FR3087235A1 - BALANCED ROTARY SHAFT, ESPECIALLY A CRANKSHAFT, PARTIALLY CARRIED OUT BY AN ADDITIVE MANUFACTURING TECHNIQUE, MANUFACTURING METHOD AND MOTOR EQUIPPED WITH SUCH A SHAFT - Google Patents
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Abstract
L'invention propose un vilebrequin (100) comportant un corps principal (101) qui comporte au moins deux tourillons (105) de guidage en rotation du vilebrequin (100) et au moins un contrepoids (106) d'équilibrage, dans lequel le contrepoids (106) comporte une partie centrale (PCR) de raccordement à au moins un tourillon 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), caractérisé en que au moins une portion (200) d'au moins une partie (PCR) du contrepoids (106) est réalisée par une technique de fabrication additive, par exemple par dépôt laser.The invention provides a crankshaft (100) comprising a main body (101) which comprises at least two journals (105) for guiding the crankshaft in rotation (100) and at least one balancing counterweight (106), in which the counterweight (106) comprises a central part (PCR) for connection to at least one guide pin (105), and a main part (PPC) forming a counterweight which is connected to the central part (PCR) for connection and which is offset radially by relative to the axis (A) of rotation of the rotary shaft (100), characterized in that at least a portion (200) of at least one part (PCR) of the counterweight (106) is produced by a manufacturing technique additive, for example by laser deposition.
Description
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 arbreBalanced rotary shaft, in particular engine crankshaft, produced in part by an additive manufacturing technique, manufacturing process and engine equipped with such a shaft
DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTIONTECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
L’invention concerne la conception d’un arbre rotatif équilibré tel qu’un vilebrequin, notamment de moteur d’un véhicule automobile.The invention relates to the design of a balanced rotary shaft such as a crankshaft, in particular of the engine of a motor vehicle.
ARRIERE PLAN TECHNIQUE DE L'INVENTIONTECHNICAL BACKGROUND OF THE 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 automobile.The invention relates more particularly to a rotary shaft, and in particular a crankshaft of a multi-cylinder internal combustion engine intended in particular to equip a motor vehicle.
L'invention vise plus particulièrement à améliorer l’équilibrage d’un vilebrequin.The invention more particularly aims to improve the balancing of a crankshaft.
Le vilebrequin ou arbre moteur d'un moteur à combustion multicylindres reçoit la poussée des bielles et il fournit un mouvement rotatif à partir des mouvements rectilignes alternatifs des pistons.The crankshaft or drive shaft of a multi-cylinder combustion engine receives the thrust from the connecting rods and it provides a rotary movement from the reciprocating rectilinear movements of the 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 venir tourner dans des paliers complémentaires associés du moteur.Conventionally, the crankshaft of an internal combustion engine has shaft seats, or journals, placed in line along the axis of rotation of the crankshaft and which are intended to come to rotate in associated complementary bearings of the engine.
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 vilebrequin.The crank pins constituting the axes of the connecting rod heads are secured to pins by pairs of arms extending substantially perpendicular to the longitudinal axis of the crankshaft.
Par ailleurs, le vilebrequin est pourvu de contrepoids, aussi appelés balourds servant à l’équilibrage statique et dynamique des équipages mobiles constitués par les différents ensembles maneton-bielle-piston.In addition, the crankshaft is provided with counterweights, also called unbalances used for the static and dynamic balancing of the moving parts constituted by the different crankpin-rod-piston assemblies.
Chaque contrepoids est porté par au moins l'un des bras supportant le maneton à l'opposé de ce dernier par rapport au tourillon.Each counterweight is carried by at least one of the arms supporting the crankpin opposite the latter relative to the journal.
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 positives ou négatives des bielles et des pistons, aux inerties des masses excentrées et aux couples moteurs et résistants.The problem of balancing crankshafts is particularly important. Indeed, from the point of view of mechanical forces, the crankshaft is the most stressed part of the engine. It supports in particular the forces due to positive or negative accelerations of the connecting rods and pistons, to the inertias of the eccentric masses and to the driving and resistant torques.
