FR3066021B1

FR3066021B1 - Dispositif de vieillissement dynamique accelere d'un materiau utilise pour la fabrication d'une piece de moteur thermique

Info

Publication number: FR3066021B1
Application number: FR1753829A
Authority: FR
Inventors: Benjamin Bock; Christophe Lode
Original assignee: Peugeot Citroen Automobiles SA
Current assignee: PSA Automobiles SA
Priority date: 2017-05-02
Filing date: 2017-05-02
Publication date: 2019-08-02
Anticipated expiration: 2037-05-02
Also published as: FR3066021A1

Abstract

L'invention porte principalement sur un système de vieillissement dynamique accéléré (10) d'un matériau utilisé pour la fabrication d'une pièce de moteur thermique, caractérisé en ce qu'il comporte: - un dispositif d'application de contraintes mécaniques (14) sur une éprouvette (12) réalisée dans le matériau utilisé pour la fabrication d'une pièce de moteur thermique, tel qu'un matériau élastomère, et - un réacteur (16) contenant un liquide (17), tel qu'un lubrifiant, dans lequel est immergée l'éprouvette (12).

Description

DISPOSITIF DE VIEILLISSEMENT DYNAMIQUE ACCELERE D'UN MATERIAU UTILISE POUR LA FABRICATION D'UNE PIECE DE MOTEUR THERMIQUE

[0001] La présente invention porte sur un dispositif de vieillissement dynamique accéléré d'un matériau, tel qu'un élastomère, utilisé pour la fabrication d'une pièce de moteur thermique. L'invention trouve une application particulièrement avantageuse, mais non exclusive, dans le domaine des moteurs thermiques équipant les véhicules automobiles.

[0002] Les méthodes proposées pour déterminer la compatibilité des lubrifiants avec les matériaux élastomères présents dans un véhicule sont notamment basées sur des vieillissements statiques. Ces méthodes consistent généralement à immerger le matériau élastomère dans un liquide à température plus ou moins élevée. Après immersion, les variations de volume, de dureté, et les caractéristiques mécaniques du matériau élastomère sont mesurées pour estimer leurs altérations par rapport à un état initial.

[0003] Pour la validation des matériaux élastomères, les méthodes de caractérisation en fatigue sont réalisées uniquement dans l’air en se basant sur l’essai de type "fatigue jusqu'à la défaillance" (ou "FTFT" pour "Fatigue To Failure Test" en anglais) suivant la norme ISO 6943, ou en se basant sur l'essai de type "De Mattia" suivant la norme ISO 132.

[0004] Par ailleurs, il existe des essais de caractérisations en dynamique sur des éprouvettes en élastomère de type "Analyse Mécanique Dynamique" (ou "DMA" pour "Dynamic Mechanical Analyzer" en anglais) nécessitant un équipement spécifique très coûteux. Des essais en tension, compression, flexion, cisaillement peuvent également être effectués mais ils se limitent à la détermination des propriétés (ou variations de propriétés) dynamiques intrinsèques des matériaux élastomères.

[0005] Ces essais classiques en laboratoire ne permettent toutefois pas de déceler les défaillances observées par les conducteurs, comme par exemple les craquelures des courroies de distribution dans l’huile ou la détérioration des joints ou membranes présents dans le circuit d'huile du moteur. Les essais moteurs ne permettent pas non plus de reproduire le phénomène.

[0006] Deux raisons peuvent expliquer la non-reproductibilité des défaillances. La première raison est liée à la non-représentativité des fluides utilisés. En effet, une huile "neuve" ou "vieillie" en laboratoire ne présente pas les mêmes propriétés que celle soumise aux contraintes thermiques, mécaniques, et de dilution du carburant du moteur.

[0007] La deuxième raison est liée à la non-représentativité de la sollicitation statique appliquée sur les éprouvettes alors, qu’aussi bien pour la courroie que pour les membranes, une sollicitation dynamique est présente.

[0008] En outre, il est supposé que les essais statiques ne permettent pas une bonne pénétration des polluants et des produits de dégradation issus du lubrifiant dans la pièce en élastomère. En effet, il est possible qu’une couche protectrice se dépose en surface du matériau élastomère et le protège des attaques extérieures (phénomène de passivation). L’attaque chimique lors de ces essais en laboratoire reste superficielle et ne peut donc pas se propager au cœur de la matière.

