FR2970662A1 - Vilebrequin et procede de fabrication de ce vilebrequin - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un procédé de fabrication d'un vilebrequin (100), comportant des étapes consistant à : - se munir d'un moule comprenant au moins un premier et un second châssis qui définissent ensemble, d'une part, une empreinte principale de moulage d'un arbre (101) du vilebrequin, et, d'autre part, une empreinte secondaire qui communique avec l'empreinte principale, - engager une masselotte (300) dans la partie de l'empreinte secondaire définie par le premier châssis, de manière à ce que cette masselotte fasse saillie à l'intérieur de la partie de l'empreinte principale définie par le premier châssis, - refermer le moule en rapportant le second châssis sur le premier châssis de manière à bloquer en translation la masselotte dans le moule, - couler un matériau en fusion dans le moule, et - démouler le vilebrequin.

Description

DOMAINE TECHNIQUE AUQUEL SE RAPPORTE L'INVENTION La présente invention concerne de manière générale les moteurs à 5 combustion interne. Elle concerne plus particulièrement un procédé de fabrication d'un vilebrequin. Elle concerne également un vilebrequin comportant un arbre muni d'au moins un balourd. 10 Elle concerne aussi un moteur à combustion interne équipé d'un tel vilebrequin. ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE Un moteur à combustion interne comporte classiquement un vilebrequin qui tourne autour d'un axe horizontal, des pistons qui coulissent dans des 15 cylindres suivant des mouvements de va-et-vient, et des bielles dont les extrémités hautes sont reliées aux pistons par l'intermédiaire de liaisons pivots et dont les extrémités basses sont reliées au vilebrequin par l'intermédiaire de liaisons pivots. Le mouvement de va-et-vient des pistons permet ainsi d'entraîner en rotation le vilebrequin. 20 Avec une telle architecture, le moteur est nécessairement soumis à des forces d'inerties, sources de vibrations gênantes pour les occupants du véhicule automobile et pour l'intégrité du moteur. Une partie de ces forces d'inertie sont induites par la rotation des masses de l'attelage mobile (vilebrequin et bielles) . Il est connu d'équilibrer ces forces d'inertie en prévoyant des contrepoids 25 sur le vilebrequin, à l'opposé des bielles. Ces contrepoids sont appelés « balourds ». La conception de ces balourds doit répondre à différentes exigences. Ces balourds doivent tout d'abord être correctement positionnés par rapport aux bielles, pour compenser au mieux lesdites forces d'inertie. Ils doivent être peu 30 encombrants, de manière à optimiser la compacité du moteur. Ils doivent permettre aux films d'huile, présents au niveau des liaisons entre le vilebrequin et le carter cylindre du moteur, de présenter une épaisseur suffisante en tout point pour correctement lubrifier ces liaisons. Ils doivent enfin permettre de réduire le bruit généré par le moteur.

Le compromis généralement utilisé consiste à réaliser le vilebrequin d'une seule pièce par moulage en fonte. Cette solution, choisie pour le coût réduit de la fonte, ne permet toutefois pas d'obtenir des résultats optimaux en termes d'encombrement.

Il est alors connu, pour les moteurs de compétition, de réaliser des vilebrequins de dimensions réduites, en collant ou vissant des masselottes de densités élevées sur ses balourds, à distance de l'axe de rotation du vilebrequin. L'utilisation de telles masselottes s'avère particulièrement efficace. La fabrication de tels vilebrequins est en revanche onéreuse et difficile à mettre en oeuvre sur des moteurs fabriqués en grande série. La publication DE10137267 divulgue par exemple un procédé pour ajouter une masse de forme prismatique dans un évidement complémentaire dans au moins un balourd. La mise en ceuvre est difficile et nécessite une opération de mise en place de la masse de forme prismatique et de collage.

La publication US 2005/0266260 divulgue un procédé de moulage de vilebrequin avec incorporation de composants de densité différente à différentes phases du moulage. Le moulage comporte au moins deux phases de moulage pour incorporer des composants de densité différente. La publication FR 2720809 enseigne un procédé de fabrication de vilebrequin avec adjonction de masse supplémentaire dans les balourds d'extrémité. La masse supplémentaire ajoutée dans les balourds d'extrémité a pour objet la suppression des actions d'équilibrage des balourds centraux. Cette publication n'enseigne pas de procédé d'ajoût des masses supplémentaires dans lesdits balourds.