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 équilibrage peut notamment conduire à produire des vibrations importantes, notamment au niveau du palier central qui est le plus sollicité du fait du fléchissement longitudinal du vilebrequin selon son axe de rotation, de telles vibrations étant susceptibles de provoquer la rupture des pièces mécaniques par fatigue.As a result, the crankshaft is subjected to significant torsional and bending forces which are transmitted to the engine block via the crankshaft bearings. Poor balancing can in particular lead to the production of significant vibrations, in particular at the level of the central bearing which is the most stressed due to the longitudinal deflection of the crankshaft along its axis of rotation, such vibrations being liable to cause the mechanical parts to rupture by fatigue. .
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.The balancing of the crankshaft is first obtained thanks to a particularly careful design of the part, notably using finite element calculations.
Toutefois, les techniques actuelles de fabrication des vilebrequins (qui sont coulés en fonte GS ou forgés en acier, avec reprise par usinage des surfaces de portée) ne permettent pas d'obtenir directement des pièces parfaitement équilibrées.However, current techniques for manufacturing crankshafts (which are cast in GS cast iron or forged in steel, with recovery by machining the bearing surfaces) do not allow direct perfectly balanced parts to be obtained.
Des exemples de conceptions de vilebrequins sont illustrés dans les documents FR-A1-2.720.809 et FR-A1-2.970.662.Examples of crankshaft designs are illustrated in documents FR-A1-2.720.809 and FR-A1-2.970.662.
Par ailleurs, les procédés actuels de fabrication aboutissent à des pièces globalement massives pour lesquelles il apparaît souhaitable d’en réduire la masse - et notamment la masse tournante - tout en conservant à chaque vilebrequin ses qualités d’équilibrage assurées notamment par les contrepoids ou balourds.Furthermore, current manufacturing processes result in globally massive parts for which it appears desirable to reduce their mass - and in particular the rotating mass - while retaining each crankshaft its balancing qualities ensured in particular by counterweights or unbalances .
Une telle réduction du poids ou masse du vilebrequin permet notamment de réduire la consommation d’énergie du véhicule.Such a reduction in the weight or mass of the crankshaft makes it possible in particular to reduce the energy consumption of the vehicle.
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 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 par le moteur.The design of the counterweights must meet different requirements. They must first of all be correctly positioned in relation to the connecting rods, to best compensate for the inertial forces. They must be compact, so as to optimize the compactness of the engine. They must also allow the oil films, present at the connections between the crankshaft and the engine crankcase / cylinder block, to have a sufficient thickness at all points to lubricate these connections correctly. Finally, they must make it possible to reduce the noise generated by the engine.
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 optimaux en termes d’encombrement.The compromise generally used consists in making the crankshaft in a single piece from a single material, for example by casting in cast iron. This solution, chosen for the reduced cost of melting, does not however allow optimal results in terms of size.
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.For example, for competition engines, it has been proposed to make crankshafts of reduced dimensions, by gluing or screwing high density flyweights on its counterweights, at a distance from the axis of rotation of the crankshaft.
L'utilisation de telles masselottes rapportées s’avère particulièrement efficace. La fabrication de tels vilebrequins est en revanche onéreuse et difficile à mettre en œuvre pour la fabrication en grande série.The use of such added weights has proven to be particularly effective. The manufacture of such crankshafts, on the other hand, is expensive and difficult to implement for mass production.
Dans le cadre d’une production de vilebrequins par moulage, la publication US 2005/0266260 divulgue un procédé de moulage de vilebrequin avec incorporation de composants de densités différentes à différentes phases du moulage. Le moulage comporte au moins deux phases de moulage pour incorporer des composants de densités différentes.In the context of crankshaft production by molding, the publication US 2005/0266260 discloses a crankshaft molding process with the incorporation of components of different densities at different stages of molding. The molding comprises at least two molding phases to incorporate components of different densities.