[0009] L'invention vise à améliorer la représentativité des tests effectués en laboratoire sur les matériaux élastomères afin qu'ils se rapprochent des conditions réelles d'utilisation de la pièce sur le moteur.

[0010] A cet effet, l'invention a pour objet un système de vieillissement dynamique accéléré d'un matériau utilisé pour la fabrication d'une pièce de moteur thermique, caractérisé en ce qu'il comporte: - un dispositif d'application de contraintes mécaniques sur une éprouvette réalisée dans le matériau utilisé pour la fabrication d'une pièce de moteur thermique, tel qu'un matériau élastomère, et - un réacteur contenant un liquide, tel qu'un lubrifiant, dans lequel est immergée l'éprouvette.

[0011] L'invention permet ainsi de reproduire les défaillances observées sur des pièces réalisées notamment en élastomère présentes dans le moteur, en combinant des contraintes chimiques et dynamiques, ce qui rend le test plus fidèle aux conditions réelles d’utilisation de la pièce. En effet, la contrainte mécanique appliquée à la pièce sévérise l’essai en reproduisant des contraintes analogues à celles rencontrées lors du fonctionnement réel de la pièce, par exemple par étirement et torsion pour une courroie, ou par compression et allongement d'un joint ou d'une membrane. L'invention permet ainsi de rendre plus robuste les matériaux élastomères installés sur les véhicules et d’homologuer les lubrifiants les moins agressifs.

[0012] Selon une réalisation, le dispositif d'application de contraintes mécanique comporte: - des premiers moyens de fixation pour fixer une première extrémité de l'éprouvette sur un châssis fixe, - des deuxièmes moyens de fixation pour fixer une deuxième extrémité de l'éprouvette sur une pièce mobile par rapport au châssis, - un servomoteur apte à entraîner en mouvement la pièce mobile pour étirer et relâcher l'éprouvette afin de faire passer de manière cyclique l'éprouvette d'un état non contraint à un état contraint et inversement.

[0013] Selon une réalisation, la pièce mobile est configurée de façon à conserver l’éprouvette suivant une même orientation lors de l'application des contraintes. Cela permet de disposer de conditions de contraintes homogènes selon un plan de symétrie longitudinal sur l'éprouvette.

[0014] Selon une réalisation, les moyens de fixation sont configurés pour assurer une fixation par compression des extrémités de l'éprouvette. Cela permet de maintenir fermement le matériau élastomère tout en évitant de déchirer l'éprouvette lors des tests sous contraintes.

[0015] Selon une réalisation, la première extrémité de l'éprouvette est fixée sur une plaque de support.

[0016] Selon une réalisation, la plaque de support comporte un système de réglage d'un positionnement des premiers moyens de fixation en fonction d'une longueur de l'éprouvette.

[0017] Selon une réalisation, le système comporte des moyens de réglage d'une hauteur de la plaque de support par rapport à une base assurant une stabilité du châssis. Cela permet de s'assurer que le servomoteur est maintenu hors du liquide dans le cas où ce dernier n'est pas étanche.

[0018] Selon une réalisation, le servomoteur est monté sur le châssis positionné à l'intérieur du réacteur.

[0019] Selon une réalisation, le servomoteur est situé à l'extérieur du réacteur.

[0020] Selon une réalisation, le servomoteur présente une amplitude de 180° maximum.

[0021] Selon une réalisation, le système comporte une unité de commande du servomoteur apte à être configurée pour adapter au moins un des paramètres suivants: une vitesse de mise sous contrainte, une fréquence de passage d'un état contraint à un état non contraint de l'éprouvette, une durée de pause dans un état donné, une amplitude d'efforts de contraintes appliqués.

[0022] 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.

