Brevet FR3079764A1 — publié le 20191011

PROCÉDÉ DE FABRICATION D'UNE PIÈCE MOBILE CREUSE EN FONTE DE MOTEUR THERMIQUE TELLE QU'UN VILEBREQUIN [1] L'invention concerne de manière générale le domaine des moteurs thermiques, notamment dans l'automobile. Plus particulièrement, l'invention se rapporte à un procédé pour la fabrication d'une pièce mobile creuse en fonte de moteur thermique. L'invention se rapporte aussi à un vilebrequin de moteur thermique obtenu par la mise en oeuvre du procédé susmentionné. [2] Dans l'automobile, il est connu de réaliser des pièces mobiles d'un moteur thermique en fonte coulée, comme le vilebrequin ou l'arbre à cames. De manière conventionnelle, les vilebrequins et les arbres à came en fonte ont souvent été choisies pour les motorisations les moins sollicitées, tandis que des pièces en acier forgé sont préférées lorsque la tenue mécanique requise est plus importante. [3] Cependant, certaines nuances métallurgiques de fonte permettent de réaliser des pièces dont les caractéristiques mécaniques sont comparables à celles obtenues avec l'acier forgé. De plus, les pièces en fonte sont économiquement compétitives, du fait d'un moindre coût matière et de processus et gammes de fabrication souvent plus simples que pour des pièces en acier forgé. [4] Ainsi, par exemple, la fonte à graphite sphéroïdal, dite fonte GS ou fonte ductile, présente des avantages intéressants en termes de coulabilité, d'usinabilité, de fiabilité en service, d'amortissement des vibrations, de trempabilité en surface et autres. Les pièces en fonte coulée sont réalisables avec une bonne précision, notamment grâce à un faible retrait de matière au moulage. Les parties soumises à frottement, telles que les tourillons et manetons du vilebrequin, peuvent être usinées précisément avec les états de surface requis. Des traitements thermiques superficiels sont disponibles pour accroître la dureté des parties d'usure. [5] Dans un moteur thermique, un vilebrequin classique, en acier ou en fonte, présente une masse importante, du fait de ses formes pleines, qui ne peut pas être réduite sans toucher à la géométrie et aux dimensions des formes extérieures du vilebrequin. Ainsi, la masse du vilebrequin peut représenter jusqu'à environ 10% de la masse du moteur. Le gain de masse est significatif si une partie de la matière est supprimée dans les parties centrales des manetons et tourillons. La matière dans ces parties centrales apporte peu à la rigidité 2 et la tenue mécanique du vilebrequin. Outre la réduction du coût matière qu'autorise les évidements dans le corps du vilebrequin, il en résulte aussi une amélioration des performances du moteur thermique du fait d'une moindre inertie de la pièce et, consécutivement, d'un couple mécanique réduit lors des changements de régime moteur. 5 De manière générale, la réduction des masses mobiles dans le moteur thermique participe à une diminution de la consommation de carburant et des émissions de CO2 et bénéficie à la longévité des pièces. Sur le plan industriel, les coûts de la logistique et du transport des pièces sont impactés positivement par la réduction de poids. [6] Le document JP556147914A1 divulgue un vilebrequin creux en fonte dont la cavité 10 intérieure est formée au moyen d'un tube métallique qui est soudé dans le corps du vilebrequin lors de la coulée de la fonte dans un moule en sable. Le tube métallique est en un seul morceau et comporte des portions rectilignes et des portions coudées. Les portions rectilignes correspondent aux tourillons et manetons et les portions coudées correspondent aux flasques (ou bras de manivelle). Un inconvénient de cette solution est qu'elle n'autorise 15 pas la compacité axiale du vilebrequin, or la réduction de la longueur axiale de la pièce participe aussi à la réduction de masse. En effet, la compacité axiale du vilebrequin conduit à un faible éloignement axial entre un tourillon et le maneton voisin. Le flasque a alors une épaisseur trop faible pour la portion coudée de tube. [7] Il est souhaitable de proposer une solution nouvelle qui puisse convenir pour 20 différentes conceptions de vilebrequin en fonte, ainsi que pour d'autres pièces mobiles creuses en fonte dans un moteur thermique, telles que l'arbre à cames. [8] Selon un premier aspect, l'invention concerne un procédé de fabrication d'une pièce mobile en fonte de moteur thermique ayant une pluralité de parties creuses distinctes situées dans des zones centrales de la pièce, le procédé comprenant une opération de 25 moulage par gravité de la pièce. Conformément à l'invention, l'opération de moulage par gravité comporte l'insertion dans le moule de fonderie, préalablement à la coulée de fonte, d'une pluralité de tubes métalliques distincts formant respectivement les parties creuses distinctes, les tubes métalliques distincts étant disposés à des emplacements du moule de fonderie correspondant aux parties creuses distinctes et les tubes métalliques distincts 30 restant insérés définitivement dans la pièce après le refroidissement de la fonte coulée. [009] L'utilisation de tubes pour l'obtention des parties creuses présente l'avantage d'éliminer des opérations complémentaires onéreuses telles que le retrait de noyaux qui 3 seraient utilisés pour ces parties creuses avec un procédé classique de moulage et un nettoyage haute pression des parties creuses. [0010] Selon une caractéristique particulière du procédé, la fonte coulée est de la fonte GS bainitique ou de la fonte GSB2 bainitique. 