OBJET DE L'INVENTION La présente invention propose alors un procédé de fabrication de vilebrequins peu onéreux, industrialisable pour des moteurs fabriqués en grande série, et permettant d'obtenir des vilebrequins moins encombrants. Plus particulièrement, on propose selon l'invention un procédé de 30 fabrication de vilebrequins, comportant des étapes consistant à : - se munir d'un moule comprenant au moins un premier et un second châssis qui définissent ensemble, d'une part, une empreinte principale de moulage d'un arbre du vilebrequin, et, d'autre part, une empreinte secondaire qui communique avec l'empreinte principale, - engager une masselotte dans la partie de l'empreinte secondaire définie par le premier châssis, de manière à ce que cette masselotte fasse saillie à l'intérieur de la partie de l'empreinte principale définie par le premier châssis, - refermer le moule en rapportant le second châssis sur le premier châssis de manière à bloquer en translation la masselotte dans le moule, - couler un matériau en fusion dans le moule, et - démouler le vilebrequin. Dans la suite du document, on entendra par « arbre du vilebrequin » ou « arbre » l'ensemble constitutif d'un vilebrequin classique, qui comprend des manetons, des tourillons alignés sur un même axe, des flasques qui lient les manetons aux tourillons, et des contrepoids (ou « balourds »). Ainsi, grâce à l'invention, l'arbre du vilebrequin est moulé sur une partie de la masselotte (celle qui fait saillie à l'intérieur de l'empreinte principale), ce qui lui permet d'envelopper cette masselotte et de la maintenir efficacement.

Le procédé de fabrication du vilebrequin diffère donc d'un procédé de fabrication classique en ce qu'il est prévu de positionner une masselotte dans le moule avant de mouler l'arbre. Ce procédé permet donc d'obtenir un vilebrequin moins encombrant que les vilebrequins classiques. D'autres caractéristiques avantageuses et non limitatives du procédé de 20 fabrication conforme à l'invention sont les suivantes : - après l'étape de démoulage, il est prévu de couper la partie de la masselotte qui fait saillie hors de l'arbre ; - après l'étape de démoulage, il est prévu une étape supplémentaire d'ébavurage de l'ensemble du vilebrequin au cours de laquelle on coupe la partie 25 de la masselotte qui fait saillie hors de l'arbre ; - il est prévu une étape d'équilibrage du vilebrequin au cours de laquelle l'arbre est usiné à distance de la masselotte. L'invention propose également un vilebrequin comportant un arbre équipé d'un balourd, et au moins une masselotte de densité supérieure à celle de 30 l'arbre, dont une partie au moins est contenue à l'intérieur du balourd. D'autres caractéristiques avantageuses et non limitatives du vilebrequin conforme à l'invention sont les suivantes : - la masselotte comporte une partie massive située à distance de la surface externe du balourd ; - la masselotte comporte une partie allongée, de section inférieure à celle de la partie massive, qui s'étend depuis la partie massive jusqu'à la surface externe du balourd ; - l'arbre est réalisé en fonte ; - la masselotte est réalisée dans un matériau dont le coefficient de dilatation est inférieur ou égal à celui du matériau de l'arbre. DESCRIPTION DETAILLEE D'UN EXEMPLE DE REALISATION La description qui va suivre, en regard des dessins annexés, donnée à titre d'exemple non limitatif, fera bien comprendre en quoi consiste l'invention et 10 comment elle peut être réalisée. Sur les dessins annexés : - la figure 1 est une vue schématique en perspective des deux châssis d'un moule de fabrication d'un vilebrequin selon l'invention ; - la figure 2 est une vue schématique en perspective d'une masselotte 15 d'un vilebrequin selon l'invention ; - la figure 3 est une vue schématique en perspective de l'un des deux châssis de la figure 1 ; - la figure 4 est une vue schématique en perspective du vilebrequin selon l'invention, avant ébavurage ; 20 - la figure 5 est une vue schématique en perspective d'une extrémité du vilebrequin de la figure 4, après ébavurage ; et - la figure 6 est une vue schématique en coupe selon le plan A-A de la figure 5. Sur la figure 4, on a représenté schématiquement un vilebrequin 100 25 d'un moteur à combustion interne. Ce moteur à combustion interne, non représenté sur les figures, comporte ici quatre cylindres qui logent chacun un piston. Chaque piston est adapté à coulisser le long de la paroi interne de ce cylindre selon un mouvement rectiligne alternatif (ou mouvement de va-et-vient). 30 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 d'une bielle. Comme le montre la figue 4, le vilebrequin 100 comporte pour sa part un arbre 101 qui définit quatre manivelles 104 régulièrement espacées les unes des autres, sur lesquelles les extrémités basses des bielles peuvent être montées à rotation. Ainsi, le mouvement rectiligne alternatif des pistons permet d'entraîner le vilebrequin 100 en rotation.

