Brevet FR3087235A1 — publié le 20200417

"Arbre rotatif équilibré, notamment vilebrequin de moteur, réalisé en partie par une technique de fabrication additive, procédé de fabrication et moteur équipé d'un tel arbre" s DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION L'invention concerne la conception d'un arbre rotatif équilibré tel qu'un vilebrequin, notamment de moteur d'un véhicule automobile. ARRIERE PLAN TECHNIQUE DE L'INVENTION L'invention concerne plus particulièrement un arbre rotatif, et notamment un vilebrequin de moteur à combustion interne multicylindre destiné notamment à équiper un véhicule 15 automobile. L'invention vise plus particulièrement à améliorer l'équilibrage d'un vilebrequin. Le vilebrequin ou arbre moteur d'un moteur à combustion multicylindres reçoit la poussée des bielles et il fournit un 20 mouvement rotatif à partir des mouvements rectilignes alternatifs des pistons. Classiquement, le vilebrequin d'un moteur à combustion interne présente des portées d'arbre, ou tourillons, placées en ligne selon l'axe de rotation du vilebrequin et qui sont destinées à 25 venir tourner dans des paliers complémentaires associés du moteur. Les manetons constituant les axes des têtes de bielles sont solidaires de tourillons par des paires de bras s'étendant sensiblement perpendiculairement à l'axe longitudinal du 30 vilebrequin. Par ailleurs, le vilebrequin est pourvu de contrepoids, aussi appelés balourds servant à l'équilibrage statique et dynamique 2 des équipages mobiles constitués par les différents ensembles maneton-bielle-piston. Chaque contrepoids est porté par au moins l'un des bras supportant le maneton à l'opposé de ce dernier par rapport au tourillon. Le problème de l'équilibrage des vilebrequins est particulièrement important. En effet, du point de vue des efforts mécaniques, le vilebrequin est la pièce la plus sollicitée du moteur. Il supporte notamment les forces dues aux accélérations io positives ou négatives des bielles et des pistons, aux inerties des masses excentrées et aux couples moteurs et résistants. Il en résulte que le vilebrequin est soumis à des efforts importants de torsion et de flexion qui sont transmis au bloc moteur par l'intermédiaire des paliers du vilebrequin. Un mauvais 15 équilibrage peut notamment conduire à produire des vibrations importantes, notamment au niveau du palier central qui est le plus sollicité du tait du fléchissement longitudinal du vilebrequin selon son axe de rotation, de telles vibrations étant susceptibles de provoquer la rupture des pièces mécaniques par fatigue. 20 L'équilibrage du vilebrequin est obtenu d'abord grâce à une conception particulièrement soignée de la pièce en recourant notamment aux calculs par éléments finis. Toutefois, les techniques actuelles de fabrication des vilebrequins (qui sont coulés en fonte GS ou forgés en acier, avec 25 reprise par usinage des surfaces de portée) ne permettent pas d'obtenir directement des pièces parfaitement équilibrées. Des exemples de conceptions de vilebrequins sont illustrés dans les documents FR-A1-2.720.809 et FR-A1-2.970.662. Par ailleurs, les procédés actuels de fabrication 30 aboutissent à des pièces globalement massives pour lesquelles il apparait souhaitable d'en réduire la masse - et notamment la masse tournante - tout en conservant à chaque vilebrequin ses 3 qualités d'équilibrage assurées notamment par les contrepoids ou balourds. Une telle réduction du poids ou masse du vilebrequin permet notamment de réduire la consommation d'énergie du véhicule. La conception des contrepoids doit répondre à différentes exigences. Ils doivent tout d'abord être correctement positionnés par rapport aux bielles, pour compenser au mieux les forces d'inertie. Ils doivent être peu encombrants, de manière à Io optimiser la compacité du moteur. Ils doivent encore permettre aux films d'huile, présents au niveau des liaisons entre le vilebrequin et le carter / bloc cylindres du moteur, de présenter une épaisseur suffisante en tout point pour lubrifier correctement ces liaisons. Ils doivent enfin permettre de réduire le bruit généré 15 par le moteur. Le compromis généralement utilisé consiste à réaliser le vilebrequin d'une seule pièce en un seul matériau, par exemple par moulage en fonte. Cette solution, choisie pour le coût réduit de la fonte, ne permet toutefois pas d'obtenir des résultats 20 optimaux en termes d'encombrement. Par exemple pour des moteurs de compétition, il a été proposé de réaliser des vilebrequins de dimensions réduites, en collant ou vissant des masselottes de densités élevées sur ses contrepoids, à distance de l'axe de rotation du vilebrequin. 