La présence de contrepoids ou balourds d’équilibrage est aussi mise en œuvre 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.The presence of balancing counterweights is also implemented by means of balancing shafts which include balancing blocks playing the same role as the counterweights of a crankshaft. An example of the design of such a balancing shaft is for example illustrated in the document FR-A1-2.823.279.
La fabrication en grande série de tels arbres d’équilibrage doit aussi permettre de maîtriser de manière fiable et précise les problèmes d’équilibrage.The mass production of such balancing shafts must also make it possible to reliably and precisely control the balancing problems.
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 comportant :Thus, the invention aims to propose a new design of a rotary shaft, and in particular of a crankshaft or a motor vehicle balancing shaft, of the type comprising:
- un corps principal qui comporte au moins deux tronçons espacés axialement de guidage en rotation de l’arbre ;- a main body which comprises at least two axially spaced sections for guiding the shaft in rotation;
- et au moins un bloc d’équilibrage des masses de l’arbre rotatif par rapport à son axe de rotation, dans lequel le bloc d’équilibrage comporte :- And at least one block for balancing the masses of the rotary shaft relative to its axis of rotation, in which the balancing block comprises:
-- une partie centrale de raccordement à au moins un tronçon de guidage ;- a central part for connection to at least one guide section;
-- et une partie principale formant contrepoids qui est reliée à la partie centrale de raccordement et qui est excentrée radialement par rapport à l’axe de rotation de l’arbre rotatif, qui remédie aux problèmes mentionnés précédemment.- and a main part forming a counterweight which is connected to the central connection part and which is radially eccentric with respect to the axis of rotation of the rotary shaft, which overcomes the problems mentioned above.
BREF RESUME DE L'INVENTIONBRIEF SUMMARY OF THE INVENTION
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.The invention provides a rotary shaft of the type mentioned above, characterized in that at least a portion of at least part of the balancing block is produced by an additive manufacturing technique.
Selon d'autres caractéristiques de l’arbre rotatif :According to other characteristics of the rotary shaft:
- 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 ;- At least a portion of at least part of the balancing block produced by an additive manufacturing technique is a portion comprising empty zones;
- la portion comportant des zones vides est une portion de la partie centrale de raccordement du bloc d’équilibrage ;- the portion comprising empty zones is a portion of the central connection part of the balancing block;
- au moins une partie de la surface d’enveloppe externe de la portion comportant des zones vides est une partie de surface pleine ;- at least a part of the outer envelope surface of the portion comprising empty zones is a part of full surface;
- 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 ;- at least a part of the outer envelope surface of a portion of the balancing block produced by an additive manufacturing technique is a part of a non-smooth surface;
- d’une part le corps principal et, d’autre part, ladite au moins une portion du bloc d’équilibrage réalisée par une technique de fabrication additive, sont réalisés dans des matériaux différents ;- On the one hand the main body and, on the other hand, said at least a portion of the balancing block produced by an additive manufacturing technique, are made of different materials;
- la totalité de la partie principale formant contrepoids du bloc d’équilibrage est réalisée par ladite technique de fabrication additive ;- the entire main part forming a counterweight to the balancing block is produced by said additive manufacturing technique;
- 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 ;- a component, belonging to a detection and / or measurement system of at least one rotation parameter of the rotary shaft, is embedded in a portion produced by said additive manufacturing technique;
- la technique de fabrication additive est par exemple une technique de dépôt laser ;- the additive manufacturing technique is for example a laser deposition technique;
- 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 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 ;- The additive manufacturing technique is for example a powder bed melting technique; the shaft, for example the crankshaft can be produced entirely by fusion on a powder bed; in this case, the manufacturing is carried out entirely from powder, without connection or connection with another part produced according to another manufacturing technique, production such as for example the foundry or the forge;
- 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.- The shaft is a balancing shaft of a combustion engine capable of being rotatably mounted in a casing and / or a block and which is linked in rotation to a crankshaft of the combustion engine.