On dit alors du vilebrequin 100 qu'il comporte quatre manetons 104 (les manivelles) interposés entre cinq tourillons 105. Alors que les tourillons 105 sont alignés suivant un même axe, appelé axe moteur Al, les manetons 104 s'étendent selon des axes parallèles et distincts de l'axe moteur Al (à une distance appelée rayon de manivelle). Ces manetons 104 et tourillons 105 sont liés les uns aux autres par des flasques 103. Les tourillons 105 sont adaptés à être engagés dans des ouvertures prévues en correspondance dans le carter-cylindres du moteur, de manière à former des liaisons pivot pour le vilebrequin 100. L'arbre 101 du vilebrequin 100 porte en outre, à l'opposé de ses manetons 104, quatre contrepoids 106 (également appelés balourds) permettant de réduire les vibrations (en flexion et/ou en torsion) dues aux mouvements de l'attelage mobile qui comprend le vilebrequin, les bielles et les pistons. Ces quatre contrepoids 106 présentent chacun une forme d'arc de disque épais. On appelle alors « surface externe » du balourd la surface qui comprend les deux faces sensiblement planes et la tranche en arc-de-cercle de cet arc de disque épais. Ce vilebrequin 100 est réalisé à l'aide d'un moule 200 en sable, tel que celui représenté sur la figure 1. Ce moule 200 est ici formé de deux parties symétriques, appelées premier châssis 210 et second châssis 220, qui, lorsqu'elles sont rapportées l'une sur l'autre, définissent ensemble une empreinte principale 201 de moulage de l'arbre 101 du vilebrequin 100. Ces premier et second châssis 210, 220 présentent ici tous deux une forme parallélépipédique. Ainsi, chaque châssis présente deux faces principales opposées, dont une face externe plane et une face interne destinée à être rapportée contre la face interne de l'autre châssis du moule 200. Chaque châssis 210, 220 du moule 200 présente alors, en creux dans sa face interne, une partie 211, 221 de l'empreinte principale 201. L'un au moins des deux châssis 210, 220 présente par ailleurs un canal d'alimentation par lequel est versé le métal en fusion, et des évents par lesquels est évacué l'air initialement contenu dans l'empreinte principale 201. Comme le montre plus précisément la figure 3, on distingue plusieurs zones sur la partie de l'empreinte principale 201 qui est définie en creux dans le premier châssis 210 du moule 200. On distingue en particulier les empreintes 203 des flasques 103, les empreintes 204 des manetons 104, les empreintes 205 des tourillons 105 et les empreintes 206 des balourds 106. Sur la figure 1, on observe par ailleurs que les premier et second châssis 210, 220 du moule 200 définissent ensemble une empreinte secondaire 202, qui est distincte de l'empreinte principale 201, qui est située dans le prolongement de l'empreinte 206 de l'un des balourds 106, et qui communique avec l'empreinte principale 201. Chaque châssis 210, 220 du moule 200 présente ainsi, en creux dans sa face interne, une partie 212, 222 de cette empreinte secondaire 202. Comme le montre mieux la figure 3, la partie 212 de l'empreinte secondaire 202 qui est définie en creux dans la face interne du premier châssis 210 comporte une cavité hémisphérique qui est reliée à l'empreinte 206 du balourd 106 par un canal hémicylindrique. Grâce aux deux parties 212, 222 de cette empreinte secondaire 202, le moule 200 est adapté à accueillir une masselotte 300 telle que celle représentée 20 sur la figure 2. Cette masselotte 300 présente deux tronçons 310, 320, dont un premier tronçon 310 prévu pour être engagé à l'intérieur de l'empreinte secondaire 202 et un second tronçon 320 prévu pour faire saillie à l'intérieur de l'empreinte principale 210. 25 Le premier tronçon 310 présente une forme identique, en négatif, à celle de l'empreinte secondaire 202. Le second tronçon 320 présente quant à lui ici une forme identique à celle du premier tronçon 310. Il pourrait bien entendu en "être autrement. Telle que représenté sur la figure 2, cette masselotte 300 présente alors 30 une forme d'altère, avec deux sphères 302, 303 identiques reliées ensemble par une tige 301 cylindrique. La masselotte 300 est réalisée dans un matériau qui présente, d'une première part, une densité strictement supérieure à celle du matériau utilisé pour mouler l'arbre 101, d'une seconde part, une température de fusion strictement supérieure à celle du matériau utilisé pour mouler l'arbre 101, et, d'une troisième part, un coefficient de dilatation inférieur ou égal à celui utilisé pour mouler l'arbre 101, ce qui affranchit de contraintes induites par l'augmentation de température du moteur en fonctionnement.