[0023] La figure 1 est une vue en perspective du système de vieillissement dynamique accéléré d'une éprouvette réalisée dans un matériau utilisé pour la fabrication d'une pièce de moteur thermique selon la présente invention; [0024] Les figures 2a et 2b sont respectivement des vues de face et de côté du dispositif d'application de contraintes mécaniques sur l'éprouvette testée appartenant au système de vieillissement dynamique accéléré selon la présente invention; [0025] Les figures 3a et 3b sont des vues détaillées respectivement des premiers moyens de fixation d'une première extrémité de l'éprouvette au châssis du système selon l'invention et des deuxièmes moyens de fixation d'une deuxième extrémité de l'éprouvette à une pièce mobile du système selon la présente invention; [0026] La figure 4 est une représentation schématique de l'éprouvette en élastomère utilisée avec le système de vieillissement dynamique accéléré selon la présente invention; [0027] La figure 5 est une représentation schématique d'une variante de réalisation du système de vieillissement dynamique accéléré selon la présente invention; [0028] Les figures 6a à 6c sont des vues schématiques respectivement en perspective, de face, et de côté, illustrant une première solution de fixation du châssis au réacteur du système de vieillissement dynamique accéléré selon la présente invention lorsque le servomoteur est déporté à l'extérieur du réacteur; [0029] La figure 6d est une vue schématique en perspective illustrant une deuxième solution de fixation du châssis au réacteur du système de vieillissement dynamique accéléré selon la présente invention lorsque le servomoteur est déporté à l'extérieur du réacteur.

[0030] Les éléments identiques, similaires, ou analogues conservent la même référence d'une figure à l'autre.

[0031] La figure 1 représente un système de vieillissement dynamique accéléré 10 d'une pièce 12 réalisée dans un matériau, tel qu'un matériau élastomère, utilisé pour la fabrication de pièces de moteur thermique, notamment de véhicule automobile. La pièce en élastomère 12 pourra par exemple être constituée par une éprouvette présentant une forme de type haltère, comme cela est représenté sur la figure 4.

[0032] L'éprouvette 12 pourra être choisie selon plusieurs types, référencés "Type 1" à Type 4" dans le tableau ci-dessous, et donc comporter des caractéristiques différentes en termes de longueur totale A, largeur des têtes B, longueur de la partie étroite C, largeur de la partie étroite D, rayon de raccordement extérieur E, et rayon de raccordement intérieur F.

[0033] Le système 10 comporte un dispositif d'application de contraintes mécaniques 14 sur l'éprouvette 12, laquelle est immergée dans un réacteur 16 contenant un liquide 17, tel qu'un lubrifiant. Ce lubrifiant pourra par exemple être une huile de moteur.

[0034] Plus précisément, comme cela est représenté sur les figures 2a et 2b, le dispositif d'application de contraintes mécaniques 14 comporte des premiers moyens de fixation 24 pour fixer une première extrémité de l'éprouvette 12 sur un châssis 18. Des deuxièmes moyens de fixation 28 assurent une fixation d'une deuxième extrémité de l'éprouvette 12 sur une pièce mobile 32 par rapport au châssis 18.

[0035] Les moyens de fixation 24, 28 sont configurés pour assurer une fixation par compression des extrémités de l'éprouvette 12. A cet effet, les moyens de fixation 24, 28 comportent une tige filetée 34 traversant une ouverture ménagée dans une extrémité de l'éprouvette 12, ainsi que des rondelles et des écrous correspondants. Cela permet de maintenir fermement la pièce 12 tout en évitant de déchirer l'éprouvette 12 lors des tests sous contraintes.

[0036] Plus précisément, la première extrémité de l'éprouvette 12 est fixée sur une plaque de support 36 appartenant au châssis 18. La plaque de support 36 comporte un système de réglage 38 d'un positionnement des premiers moyens de fixation 24 en fonction d'une longueur de l'éprouvette 12. En l'occurrence, comme cela est représenté sur la figure 3a, la plaque de support 36 comporte une pluralité de trous traversants 40 espacés entre eux suivant une direction verticale. Le trou 40 dans lequel est insérée la tige filetée 34 est sélectionné en fonction de la longueur de l'éprouvette 12. En variante, le système de réglage 38 du positionnement de l'éprouvette 12 pourra prendre la forme d'un système à glissière.

[0037] Le système 10 comporte en outre des moyens de réglage 42 d'une hauteur de la plaque de support 36 par rapport à une base 44 assurant une stabilité du châssis 18, tel que cela est représenté sur les figures 2a et 3a. Cela permet de s'assurer que le servomoteur 48 est maintenu hors du liquide 17 du réacteur 16, notamment dans le cas de l'utilisation de servomoteurs 48 non-étanches.

[0038] En l'occurrence, ces moyens de réglage 42 comportent une pluralité de trous de fixation 46 ménagés dans la base 44 et espacés entre eux suivant une direction verticale. Les trous de fixation 46 dans lesquels sont insérés des vis de fixation correspondantes sont choisis en fonction d'une hauteur de liquide 17 à l'intérieur du réacteur 16. En variante, il sera possible d'utiliser un système à glissière pour adapter la hauteur de la plaque de support 36 par rapport à la base 44.