- 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.- The shaft is a crankshaft of a combustion engine capable of being rotatably mounted in a casing and / or a block of the combustion engine.
L’invention propose aussi un procédé de fabrication d’un arbre rotatif selon l’invention, caractérisé en ce qu’il consiste à 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.The invention also provides a method of manufacturing a rotary shaft according to the invention, characterized in that it consists in producing the main body, by forging or by molding, then in producing at least a portion of at least one part of the balancing block by an additive manufacturing technique.
L’invention propose encore un moteur à combustion, notamment de véhicule automobile, caractérisé en ce qu’il comporte au moins un arbre rotatif selon l’invention, et notamment un vilebrequin et / ou un arbre d’équilibrage.The invention also provides a combustion engine, in particular for a motor vehicle, characterized in that it comprises at least one rotary shaft according to the invention, and in particular a crankshaft and / or a balancing shaft.
BREVE DESCRIPTION DES FIGURESBRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront 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 :Other characteristics and advantages of the invention will appear during the reading of the detailed description which will follow for the understanding of which reference will be made to the appended drawings in which:
- la figure 1 est une vue schématique en perspective d’un exemple de conception d’un vilebrequin selon l'état de la technique ;- Figure 1 is a schematic perspective view of an exemplary design of a crankshaft according to the prior art;
- 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 ;- Figure 2 is a schematic sectional view along a median radial plane of the front axial end counterweight of the crankshaft of Figure 1;
- la figure 3 est une vue latérale schématique d’un tronçon du vilebrequin des figures 1 et 2 ;- Figure 3 is a schematic side view of a section of the crankshaft of Figures 1 and 2;
- la figure 4 est une vue analogue à celle de la figure 3 qui illustre la mise en œuvre des enseignements de l’invention ;- Figure 4 is a view similar to that of Figure 3 which illustrates the implementation of the teachings of the invention;
- la figure 5 est une vue schématique axiale en bout du tronçon illustré à la figure 3 ;- Figure 5 is a schematic axial view at the end of the section illustrated in Figure 3;
- la figure 6 est une vue schématique axiale en bout du tronçon illustré à la figure 4 ;- Figure 6 is a schematic axial view at the end of the section illustrated in Figure 4;
- 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 ;- Figure 7 is a view similar to that of Figure 4 illustrating a step of making a counterweight by additive manufacturing by laser deposition;
- la figure 8 est une vue analogue à celle de la figure 4 illustrant une variante de réalisation ;- Figure 8 is a view similar to that of Figure 4 illustrating an alternative embodiment;
- 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 ;- Figure 9 is a view similar to that of Figure 4 illustrating another alternative embodiment comprising a component, belonging to a detection and / or measurement system of at least one parameter of rotation of the crankshaft;
- les figures 10A à 10C illustrent schématiquement les étapes de fabrication progressive par mise ne œuvre de la technique dite de fusion sur lit de poudre.- Figures 10A to 10C schematically illustrate the stages of progressive manufacturing by implementing the technique known as melting on a powder bed.
DESCRIPTION DETAILLEE DES FIGURESDETAILED DESCRIPTION OF THE FIGURES
Dans la suite de la description, des éléments présentant une structure identique ou des fonctions analogues seront désignés par des mêmes références.In the following description, elements having an identical structure or analogous functions will be designated by the same references.
Dans la suite de la description, on adoptera de manière non limitative des orientations longitudinale, verticale et transversale indiquées par le trièdre L,V,T des figures.In the following description, longitudinal, vertical and transverse orientations indicated by the trihedron L, V, T in the figures will be adopted without limitation.
