FR3111702A1

FR3111702A1 - Procédé d’équilibrage du balourd d’un ensemble arbre-roue

Info

Publication number: FR3111702A1
Application number: FR2006572A
Authority: FR
Inventors: Christophe Sillon
Original assignee: Datatechnic SAS
Current assignee: Datatechnic SAS
Priority date: 2020-06-23
Filing date: 2020-06-23
Publication date: 2021-12-24
Anticipated expiration: 2040-06-23
Also published as: FR3111702B1

Abstract

L’invention concerne un procédé d’équilibrage du balourd d’un ensemble arbre-roue. Le procédé selon l’invention est mis en oeuvre sur un ensemble arbre-roue (2), comprenant une roue à aubes (4) maintenue à l’extrémité d’un arbre mécanique (6). La position du balourd de l’ensemble arbre-roue (2) est modifiée par un retrait de matière, réalisé dans une face arrière (8) de la roue à aubes (4) s’étendant radialement ou sensiblement radialement de l’arbre mécanique (6). L’invention est remarquable en ce que le retrait de matière est réalisé à l’aide d’un outil abrasif (12) se déplaçant simultanément, selon une direction radiale à l’arbre mécanique et selon une direction parallèle à l’arbre mécanique (6). Figure 5

Description

Procédé d’équilibrage du balourd d’un ensemble arbre-roue

Domaine technique auquel se rapporte l'invention

La présente invention concerne le domaine technique de l’équilibrage d’une roue à aubes par un retrait de matière. Elle concerne plus particulièrement un procédé de retrait de matière dans une face arrière d’une roue à aubes, de manière à modifier la valeur de son balourd.

Arrière-plan technologique

De façon connue, un turbocompresseur permet d’augmenter le rendement d’un moteur thermique. Un turbocompresseur comprend une roue de turbine, maintenue à une extrémité d’un arbre mécanique, et une roue de compresseur maintenue à une autre extrémité dudit arbre. La roue de turbine est placée dans le flux des gaz d’échappement du moteur, afin d’entrainer la rotation de la roue de compresseur par l’intermédiaire de l’arbre mécanique. La roue de compresseur est quant à elle placée dans le conduit d’admission du moteur, pour comprimer les gaz d’admission avant leur injection dans le moteur. La vitesse de rotation du turbocompresseur peut alors atteindre des vitesses très élevées, de l’ordre de 250 000 tours par minute. De ce fait, un mauvais équilibre entre l’arbre mécanique et la roue de turbine est susceptible de générer des vibrations, pouvant provoquer une nuisance sonore sous la forme d’un sifflement ainsi qu’une usure prématurée du turbocompresseur.

Habituellement, les roues de turbines sont des roues à aubes réalisées par fonderie. La surface brute des roues à aubes ne favorise pas son centrage précis sur l’arbre mécanique lors du soudage. De plus, la répartition du métal d’apport n’est pas non plus contrôlée précisément lors de leur soudage. L’axe de rotation de l’arbre mécanique se trouve ainsi plus ou moins décalé par rapport au centre d’inertie de la pièce soudée.

Pour cette raison, il est nécessaire de contrôler la valeur de ce décalage ou déséquilibre que l’on nomme balourd, pour chaque pièce soudée, afin de s’assurer que cette valeur soit bien comprise dans les plages de tolérance prédéfinies par les constructeurs de turbocompresseurs. Dans le cas inverse, une opération d’équilibrage est nécessaire. Cette opération consiste par exemple à ménager une cavité au niveau de la face arrière de la roue à aubes, de manière à retirer une quantité de matière suffisante pour corriger la valeur du balourd de l’ensemble arbre-roue.