[0039] On précise que différentes bases 44 pourront être utilisées selon la surface sur laquelle repose le système 10. En effet, la forme de la base 44 est adaptée à la forme du fond du réacteur qui pourra être notamment à fond rond, ou à fond plat.

[0040] En outre, comme on peut le voir sur les figures 1,2a, 2b, et 3b, le servomoteur 48 est apte à entraîner en mouvement la pièce mobile 32 pour étirer et relâcher l'éprouvette 12, de façon à faire passer de manière cyclique l'éprouvette 12 d'un état non contraint à un état contraint et inversement. Le servomoteur 48 permet de générer un couple important pour appliquer les contraintes mécaniques sur l'éprouvette 12 tout en permettant de maîtriser la vitesse de mise sous contrainte qui pourra être lente. Ce couple pourra être de l'ordre de 5kg.cm. En outre, le servomoteur 48 peut être configuré pour réaliser des rotations qui ne seront pas nécessairement complètes lors de l'application des efforts de contrainte sur l'éprouvette 12. Avantageusement, le servomoteur 48 présente une amplitude de 180° maximum. Toutefois, cette amplitude pourra être adaptée aux besoins de l'application en fonction du type de contrainte appliquée sur l'éprouvette 12.

[0041] La pièce mobile 32 est de préférence configurée de façon à conserver l’éprouvette 12 suivant une même orientation lors de l'application des contraintes. Cela permet de disposer de conditions de contraintes homogènes selon un plan de symétrie longitudinal sur l'éprouvette 12.

[0042] Le pilotage du servomoteur 48 est réalisé par une unité de commande apte à être configurée, selon des programmes, pour adapter au moins un des paramètres suivants: une vitesse de mise sous contrainte sélectionnée par exemple dans une gamme comprise entre 1 et 50 cm/s, une fréquence de passage d'un état contraint à un état non contraint de l'éprouvette 12 sélectionnée par exemple dans une gamme comprise entre 0,01 et 10 Hertz, une durée de pause dans un état donné sélectionnée par exemple dans une gamme comprise entre 1 et 60 minutes, une amplitude des efforts de contraintes appliqués sélectionnée par exemple dans une gamme comprise entre 0,5 et 5 cm. Le choix des paramètres permet d'adapter la sévérité de l'essai.

[0043] Si le matériau de l'éprouvette 12 n’est pas assez résistant, des microfissurations pourront se créer et faciliter une pénétration du liquide 17, ce qui accentue l’interaction chimique. Il sera également possible de tester en fatigue le matériau élastomère de l'éprouvette 12 en adaptant la fréquence des oscillations du servomoteur 48.

[0044] Dans l'exemple de réalisation précédent, le servomoteur 48 est monté sur le châssis 18 positionné à l'intérieur du réacteur 16.

[0045] Dans une variante de réalisation montrée sur la figure 5, le servomoteur 48 est situé à l'extérieur du réacteur 16. Dans ce cas de figure, il devient nécessaire de fixer le châssis 18 au réacteur 16 sinon le servomoteur déporté 48 risque de soulever le châssis 18 plutôt que d’étirer l'éprouvette 12.

[0046] Deux solutions sont par exemple possibles pour immobiliser le châssis 18 dans le réacteur 16. Une première solution représentée sur les figures 6a à 6c, consiste à utiliser deux tiges filetées T1 et T2 dont l’éloignement par rapport au châssis 18 est réglable. Chaque tige T1, T2 traverse un trou de réglage 55 correspondant ménagé dans le châssis 18 et est associé à un écrou de réglage 56 et un écrou de verrouillage 57, comme cela est visible sur les figures 6a et 6c. Un trou de démontage 58 situé sur une face opposée à celle dans laquelle est réalisé le trou de réglage 55 permet d'autoriser le passage de la tige T1, T2 correspondante, lors du démontage du châssis 18. Les tiges T1, T2 sont réglées lors de l’installation du châssis 18 dans le réacteur 16 de sorte à appuyer, via leur extrémité, sur une pièce 59 en matériau élastique, par exemple en caoutchouc, placée contre la paroi intérieure du réacteur 16. La friction engendrée par ce montage empêche au châssis 18 de se soulever lors de la sollicitation par le servomoteur 48.