L’axe de rotation du vilebrequin est orienté parallèlement à la direction longitudinale, et d’arrière vers l’avant.The axis of rotation of the crankshaft is oriented parallel to the longitudinal direction, and from back to front.
A la figure 1, on a représenté schématiquement un vilebrequin 100 d'un moteur à combustion interne.In Figure 1, there is shown schematically a crankshaft 100 of an internal combustion engine.
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 cylindre selon un mouvement rectiligne alternatif (ou mouvement de va-et-vient).This internal combustion engine, not shown in the figures, here comprises four cylinders which each house a piston which is adapted to slide along the internal wall of this cylinder according to a reciprocating rectilinear movement (or reciprocating movement) .
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.Each piston has for this purpose a peripheral skirt which slides in the cylinder. This skirt is pierced transversely with two openings for receiving an axis on which a high end called the foot of a connecting rod is mounted for rotation.
Comme le montre la figue 1, le vilebrequin 100 comporte pour sa part un corps principal en forme d’un arbre 101 qui définit quatre manivelles 104 régulièrement espacées les unes des autres, sur lesquelles les extrémités basses des bielles, appelées têtes de bielles, peuvent être montées à rotation.As shown in fig 1, the crankshaft 100 for its part comprises a main body in the form of a shaft 101 which defines four cranks 104 regularly spaced from one another, on which the lower ends of the connecting rods, called connecting rod heads, can be rotatably mounted.
Ainsi, le mouvement rectiligne alternatif des pistons permet d'entraîner le vilebrequin 100 en rotation autour de l’axe A de son arbre 101.Thus, the reciprocating rectilinear movement of the pistons makes it possible to drive the crankshaft 100 in rotation about the axis A of its shaft 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.We then say of the crankshaft 100 that it comprises four crank pins 104 (the cranks) which are interposed between five pins 105. Each crank pin 104 is a cylindrical section.
Les tourillons 105 sont adaptés à être engagés dans des ouvertures cylindriques concaves complémentaires prévues en correspondance dans le carter-cylindres du moteur, de manière à former des liaisons tournantes pour le vilebrequin 100.The pins 105 are adapted to be engaged in complementary concave cylindrical openings provided in correspondence in the cylinder block of the engine, so as to form rotary connections for the crankshaft 100.
Chaque tourillon 105 est ainsi un tronçon de l’arbre 101 pour le guidage en rotation de ce dernier.Each pin 105 is thus a section of the shaft 101 for guiding the latter in rotation.
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).While the pins 105 are aligned along the axis, A also called the motor axis, the crank pins 104 extend along axes parallel and distinct from the motor axis A (at a distance called the crank radius).
Les manetons 104 et les tourillons 105 sont reliés les uns aux autres par des flasques transversaux 103.The crank pins 104 and the pins 105 are connected to each other by transverse flanges 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 vibrations (en flexion et/ou en torsion) dues aux mouvements de l'attelage mobile qui comprend le vilebrequin, les bielles et les pistons.Opposite each crankpin 104, the shaft 101 of the crankshaft 100 further carries a balancing block called a counterweight 106 (also called an unbalance) making it possible to reduce the vibrations (in bending and / or in torsion) due to movements. of the movable coupling which includes the crankshaft, the connecting rods and the pistons.
Le vilebrequin 100 comporte ainsi deux contrepoids agencés aux extrémités axiales avant et arrière, et deux contrepoids « centraux » agencés sensiblement à mi- longueur du vilebrequin 100, entre deux paires de pistons.The crankshaft 100 thus comprises two counterweights arranged at the front and rear axial ends, and two “central” counterweights arranged substantially at mid-length of the crankshaft 100, between two pairs of pistons.
Chacun de ces quatre contrepoids 106 présente la forme générale d’un arc de disque épais qui s’étend sur un secteur angulaire déterminé.Each of these four counterweights 106 has the general shape of a thick disc arc which extends over a determined angular sector.