Il est d’usage de réaliser le retrait de matière à l’aide d’une meule, déplacée perpendiculairement à la face arrière de la roue à aubes, de sorte que l’arête de la meule pénètre légèrement dans la face arrière de la roue à aubes pour y ménager une cavité s’étendant perpendiculairement au rayon de ladite face. La profondeur d’insertion de l’arête de la meule est très faible dans la roue à aubes, de l’ordre de quelques dixièmes de millimètres, afin de préserver les propriétés mécaniques de la roue à aubes. De ce fait, il s’avère nécessaire de réaliser plusieurs retraits successifs et contigus de matière, pour obtenir l’équilibrage souhaité. Plus précisément, entre deux retraits de matière, la roue à aubes est pivotée autour de l’arbre mécanique, afin que les retraits de matière successifs forment une cavité incurvée, similaire à la forme d’une banane s’étendant autour de l’arbre mécanique. L’usinage d’une cavité en forme de banane permet ainsi de retirer des quantités de matière plus importantes au niveau de la face arrière de la roue à aubes, tout en préservant ses propriétés mécaniques. Cette technique de retrait de matière permet avantageusement de corriger des valeurs de balourd plus importantes d’ensembles arbre-roue.

Toutefois, il s’avère que le rayon de courbure de la cavité autour de l’arbre mécanique est limité par le rayon de la meule et sa profondeur d’insertion dans la face arrière. En effet, pour obtenir une cavité sensiblement homogène, la roue à aubes doit pivoter d’un angle minimal autour de l’arbre mécanique, entre deux retraits de matière successifs. Dans le cas contraire, certaines zones de la face arrière ne sont pas retirées entre deux cavités successives, formant ainsi des échancrures au niveau des parois de la cavité. Or, la présence de ces échancrures n’est pas souhaitée, car leur présence fragilise localement la roue à aubes.

De ce fait, l’usinage d’une cavité en forme de banane ne comportant pas d’échancrure, est réalisable uniquement pour des formes peu variées de cavité, de rayon de courbure sensiblement identique. En d’autres termes, à l’heure actuelle, un usinage de cavité en forme de banane permet de corriger, dans une plage étroite de valeurs, la valeur d’un balourd d’une roue à aubes.

La présente invention vise à proposer un procédé d’équilibrage d’une roue à aubes, permettant la réalisation de cavités, notamment en forme de banane, au niveau de la face arrière de la roue à aubes, de courbure et de profondeur plus variées afin de permettre une plus large correction de la valeur du balourd de la roue à aubes.

Objet de l’invention

Pour cela, l’invention propose un procédé d’équilibrage du balourd d’un ensemble arbre-roue. L’ensemble arbre-roue comprend une roue à aubes maintenue à l’extrémité d’un arbre mécanique s’étendant le long d’un axe longitudinal. La roue à aubes comprend une face arrière s’étendant radialement ou sensiblement radialement à l’axe longitudinal. La face arrière est au moins partiellement enfoncée dans la roue à aubes. Le procédé d’équilibrage met en oeuvre une étape de retrait de matière de la roue à aubes, au niveau de sa face arrière.

L’invention est remarquable en ce que le retrait de matière est réalisé à l’aide d’un outil abrasif se déplaçant simultanément selon une direction radiale à l’axe longitudinal et selon une direction parallèle à l’axe longitudinal.

En d’autres termes, lors du procédé de retrait de matière, la meule se déplace simultanément dans un plan de travail comprenant le rayon de la face arrière de la roue à aubes et l’axe longitudinal de l’arbre mécanique ou comprenant sensiblement le rayon de la face arrière de la roue à aubes et l’axe longitudinal de l’arbre mécanique.

Pour une même valeur de correction d’un balourd d’une roue à aubes, l’invention permet avantageusement de diminuer par rapport à l’état de la technique, l’étendue tangentielle des cavités réalisées. Le procédé d’équilibrage selon l’invention est donc moins sensible aux inhomogénéités de surface présente au niveau d’une face arrière d’une roue à aubes, ce qui permet un équilibrage plus précis et donc plus juste.

Selon un autre mode de réalisation de l’invention, le procédé d’équilibrage est destiné à réaliser une cavité en forme de banane, ou sensiblement en forme de banane au niveau de la face arrière de la roue à aubes. En d’autres termes, l’étape de retrait décrite ci-dessus est de préfrence mise en oeuvre lors de la réalisation d’une cavité en forme de banane, dans la face arrière d’une roue à aubes.