5 [0011] L'invention concerne aussi une pièce mobile en fonte de moteur thermique, sous la forme d'un arbre à cames ou d'un vilebrequin, fabriquée par la mise en oeuvre du procédé décrit brièvement ci-dessus. [0012] Selon un autre aspect, l'invention concerne aussi un vilebrequin en fonte de moteur thermique ayant une pluralité de parties creuses distinctes situées dans des zones centrales 10 de tourillons et/ou manetons. Conformément à l'invention, le vilebrequin comporte une pluralité de tubes métalliques distincts qui forment respectivement les parties creuses distinctes, les tubes métalliques distincts étant insérés dans le vilebrequin par moulage. [0013] On notera que l'invention autorise un allégement d'environ 20% de la masse du vilebrequin. 15 [0014] Selon une caractéristique particulière du vilebrequin, la fonte est de la fonte GS bainitique ou de la fonte GSB2 bainitique. [0015] Selon une autre caractéristique particulière, au moins un tube métallique comporte des parois intérieures d'un circuit d'huile de lubrification du vilebrequin. [0016] Selon encore une autre caractéristique particulière, les parois intérieures sont 20 agencées de façon à former un réservoir d'huile dans le tube métallique. [0017] Selon encore une autre caractéristique particulière, les parois intérieures sont formées par des opercules collées et/ou soudées à l'intérieur du tube métallique. [0018] L'invention concerne aussi un moteur thermique comprenant un vilebrequin tel que décrit brièvement ci-dessus et un véhicule comprenant ce moteur thermique. 25 [0019] D'autres avantages et caractéristiques de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description détaillée ci-dessous de plusieurs formes de réalisation particulières de l'invention, en référence aux dessins annexés, dans lesquels : 4 - la Fig.1 est une vue en perspective d'un vilebrequin de moteur thermique obtenu par la mise en oeuvre du procédé selon l'invention ; - la Fig.2 est une vue en coupe longitudinale du vilebrequin de la Fig.1 ; et - la Fig.3 est une vue en coupe longitudinale d'un autre vilebrequin obtenu par la 5 mise en oeuvre du procédé selon l'invention. [0020] Aux Figs.1 et 2, il est montré une première forme de réalisation 1 d'un vilebrequin de moteur thermique obtenu par la mise en oeuvre du procédé selon l'invention. Le vilebrequin 1 est un vilebrequin d'un moteur thermique à quatre cylindres. [0021] En référence aux Figs.1 et 2, le vilebrequin 1 comprend ici cinq tourillons 101 à 105, 10 quatre manetons 111 à 114, huit flasques 121 à 125, quatre contrepoids 131 et 134, et, en bout de vilebrequin, une extrémité de fixation de volant 14 et une extrémité de fixation de poulie 15. [0022] Comme visible dans les figures, les trois tourillons 102 à 104 et les quatre manetons 111 à 114 ont des parties centrales creuses 1002 à 1004 et 1101 à 1104, respectivement. Les 15 tourillons 101 et 105 situés à proximité des extrémités 14 et 15, respectivement, ont des parties centrales pleines. [0023] Conformément à l'invention, et comme mieux visible à la Fig.2, les parties centrales creuses 1002 à 1004 et 1101 à 1104, sont réalisées à l'aide d'une pluralité de tubes métalliques 1012 à 1 01 4 et 1111 à 1114, respectivement. Les tubes métalliques sont de faible 20 épaisseur. Les tourillons ayant généralement un diamètre supérieur à celui des manetons, les tubes métalliques des tourillons auront aussi un diamètre supérieur à celui des tubes métalliques des manetons. [0024] Le procédé de fabrication selon l'invention fait appel à des techniques bien maîtrisées de moulage au sable par gravité. Des moules au sable à vert ou au sable dur 25 pourront être utilisés. Les tubes métalliques sont mis en place dans l'empreinte d'un châssis inférieur du moule de fonderie avant de procéder à leur remmoulage dans le moule. Selon l'application, le remmoulage sera fait tube par tube avec plusieurs portées de joint ou pour toute la grappe regroupant l'ensemble des tubes. La fonte en fusion est ensuite coulée par gravité dans le moule et remplit celui-ci en entourant les tubes métalliques. Les tubes 30 métalliques restent insérés définitivement dans le vilebrequin 1 après le refroidissement de la fonte coulée. Les opérations de décochage, ébardage et parachèvement du vilebrequin 5 sont effectuées ensuite selon les processus standard de la fonderie. Le vilebrequin venu de fonderie est ensuite usiné pour obtenir les cotes fonctionnelles et états de surface requis. [0025] Concernant le matériau des tubes métalliques, celui-ci sera de préférence un alliage