Pour chaque contrepoids 106, on peut alors définir une surface externe du contrepoids qui comprend les deux faces sensiblement planes d’orientation radiale et axialement opposées 107, et la tranche 108 en arc-de-cercle de l’arc de disque épais.For each counterweight 106, it is then possible to define an external surface of the counterweight which comprises the two substantially planar faces of radial orientation and axially opposite 107, and the edge 108 in an arc of a circle of the thick disc arc.
Dans l’exemple de conception illustré aux figures 1 et 2, le vilebrequin est réalisé de manière homogène en un seul matériau métallique, par exemple par moulage et/ou forgeage et par usinage complémentaire.In the design example illustrated in FIGS. 1 and 2, the crankshaft is produced homogeneously from a single metallic material, for example by molding and / or forging and by complementary machining.
Comme on peut notamment le voir à la figure 2, chaque contrepoids est ainsi en une seule pièce « homogène » avec une continuité de matière.As can be seen in particular in Figure 2, each counterweight is thus in one piece "homogeneous" with a continuity of material.
On voit aussi que le contrepoids comporte une partie principale PPC formant contrepoids qui est la portion la plus excentrée radialement, et une partie centrale PCR de raccordement de la partie principale PPC à au moins un tourillon de guidage adjacent 105.It can also be seen that the counterweight comprises a main part PPC forming a counterweight which is the most radially eccentric portion, and a central part PCR for connecting the main part PPC to at least one adjacent guide pin 105.
Selon l’invention, comme illustré à la figure 4, et par comparaison avec la figure 3, les contrepoids 106 ne sont plus réalisés « en une seule pièce » avec le corps principal comportant notamment les tourillons 105, c’est-à-dire que - pour tout ou partie - chaque contrepoids 106 n’est plus réalisé en même temps et selon la même technique de production telle que par exemple le moulage et/ou le forgeage.According to the invention, as illustrated in FIG. 4, and by comparison with FIG. 3, the counterweights 106 are no longer produced "in one piece" with the main body comprising in particular the pins 105, that is to say that - for all or part - each counterweight 106 is no longer produced at the same time and according to the same production technique such as for example molding and / or forging.
Au moins une portion 200 du contrepoids 106 est réalisée indépendamment du corps principal en faisant appel à une technique dite de fabrication additive aussi appelée « additive manufacturing ».At least a portion 200 of the counterweight 106 is produced independently of the main body using a technique called additive manufacturing also called "additive manufacturing".
Dans les exemples illustrés schématiquement aux figures 4 et 6 à 9, la portion 200 correspond sensiblement à la partie centrale PCR de raccordement de chaque contrepoids.In the examples illustrated diagrammatically in FIGS. 4 and 6 to 9, the portion 200 corresponds substantially to the central PCR part for connecting each counterweight.
Comme on peut le voir à la figure 7, le corps principal est par exemple réalisé par forgeage, puis commence l’étape de réalisation de chaque contrepoids 106 par ajout progressif de matière, ici selon la technique de dépôt laser, aussi appelée « laser cladding ».As can be seen in Figure 7, the main body is for example made by forging, then begins the step of making each counterweight 106 by progressive addition of material, here according to the laser deposition technique, also called "laser cladding "
Par exemple, le dépôt fait appel à un faisceau laser qui est défocalisé sur la pièce avec une taille de spot déterminée. Le matériau de dépôt, par exemple en poudre, est transporté par un gaz inerte à travers une buse de poudre dans le bain de fusion.For example, the deposition uses a laser beam which is defocused on the part with a determined spot size. The deposition material, for example in powder form, is transported by an inert gas through a powder nozzle in the molten bath.
L’optique laser et la buse sont déplacées selon des mouvements programmés de manière à, progressivement, déposer des couches superposées de volume plus ou moins élevées.The laser optics and the nozzle are moved according to programmed movements so as to gradually deposit superimposed layers of greater or lesser volume.
