selon l'une quelconque des revendications 15 2 à 5, dans laquelle les piliers de pose (54) sont équipés en leur extrémité de pastilles en carbure (55). 7. Machine de fatigue (50) selon l'une quelconque des revendications 2 à 6, dans laquelle le rapport de la contrainte minimum à la contrainte maximum, dit rapport de charge, est compris entre 0,05 et 0,5. 20 8. Machine de fatigue (50) selon l'une quelconque des revendications 2 à 7, dans laquelle des capteurs acoustiques sont positionnés sur la culasse (30). 9.Véhicule automobile, caractérisé en ce qu'il équipé d'un moteur dont la culasse (30) est validée avec la machine de fatigue (50) telle que définie selon l'une quelconque des revendications 2 à 8. 25