25 L'utilisation de telles masselottes rapportées s'avère particulièrement efficace. La fabrication de tels vilebrequins est en revanche onéreuse et difficile à mettre en oeuvre pour la fabrication en grande série. Dans le cadre d'une production de vilebrequins par 30 moulage, la publication US 200510266260 divulgue un procédé de moulage de vilebrequin avec incorporation de composants de densités différentes à différentes phases du moulage. Le moulage 4 comporte au moins deux phases de moulage pour incorporer des composants de densités différentes. La présence de contrepoids ou balourds d'équilibrage est aussi mise en oeuvre au moyen d'arbres d'équilibrage qui comportent des blocs d'équilibrage jouant le même rôle que les contrepoids d'un vilebrequin. Un exemple de conception d'un tel arbre d'équilibrage est par exemple illustré dans le document FR-A1-2.823.279. La fabrication en grande série de tels arbres d'équilibrage Io doit aussi permettre de maîtriser de manière fiable et précise les problèmes d'équilibrage. Ainsi, l'invention vise à proposer une nouvelle conception d'un arbre rotatif, et notamment d'un vilebrequin ou d'un arbre d'équilibrage de moteur de véhicule automobile, du type 15 comportant : - un corps principal qui comporte au moins deux tronçons espacés axialement de guidage en rotation de l'arbre ; - et au moins un bloc d'équilibrage des masses de l'arbre rotatif par rapport à son axe de rotation, 20 dans lequel le bloc d'équilibrage comporte -- une partie centrale de raccordement à au moins un tronçon de guidage ; -- et une partie principale formant contrepoids qui est reliée à la partie centrale de raccordement et qui est excentrée 25 radialement par rapport à l'axe de rotation de l'arbre rotatif, qui remédie aux problèmes mentionnés précédemment. BREF RESUME DE L'INVENTION 30 L'invention propose un arbre rotatif du type mentionné ci-dessus, caractérisé en que au moins une portion d'au moins une partie du bloc d'équilibrage est réalisée par une technique de fabrication additive. D Selon d'autres caractéristiques de l'arbre rotatif : - au moins une portion d'au moins une partie du bloc d'équilibrage réalisée par une technique de fabrication additive est une portion comportant des zones vides ; s - la portion comportant des zones vides est une portion de la partie centrale de raccordement du bloc d'équilibrage ; - au moins une partie de la surface d'enveloppe externe de la portion comportant des zones vides est une partie de surface pleine 10 - au moins une partie de la surface d'enveloppe externe d'une portion du bloc d'équilibrage réalisée par une technique de fabrication additive est une partie de surface non lisse ; - d'une part le corps principal et, d'autre part, ladite au moins une portion du bloc d'équilibrage réalisée par une is technique de fabrication additive, sont réalisés dans des matériaux différents ; - la totalité de la partie principale tormant contrepoids du bloc d'équilibrage est réalisée par ladite technique de fabrication additive ; 20 - un composant, appartenant à un système de détection et/ou de mesure d'au moins un paramètre de rotation de l'arbre rotatif, est noyé dans une portion réalisée par ladite technique de fabrication additive ; - la technique de fabrication additive est par exemple une 25 technique de dépôt laser ; - la technique de fabrication additive est par exemple une technique de fusion sur lit de poudre ; l'arbre, par exemple le vilebrequin peut être réalisé entièrement par fusion sur lit de poudre ; dans ce cas, la fabrication est réalisée entièrement à 30 partir de poudre, sans liaison ou raccordement avec une autre partie réalisée selon une autre technique de fabrication, production telle que par exemple la fonderie ou la forge ; 6 - l'arbre est un arbre d'équilibrage d'un moteur à combustion apte à être monté à rotation dans un carter et/ou un bloc et qui est lié en rotation à un vilebrequin du moteur à combustion. s - l'arbre est un vilebrequin d'un moteur à combustion apte à être monté à rotation