Elle est ici réalisée d'une seule pièce en tungstène alors que l'arbre 101 est réalisé d'une seule pièce par moulage en fonte. Elle présente ainsi une densité de 19,25 kg/dm3, strictement supérieure à celle de la fonte (7,2 kg/dm3), et une température de fusion de 3400°C, strictement supérieure à celle de la fonte (1200°C).

La fabrication du vilebrequin 100 à l'aide du moule 200 est alors mise en oeuvre de la manière suivante. Au cours d'une première opération de préparation, comme le montre la figure 3, l'opérateur installe la masselotte dans la partie 212 de l'empreinte secondaire 202 qui est définie en creux dans le premier châssis 210. Ainsi installé, le premier tronçon 310 de la masselotte 300 est engagé dans l'empreinte secondaire 202 et le second tronçon 320 fait saillie à l'intérieur de l'empreinte principale 201. L'opérateur referme alors le moule 200 en rapportant le second châssis 220 sur le premier châssis 210. Cette opération est facilitée par des moyens de centrage (non représentés) prévus sur les deux châssis, qui permettent de positionner les deux parties 211, 221 de l'empreinte principale 201 en regard l'une de l'autre. Dans cette position, les deux parties 212, 222 de l'empreinte secondaire 220 sont également situées en regard l'une de l'autre. Elles délimitent alors une cavité sphérique qui englobe la sphère 302 de la masselotte 300, et un canal cylindrique qui entoure la tige 301 de la masselotte 300, ce qui permet de bloquer toute translation de la masselotte 300 dans le moule 200. Au cours d'une seconde opération de moulage, de la fonte en fusion est injectée par le canal d'alimentation dans l'empreinte principale 201 du moule 200.

Lors de cette opération, l'air initialement présent dans l'empreinte principale 201 s'évacue alors naturellement par les évents. Au cours d'une troisième opération de démoulage, le moule 200 en sable est détruit, ce qui libère le vilebrequin 100. Des bavures, non représentées sur les figures, sont alors présentes au niveau du plan de joint de l'arbre 101 (c'est-à-dire à la hauteur où se trouvait le plan de contact des deux châssis du moule). Comme le montre la figure 4, le premier tronçon 310 de la masselotte 300 fait par ailleurs saillie de la surface externe du balourd 106 correspondant de l'arbre 101. Le second tronçon 320 de la masselotte 300 est quant à lui englobé dans le balourd 106, ce qui permet de bloquer rigidement la masselotte 300 sur l'arbre 101. Au cours d'une quatrième opération dite d'ébavurage, il est alors prévu 10 d'usiner le vilebrequin 100 de manière à supprimer les bavures et à couper le premier tronçon 310 de la masselotte 300. Comme le montrent les figures 5 et 6, seul le second tronçon 320 de la masselotte 300 reste alors sur le vilebrequin 100. A l'issue de cette opération, le vilebrequin est brut et prêt à être usiné 15 puis à être équilibré. Alors, au cours d'une ultime opération dite d'équilibrage, l'arbre 101 est usiné pour lui enlever de la matière, de manière à ce que le vilebrequin 100 finalement obtenu soit parfaitement équilibré. Le vilebrequin 100 est à cet effet placé sur un appareil d'équilibrage qui 20 détermine son niveau d'inertie et qui en déduit les positions des zones de l'arbre 101 à percer. Lors de cette opération, les zones à percer sont choisies pour être situées à distance de la masselotte 300. Le vilebrequin 100 ainsi obtenu comporte alors une masselotte 300 de 25 densité supérieure à celle de l'arbre 101, qui est entièrement englobée dans le balourd 106. Par « englober », on entend que la masselotte 300 est enveloppée dans la matière du balourd 106, sans artifice particulier, de telle manière qu'elle est retenue à l'intérieur de celui-ci. Ici, seule une partie mineure de la surface externe 30 de la masselotte 300 fait alors saillie à l'extérieur du balourd 106, ce qui assure le blocage rigide de cette masselotte. Cette masselotte 300 présente alors une partie massive (la sphère 302) qui est située à l'intérieur du balourd 106, et une partie allongée (la tige 301), de section inférieure à celle de la partie massive, qui s'étend depuis la partie massive 302 jusqu'à la surface externe du balourd 106. La présente invention n'est nullement limitée au mode de réalisation décrit et représenté, mais l'homme du métier saura y apporter toute variante conforme à son esprit.