Selon un autre mode de réalisation de l’invention, lors de l’étape du retrait de matière, l’outil abrasif se déplace au moins en partie, le long d’un premier segment de travail de forme rectiligne. De préférence, lors de l’étape du retrait de matière, l’outil abrasif se déplace uniquemet le long d’un premier segment de travail de forme rectiligne. À titre d’exemple non limitatif, le premier segment de travail forme un angle avec l’axe longitudinal, dont la valeur est comprise entre 60° et 90°, de préférence entre 70° et 82°.

Selon un autre mode de réalisation de l’invention, lors de l’étape de retrait de matière, l’outil abrasif se déplace au moins en partie, parallèlement ou sensiblement parallèlement à la face arrière de la roue à aubes. De préférence, lors de l’étape de retrait de matière, l’outil abrasif se déplace au moins en partie, parallèlement ou sensiblement parallèlement à la face arrière, au niveau de son enfoncement dans la roue à aubes.

Selon un autre mode de réalisation de l’invention, lors du retrait de matière, l’outil abrasif pivote autour d’un axe de pivotement coplanaire ou sensiblement coplanaire à l’axe longitudinal de l’arbre mécanique. De préférence, l’axe de pivotement forme un angle avec l’axe longitudinal de l’arbre mécanique, dont la valeur est comprise entre 80° et 90°.

Selon un autre mode de réalisation de l’invention, lors du retrait de matière, l’outil abrasif se déplace de la périphérie vers le centre de la roue à aubes.

Selon un autre mode de réalisation de l’invention, lors du retrait de matière, l’outil abrasif entame ou coupe une partie d’un bord périphérique de la roue à aubes. En d’autres termes, le retrait de matière peut être réalisé de sorte à ouvrir la cavité formée lors du procédé d’équilibrage, sur un bord périphérique de la roue à aubes. À titre d’exemple non limitatif, le bord périphérique de la roue s’étend parallèlement ou sensiblement parallèlement à l’axe longitudinal de l’arbre mécanique .

Selon un autre mode de réalisation de l’invention, l’outil abrasif est une meule.

Selon un autre mode de réalisation de l’invention, la face arrière est de forme concave, au niveau de son enfoncement dans la roue à aubes.

Bien entendu, les différentes caractéristiques, variantes et formes de réalisation mentionnées ci-dessus peuvent être associées les unes avec les autres selon diverses combinaisons, dans la mesure où elles ne sont pas incompatibles ou exclusives les unes des autres.

L’invention concerne également, un procédé d’équilibrage du balourd d’un ensemble arbre-roue, comprenant une roue à aubes maintenue à l’extrémité d’un arbre mécanique, la position du balourd de l’ensemble arbre-roue est modifiée en réalisant successivement plusieurs retraits de matière, dans une face arrière de la roue à aubes s’étendant radialement ou sensiblement radialement autour de l’arbre mécanique, chaque retrait de matière est réalisé conformément à un procédé d’équilibrage décrit ci-dessus.

Selon un autre mode de réalisation de l’invention, les retraits de matière successifs forment une cavité dans la face arrière de la roue à aubes, en forme de banane, dans un plan radial à l’axe longitudinal de l’arbre mécanique, entourant partiellement l’arbre mécanique.

De façon avantageuse, le procédé d’équilibrage décrit ci-dessus permet la réalisation de cavités en forme de banane, plus profondes dans une face arrière d’une roue à aubes, par rapport à l’état de la technique. L’invention permet donc une plus large correction de valeur du balourd d’une roue à aubes, notamment dans les roues à aubes de faible diamètre, dont le diamètre est par exemple égal ou inférieur à 35 mm.

Selon un autre avantage, on peut former des cavités en forme de banane dont l’étendue angulaire est plus faible par rapport à l’état de la technique, pour une correction d’un même balourd. Ainsi, l’invention offre une plus grande possibilité d’exécution sur les roues à aubes, d’une cavité en forme de banane.