dans un carter et/ou un bloc du moteur à combustion. L'invention propose aussi un procédé de fabrication d'un arbre rotatif selon l'invention, caractérisé en ce qu'il consiste à in réaliser le corps principal, par forgeage ou par moulage, puis à réaliser au moins une portion d'au moins une partie du bloc d'équilibrage par une technique de fabrication additive. L'invention propose encore un moteur à combustion, notamment de véhicule automobile, caractérisé en ce qu'il Ls comporte au moins un arbre rotatif selon l'invention, et notamment un vilebrequin et / ou un arbre d'équilibrage. BREVE DESCRIPTION DES FIGURES 20 D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront au cours de la lecture de la description détaillée qui va suivre pour la compréhension de laquelle on se reportera aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une vue schématique en perspective d'un 25 exemple de conception d'un vilebrequin selon l'état de la technique ; - la figure 2 est une vue schématique en coupe selon un plan radial médian du contrepoids d'extrémité axiale avant du vilebrequin de la figure 1 ; 30 - la figure 3 est une vue latérale schématique d'un tronçon du vilebrequin des figures 1 et 2 ; - la figure 4 est une vue analogue à celle de la figure 3 qui illustre la mise en oeuvre des enseignements de l'invention ; 7 - la figure 5 est une vue schématique axiale en bout du tronçon illustré à la figure 3 ; - la figure 6 est une vue schématique axiale en bout du tronçon illustré à la figure 4 ; s - la figure 7 est une vue analogue à celle de la figure 4 illustrant une étape de réalisation d'un contrepoids par fabrication additive par dépôt laser ; - la figure 8 est une vue analogue à celle de la figure 4 illustrant une variante de réalisation ; 10 - la figure 9 est une vue analogue à celle de la figure 4 illustrant une autre variante de réalisation comportant un composant, appartenant à un système de détection et/ou de mesure d'au moins un paramètre de rotation du vilebrequin ; - les figures 10A à 10C illustrent schématiquement les 15 étapes de fabrication progressive par mise ne oeuvre de la technique dite de fusion sur lit de poudre. DESCRIPTION DETAILLEE DES FIGURES 20 Dans la suite de la description, des éléments présentant une structure identique ou des fonctions analogues seront désignés par des mêmes références. Dans la suite de la description, on adoptera de manière non limitative des orientations longitudinale, verticale et 25 transversale indiquées par le trièdre "L,V,T" des figures. L'axe de rotation du vilebrequin est orienté parallèlement à la direction longitudinale, et d'arrière vers l'avant. A la figure 1, on a représenté schématiquement un vilebrequin 100 d'un moteur à combustion interne. 30 Ce moteur à combustion interne, non représenté sur les figures, comporte ici quatre cylindres qui logent chacun un piston qui est adapté à coulisser le long de la paroi interne de ce 8 cylindre selon un mouvement rectiligne alternatif (ou mouvement de va-et-vient). Chaque piston présente à cet effet une jupe périphérique qui coulisse dans le cylindre. Cette jupe est percée transversalement de deux ouvertures d'accueil d'un axe sur lequel est montée à rotation une extrémité haute appelée pied d'une bielle. Comme le montre la figue 1, le vilebrequin 100 comporte pour sa part un corps principal en forme d'un arbre 101 qui définit Io quatre manivelles 104 régulièrement espacées les unes des autres, sur lesquelles les extrémités basses des bielles, appelées tètes de bielles, peuvent être montées à rotation. Ainsi, le mouvement rectiligne alternatif des pistons permet d'entraîner le vilebrequin 100 en rotation autour de l'axe A de son is arbre 101. On dit alors du vilebrequin 100 qu'il comporte quatre manetons 104 (les manivelles) qui sont interposés entre cinq tourillons 105. Chaque maneton 104 est un tronçon cylindrique. Les tourillons 105 sont adaptés à être engagés dans des 20 ouvertures cylindriques concaves complémentaires prévues en correspondance dans le carter-cylindres du moteur, de manière à former des liaisons tournantes pour le vilebrequin 100. Chaque tourillon 105 est ainsi un tronçon de l'arbre 101 pour le guidage en rotation de ce dernier. 