On pourra en particulier prévoir que le vilebrequin soit équipé de deux masselottes, respectivement placées sur ses deux balourds d'extrémité, ou de quatre masselottes, respectivement placées sur ses quatre balourds. De façon plus générale, le vilebrequin pourra comprendre autant de masselottes que de balourds, quel que soit le type du moteur qui pourra par exemple comporter deux, quatre, six, huit, dix ou douze cylindres. On pourra aussi prévoir que la masselotte présente une forme différente de celle représentée sur les figures. Préférentiellement alors, elle conservera une partie massive et une partie allongée, de section inférieure à celle de la partie massive, de manière à assurer le blocage de la masselotte dans l'arbre lorsque celui-ci se dilate sous l'effet de l'élévation de sa température.

Claims (10)

1. REVENDICATIONS1. Procédé de fabrication d'un vilebrequin (100), comportant des étapes consistant à : - se munir d'un moule (200) comprenant au moins un premier et un second châssis (210, 220) qui définissent ensemble, d'une part, une empreinte principale (201) de moulage d'un arbre (101) du vilebrequin (100), et, d'autre part, une empreinte secondaire (202) qui communique avec l'empreinte principale (201), - engager une masselotte (300) dans la partie (212) de l'empreinte secondaire (202) définie par le premier châssis (210), de manière à ce qu'une partie (320) de cette masselotte (300) fasse saillie à l'intérieur de la partie (211) de l'empreinte principale (201) définie par le premier châssis (210), - refermer le moule (200) en rapportant le second châssis (220) sur le 15 premier châssis (210) de manière à bloquer en translation la masselotte (300) dans le moule (200), - couler un matériau en fusion dans le moule (200), et - démouler le vilebrequin (100).
2. 2. Procédé de fabrication selon la revendication précédente, dans lequel, 20 après l'étape de démoulage, il est prévu de couper la partie (310) de la masselotte (300) qui fait saillie hors de l'arbre (101).
3. 3. Procédé de fabrication selon la revendication précédente, comportant, après l'étape de démoulage, une étape supplémentaire d'ébavurage de l'ensemble du vilebrequin (100), au cours de laquelle on coupe la partie (310) de 25 la masselotte (300) qui fait saillie hors de l'arbre (101).
4. 4. Procédé de fabrication selon l'une des revendications précédentes, comportant une étape d'équilibrage du vilebrequin (100) au cours de laquelle l'arbre (101) est usiné à distance de la masselotte (300).
5. 5. Vilebrequin (100) comportant un arbre (101) qui comprend au moins 30 un balourd (106), caractérisé en ce qu'il comporte au moins une masselotte (300), de densité supérieure à celle de l'arbre (101), dont une partie (320) au moins est englobée dans le balourd (106).
6. 6. Vilebrequin (100) selon la revendication précédente, dans lequel la 2970662 11- masselotte (300) comporte une partie massive (302) située à distance de la surface externe du balourd (106).
7. 7. Vilebrequin (100) selon la revendication précédente, dans lequel la masselotte (300) comporte une partie allongée (301), de section inférieure à celle 5 de la partie massive (302), qui s'étend depuis la partie massive (302) jusqu'à la surface externe du balourd (106).
8. 8. Vilebrequin (100) selon l'une des revendications 5 à 7, dans lequel l'arbre (101) est réalisé en fonte.
9. 9. Vilebrequin (100) selon l'une des revendications 5 à 8, dans lequel la 10 masselotte (300) est réalisée dans un matériau dont le coefficient de dilatation est inférieur ou égal à celui du matériau de l'arbre (101).
10. 10. Moteur à combustion interne, caractérisé en ce qu'il comporte un vilebrequin (100) selon l'une des revendications 5 à 9.