Le matériau apporté peut aussi être en fil d’apport en lieu et place de la poudre.The material supplied can also be used as a filler instead of the powder.
La ou les techniques de fabrication utilisées dans le cadre de l’invention assurent directement la liaison entre une partie réalisée initialement par moulage, forgeage et /ou usinage, et la portion 200.The manufacturing technique or techniques used in the context of the invention directly provide the connection between a part initially produced by molding, forging and / or machining, and the portion 200.
Dans l’exemple illustré aux figures 4 et 6 à 9, la portion 200 relie le corps principal avec notamment les tourillons 105, à la partie principale PPC qui est ici réalisée par mise en œuvre d’une technique de fabrication classique de moulage, forgeage et /ou usinage.In the example illustrated in FIGS. 4 and 6 to 9, the portion 200 connects the main body with in particular the pins 105, to the main PPC part which is here produced by implementing a conventional manufacturing technique of molding, forging. and / or machining.
Comme cela est schématisé aux figures 4 et 6 à 9, les développements des techniques de fabrication additive, et notamment de dépôt laser, permettent de réaliser des pièces ou des portions ou parties dans un matériau comportant des vides.As shown diagrammatically in FIGS. 4 and 6 to 9, developments in additive manufacturing techniques, and in particular in laser deposition, make it possible to produce parts or portions or parts in a material comprising voids.
C’est notamment le cas lorsque la portion 200 est réalisée sous la forme d’une structure architecturée composée d'un matériau et de zones vides, par exemple sous la forme d’un treillis - ou « lattice » en trois dimensions.This is particularly the case when the portion 200 is produced in the form of an architectural structure composed of a material and of empty areas, for example in the form of a lattice - or "lattice" in three dimensions.
Dans ce cas, la densité ou la masse volumique de la portion réalisée par fabrication additive est inférieure à la masse de la portion correspondante qui serait réalisée « pleine ».In this case, the density or density of the portion produced by additive manufacturing is less than the mass of the corresponding portion which would be produced "full".
Dans le cadre de la réalisation d’un contrepoids 106 on peut ainsi, obtenir une réduction de la masse totale de chaque contrepoids, et donc du vilebrequin.In the context of producing a counterweight 106, it is thus possible to obtain a reduction in the total mass of each counterweight, and therefore of the crankshaft.
Dans le cadre de la réalisation complète d’u vilebrequin 100 par une technique de fusion sur lit de poudre, comme illustré aux figures 10A à 10C, l’allègement est réalisé par création de vides lors de la construction. La poudre fusionnée par le faisceau laser dans la zone allégée peut présenter une structure treillis ou « lattice » en trois dimensions.As part of the complete production of a crankshaft 100 by a powder bed fusion technique, as illustrated in FIGS. 10A to 10C, the lightening is carried out by creating voids during construction. The powder fused by the laser beam in the lightened area can have a three-dimensional lattice or "lattice" structure.
Comme cela est schématisé aux figures 5 et 6, l’invention permet de « régler » avec précision la position du centre de gravité du contrepoids 106 dont la fonction est l’équilibrage des masses en mouvement alternatif de l’équipage pistons-bielles.As shown diagrammatically in FIGS. 5 and 6, the invention makes it possible to “adjust” with precision the position of the center of gravity of the counterweight 106 whose function is the balancing of the masses in reciprocating motion of the piston-rod assembly.
L’effort d’inertie du contrepoids étant proportionnel au produit de la masse du contrepoids par la distance AG de l’axe de rotation A au centre de gravité G du contrepoids 106, l’équilibrage est identique à celui du vilebrequin avec contrepoids plein lorsque le produit masse x AG est conservé sur la version allégée.The inertial force of the counterweight being proportional to the product of the mass of the counterweight by the distance AG of the axis of rotation A to the center of gravity G of the counterweight 106, the balancing is identical to that of the crankshaft with full counterweight when the mass x AG product is kept on the light version.