25 Alors que les tourillons 105 sont alignés suivant l'axe, A aussi appelé axe moteur, les manetons 104 s'étendent selon des axes parallèles et distincts de l'axe moteur A (à une distance appelée rayon de manivelle). Les manetons 104 et les tourillons 105 sont reliés les uns 30 aux autres par des flasques transversaux 103. A l'opposé de chaque maneton 104, l'arbre 101 du vilebrequin 100 porte en outre, un bloc d'équilibrage appelé contrepoids 106 (aussi appelé balourd) permettant de réduire les 9 vibrations (en flexion et/ou en torsion) dues aux mouvements de l'attelage mobile qui comprend le vilebrequin, les bielles et les pistons. Le vilebrequin 100 comporte ainsi deux contrepoids agencés aux extrémités axiales avant et arrière, et deux contrepoids REVENDICATIONS1 Arbre rotatif (100) comportant : - un corps principal (101) qui comporte au moins deux tronçons (105) espacés axialement de guidage en rotation de l'arbre (100) ; - et au moins un bloc (106) d'équilibrage des masses de l'arbre rotatif (100) par rapport à son axe (A) de rotation, dans lequel le bloc d'équilibrage (106) comporte -- une partie centrale (PCR) de raccordement à au moins un tronçon de guidage (105) ; -- et une partie principale (PPC) formant contrepoids qui est reliée à la partie centrale (PCR) de raccordement et qui est excentrée radialement par rapport à l'axe (A) de rotation de l'arbre rotatif (100), 15 caractérisé en que au moins une portion (200) d'au moins une partie (PCR) du bloc d'équilibrage (106) est réalisée par une technique de fabrication additive. 2. Arbre rotatif (100) selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'au moins une portion (200) d'au moins une partie du bloc 20 d'équilibrage (106) réalisée par une technique de fabrication additive est une portion (200) comportant des zones vides. 3. Arbre rotatif (100) selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite portion (200) comportant des zones vides est une portion de la partie centrale (PCR) de raccordement du bloc 25 d'équilibrage (106). 4. Arbre rotatif (100) selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que au moins une partie de la surface d'enveloppe externe (202) de ladite portion (200) comportant des zones vides est une partie de surface pleine. 5. Arbre rotatif (100) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'au moins une partie de la surface d'enveloppe externe (202) d'une portion (200) 15 du bloc d'équilibrage (106) réalisée par une technique de fabrication additive est une partie de surface non lisse. 6. Arbre rotatif (100) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la totalité de la s partie principale (PPC) formant contrepoids du bloc d'équilibrage (106) est réalisée par ladite technique de fabrication additive. 7. Arbre rotatif (100) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'un composant (204), appartenant à un système de détection et/ou de mesure 10 d'au moins un paramètre de rotation de l'arbre rotatif (100), est noyé dans une portion réalisée par une technique de fabrication additive. 8. Arbre rotatif (100) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite is technique de fabrication additive est une technique de dépôt laser. 9. Arbre rotatif (100) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que d'une part le corps principal (101) et, d'autre part, ladite au moins une portion 20 (200) du bloc d'équilibrage (106) réalisée par une technique de fabrication additive, sont réalisés dans des matériaux différents. 10. Arbre selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est un arbre d'équilibrage d'un moteur à combustion apte à être monté à rotation dans un 25 carter et/ou un bloc et qui est lié en rotation à un vilebrequin du moteur à combustion. 11. Arbre rotatif (100) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est vilebrequin (100) d'un moteur à combustion apte à être monté à rotation dans 30 un carter et/ou un bloc du moteur à combustion. 12. Procédé de fabrication d'un arbre rotatif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il consiste à réaliser le corps principal (101), par forgeage ou 16 par moulage, puis à réaliser au moins une portion (200) d'au moins une partie d'au moins un bloc d'équilibrage (106) par ladite technique de fabrication additive. 13. Moteur à combustion, notamment de véhicule automobile, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un arbre rotatif (100) selon l'une quelconque des revendications 1 à 12.