ferreux ayant une bonne compatibilité de soudure avec la fonte coulée du vilebrequin 5 1. Cette compatibilité de soudure entre la fonte et le matériau des tubes n'est cependant pas indispensable, sachant que d'autres solutions de fixation mécanique pourront être utilisées. [0026] La fonte à graphite sphéroïdal, à trempe bainitique, dite fonte GS bainitique, pourra être utilisée, mais pas exclusivement, pour la réalisation du vilebrequin selon l'invention. En 10 particulier, la fonte de type GSB2 bainitique est un choix économique bien adapté pour la réalisation du vilebrequin selon l'invention. La réduction de la massivité du vilebrequin obtenue avec les parties creuses permet en effet d'obtenir la conformité métallurgique requise avec ce type de fonte. [0027] Comme montré à la Fig.2, dans cette forme de réalisation particulière, des parois 15 intérieures sous la forme d'opercules OP, soudés ou collés dans les tubes métalliques, peuvent être prévues de manière à réaliser le circuit d'huile de lubrification dans le vilebrequin 1. Ainsi, deux tubes métalliques 1012 et 1014 de tourillon et les quatre tubes métalliques 1111 à 1114 de maneton comprennent ici des opercules OP. Ces opercules OP permettent de former des réservoirs d'huile sous pression. Des orifices OR sont aménagés 20 dans les réservoirs d'huile et permettent la circulation de l'huile. [0028] Comme montré à la Fig.3, la deuxième forme de réalisation 2 du vilebrequin selon l'invention comporte des tubes métalliques 2111 à 2114 et 2013 ayant ici des diamètres plus petits que ceux des tubes métalliques du vilebrequin 1. Les quatre tubes métalliques 2111 à 2114 correspondent respectivement aux manetons 211 à 214. Le tube métallique 2013 25 correspond au tourillon central 203 qui est le seul à être creux dans cette forme de réalisation. Dans le vilebrequin 2, le circuit d'huile de lubrification est différent de celui du vilebrequin 1 et les tubes métalliques du vilebrequin 2 ne comportent pas d'opercule. [0029] L'invention ne se limite pas aux formes de réalisation particulières qui ont été décrites ici à titre d'exemple. L'homme du métier, selon les applications, pourra apporter 30 différentes modifications et variantes entrant dans le champ de protection de l'invention. REVENDICATIONS1. Procédé de fabrication d'une pièce mobile en fonte de moteur thermique (1) ayant une pluralité de parties creuses distinctes (1101 à 1104; 1002 à 1004) situées dans des zones centrales de ladite pièce (1), ledit procédé comprenant une opération de moulage par gravité de ladite pièce (1), caractérisé en ce que ladite opération de moulage par gravité comporte l'insertion dans le moule de fonderie, préalablement à la coulée de fonte, d'une pluralité de tubes métalliques distincts (1111 à 1114; 1012 à 1014) formant respectivement lesdites parties creuses distinctes (1101 à 1104; 1002 à 1004), lesdits tubes métalliques distincts (1111 à 1114; 1012 à 1014) étant disposés à des emplacements dudit moule de fonderie correspondant auxdites parties creuses distinctes (1101 à 1104; 1002 à 1004) et lesdits tubes métalliques distincts (1111 à 1114; 1012 à 1014) restant insérés définitivement dans ladite pièce (1) après le refroidissement de la fonte coulée. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la fonte coulée est de la fonte GS bainitique ou de la fonte GSB2 bainitique. 3. Pièce mobile en fonte de moteur thermique, sous la forme d'un arbre à cames ou d'un vilebrequin, fabriquée par la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1 ou 2. 4. Vilebrequin en fonte de moteur thermique (1) ayant une pluralité de parties creuses distinctes (1101 à 1104; 1002 à 1004) situées dans des zones centrales de tourillons (101 à 105) et/ou manetons (111 à 114), caractérisé en ce qu'il comporte une pluralité de tubes métalliques distincts (1111 à 1114; 1012 à 1014) qui forment respectivement lesdites parties creuses distinctes (1101 à 1104; 1002 à 1004), lesdits tubes métalliques distincts (1111 à 1114; 1012 à 1014) étant insérés dans le vilebrequin (1) par moulage. 5. Vilebrequin selon la revendication 4, caractérisé en ce que la fonte est de la fonte GS bainitique ou de la fonte GSB2 bainitique. 6. Vilebrequin selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce qu'au moins un dit tube métallique (1111 à 1114; 1012, 1014) comporte des parois intérieures (OP) d'un circuit d'huile de lubrification du vilebrequin (1). 7 7. Vilebrequin selon la revendication 6, caractérisé en ce que lesdites parois intérieures (OP) sont agencées de façon à former un réservoir d'huile dans ledit tube métallique (1111 à 1114; 1012, 1014). 8. Vilebrequin selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que lesdites parois 5 intérieures sont formées par des opercules (OP) collées et/ou soudées à l'intérieur dudit tube métallique (1111 à 1114; 1012, 1014). 9. Moteur thermique comprenant un vilebrequin (1, 2) selon l'une quelconque des revendications 4 à 8. 10. Véhicule comprenant un moteur thermique selon la revendication 9.