La réduction de la masse est alors compensée par l’augmentation de la distance AG.The reduction in mass is then offset by the increase in the distance AG.
Lorsque le corps principal sans contrepoids, c’est-à-dire avant ajout de matière par fabrication additive, est réalisé par forgeage, cette étape de production demande moins d’effort de mise en forme car sa géométrie est plus simple. Il y a moins également d’engagement de matière.When the main body without counterweight, that is to say before adding material by additive manufacturing, is carried out by forging, this production step requires less shaping effort because its geometry is simpler. There is also less material engagement.
Lorsque la portion 200 n’est pas pleine, la portion peut être « fermée » pour constituer une surface externe continue du contrepoids. Cela est illustré schématiquement aux figures 8 et 9 sur lesquelles on a illustré l’ajout d’une couche externe 202 « pleine » ou « fermée ».When the portion 200 is not full, the portion can be "closed" to form a continuous external surface of the counterweight. This is illustrated schematically in Figures 8 and 9 in which there is illustrated the addition of an outer layer 202 "full" or "closed".
L’état de surface de cette couche de fermeture 202 peut être non lisse et par exemple texturé, par exemple, pour améliorer le refroidissement de l’huile de lubrification par un brassage local favorisant les échanges thermiques.The surface state of this closure layer 202 can be non-smooth and for example textured, for example, to improve the cooling of the lubricating oil by local stirring promoting heat exchange.
Une telle réalisation est aisée par mise en œuvre des techniques de fabrication additive.Such an achievement is easy by implementing additive manufacturing techniques.
Comme cela est représenté schématiquement à la figure 9, la mise en œuvre d’une technique de fabrication additive permet aisément l’intégration d’un composant 204 dans une portion ou zone d’un contrepoids 106 réalisée par fabrication additive.As shown schematically in Figure 9, the implementation of an additive manufacturing technique easily allows the integration of a component 204 in a portion or area of a counterweight 106 produced by additive manufacturing.
Un tel composant 204 appartient par exemple à un système (non représenté) de mesure de paramètres représentatifs de la rotation du vilebrequin (régime, accélération, etc.).Such a component 204 belongs for example to a system (not shown) for measuring parameters representative of the rotation of the crankshaft (speed, acceleration, etc.).
Des exemples d’étapes d’une fabrication complète d’un vilebrequin 100 par la technique de fabrication additive dite de fusion sur lit de poudre sont illustrés schématiquement aux figures 10A à 10C.Examples of steps in a complete manufacture of a crankshaft 100 by the additive manufacturing technique known as powder bed fusion are illustrated diagrammatically in FIGS. 10A to 10C.
Les vues du vilebrequin 100 sont « en transparence » à travers la poudre 302. La poudre non fusionnée par le faisceau laser 304 est enlevée après fabrication.The views of the crankshaft 100 are "transparent" through the powder 302. The powder not fused by the laser beam 304 is removed after manufacture.
Une couche de poudre 302, de l’ordre de quelques dizaines de micromètres d’épaisseur, est ajoutée sur la couche précédente, ou sur le plateau 300 en ce qui concerne le dépôt de la première couche).A layer of powder 302, of the order of a few tens of micrometers thick, is added to the previous layer, or to the plate 300 as regards the deposition of the first layer).
Elle est fusionnée par le faisceau laser 304 en fonction de la géométrie désirée de la pièce finale.It is fused by the laser beam 304 according to the desired geometry of the final part.
Le plateau 302 est translaté vers le bas avant chaque ajout/dépôt d’une nouvelle couche.The plate 302 is translated downwards before each addition / deposit of a new layer.
La mise en œuvre de techniques de fabrication additive permet aussi de combiner différents matériaux dans la réalisation 5 d’un contrepoids 1 06.The use of additive manufacturing techniques also makes it possible to combine different materials in the production 5 of a counterweight 1 06.
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