[0047] Une deuxième solution représentée sur la figure 6d consiste à adapter au châssis 18 une tige filetée T3 en position verticale réglable avec deux écrous 56, 57. La tige filetée T3 est réglée pour venir en butée contre le couvercle 60 du réacteur 16 lors de la fermeture du réacteur 16 afin de maintenir le châssis 18 en place. Comme précédemment, la tige T3 vient en butée contre une pièce 59 avantageusement réalisée en caoutchouc.

[0048] Alternativement, pour maintenir le châssis 18 en position à l'intérieur du réacteur 16, il est possible de lester le châssis 18 avec un poids, par exemple de l'ordre de 6kg, qui représente une charge suffisante pour un montage avec un servomoteur 48 disposant d’un couple de 5kg.cm, mais une telle solution présente l'inconvénient d'être encombrante.

[0049] Par ailleurs, comme cela est illustré sur la figure 5, l'éprouvette 12 pourra être fixée à chacune de ses extrémités par serrage avec des pinces 47. Cela permet d'éviter de percer l'éprouvette 12. La pince supérieure 47 attachée à l'éprouvette 12 pourra être reliée au servomoteur 48 par l'intermédiaire d'un câble 49. Ce câble 49 est introduit à l'intérieur du réacteur 16 par l'intermédiaire d'un rodage 52 réalisé par exemple en téflon. Un système réfrigérant 50, par exemple à eau, pourra être positionné sur le réacteur 16 pour refroidir le liquide lorsque des températures du réacteur 16 dépassent le point d'ébullition du liquide.

[0050] Bien entendu, le système 10 est adaptable selon le type de contraintes que l’on souhaite appliquer à l'éprouvette 12, tel qu'une traction, une compression, un cisaillement, un glissement sur solide. Ainsi, la forme du châssis 18 pourra être adaptée en fonction des besoins de l'application.

[0051] Des capteurs de force pourront également être utilisés pour assurer la répétabilité des essais ou pour solliciter le matériau de l'éprouvette 12 avec des contraintes variées et maîtrisées. Ces capteurs pourront également permettre de suivre l’évolution du vieillissement de l'éprouvette 12 au cours des essais pour détecter une dégradation du moteur.

Claims

REVENDICATIONS

1. Système de vieillissement dynamique accéléré (10) d'un matériau utilisé pour la fabrication d'une pièce de moteur thermique, comportant: - un dispositif d'application de contraintes mécaniques (14) sur une éprouvette (12) réalisée dans le matériau utilisé pour la fabrication d'une pièce de moteur thermique, tel qu'un matériau éiastomère, et - un réacteur (16) contenant un liquide (17), tel qu'un lubrifiant, dans lequel est immergée l'éprouvette (12), caractérisé en ce que le dispositif d'application de contraintes mécanique (14) comporte: - des premiers moyens de fixation (24) pour fixer une première extrémité de l’éprouvette (12) sur un châssis (18) fixe, - des deuxièmes moyens de fixation (28) pour fixer une deuxième extrémité de l’éprouvette (12) sur une pièce mobile (32) par rapport au châssis (18), - un servomoteur (48) apte à entraîner en mouvement la pièce mobile (32) pour étirer et relâcher l'éprouvette (12) afin de faire passer de manière cyclique l'éprouvette d'un état non contraint à un état contraint et inversement.
2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pièce mobile (32) est configurée de façon à conserver l’éprouvette (12) suivant une même orientation lors de l'application des contraintes.
3. Système selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les moyens de fixation (24, 28) sont configurés pour assurer une fixation par compression des extrémités de l'éprouvette (12),
4. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la première extrémité de l'éprouvette (12) est fixée sur une plaque de support (36).
5. Système selon la revendication 4, caractérisé en ce que la plaque de support (36) comporte un système de réglage (38) d'un positionnement des premiers moyens de fixation (24) en fonction d'une longueur de l'éprouvette (12).
6. Système selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de réglage (42) d'une hauteur de la plaque de support (38) par rapport à une base (44) assurant une stabilité du châssis (18).
7. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le servomoteur (48) est monté sur le châssis (18) positionné à l'intérieur du réacteur (16).
8. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le servomoteur (48) est situé à l'extérieur du réacteur (16).
9. Système selon Tune quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le servomoteur (48) présente une amplitude de 180° maximum.