Description des figures

L'invention sera mieux comprise, grâce à la description ci-après, qui se rapporte à des modes de réalisations préférés, donnés à titre d'exemples non limitatifs, et expliqués avec référence aux dessins schématiques annexés, dans lesquels :

illustre une coupe longitudinale d’une première étape d’un procédé d’équilibrage d’un ensemble arbre-roue selon l’invention;

illustre une coupe longitudinale d’une étape ultérieure du procédé d’équilibage représenté sur la figure 1 ;

illustre une coupe longitudinale et partielle d’un ensemble arbre-roue, comportant une cavité ménagée dans une face arrière de la roue à aubes, selon le procédé d’équilibrage illustré par les figures 1 et 2 ;

illustre une coupe longitudinale d’une étape ultérieure du procédé d’équilibage représenté sur la figure 2 ;

illustre une coupe longitudinale d’une première étape d’une variante de réalisation d’un procédé d’équilibrage d’un ensemble arbre-roue selon l’invention ;

illustre une coupe longitudinale d’une étape ultérieure du procédé d’équilibage représenté sur la figure 5 ;

illustre une coupe longitudinale et partielle d’un ensemble arbre-roue, comportant une cavité ménagée dans une face arrière de la roue à aubes, selon le procédé illustré par les figures 5 et 6 ;

illustre une vue de dessous d’une face arrière d’une roue à aubes comprenant une cavité en forme de banane, obtenue en mettant en oeuvre plusieurs fois l’un des procédés d’équilibrage illustré par les figures 1 et 2 ou 5 et 6.

Description détaillée de l’invention

Pour rappel, l’invention propose un procédé d’équilibrage d’une roue à aubes, permettant la réalisation d’une cavité au niveau de la face arrière de la roue à aubes, de formes et de profondeurs plus variées.

Les figures 1 à 3 illustrent un premier mode de réalisation d’un procédé d’équilibrage d’un ensemble arbre-roue 2 selon l’invention. Comme illustré par la figure 1, l’ensemble arbre-roue 2 se compose d’une roue à aubes 4 maintenue à l’extrémité d’un arbre mécanique 6 au niveau d’une face arrière 8 de ladite roue. Selon le présent exemple, la face arrière est sensiblement normale à l’axe longitudinal 10 de l’arbre mécanique 6. L’équilibrage de l’ensemble arbre-roue est réalisé en effectuant un retrait de matière au niveau de la face arrière 8.

Le retrait de matière est réalisé à l’aide d’une outil abrasif 12, comme une meule partiellement représentée sur les figures. Selon le présent exemple, la meule pivote autour d’un axe de pivotement 14 normal ou sensiblement normal à l’axe longitudinal 10 de l’arbre mécanique 6. De préférence, l’axe de pivotement 14 et l’axe longitudinal 10 sont coplanaires.

Une première étape de l’équilibrage illustrée par la figure 1 consiste à appliquer le bord périphérique 16 de la meule en rotation, contre la face arrière 8 de la roue à aubes. Le bord périphérique 16 de la meule entre en contact avec la roue à aubes au niveau d’une zone située à la périphérie de la face arrière 8. De préférence, la meule 12 commence à abraser la face arrière au niveau d’un bord distal 18 d’une zone de retrait 20 de matière. Par les termes “bord distal”, on entend ici le bord de la zone de retrait 20 qui est le plus éloigné de l’arbre mécanique 6. La zone de retrait 20 est imposée par le fabricant de la roue à aubes, de manière à garantir les propriétés mécaniques de la roue à aubes à l’issue d’un procédé d’équilibrage.

Selon une deuxième étape illustrée par la figure 2, la meule 12 est déplacée le long d’un premier segment 22 de travail, de la périphérie de la roue à aubes à l’arbre mécanique 6, de sorte à former une cavité. Le premier segment 22 de travail est de forme droite ou rectiligne et forme un angle α avec l’axe longitudinal 10 de l’arbre mécanique. La valeur de l’angle α peut être choisie en fonction de la profondeur de la zone de retrait 20, de manière par exemple à privilégier la réalisation d’une cavité 24 profonde et d’étendue radiale faible comme illustrée par la figure 3. À titre d’exemples non limitatifs, la valeur de l’angle α peut être comprise entre 60° et 90°, de préférence entre 70° et 82°.

Selon une variante de réalisation illustrée par la figure 4, dans le cas où le retrait de matière n’est pas suffisant, la meule 12 est déplacée le long d’un deuxième segment 26 de travail, de la périphérie de la roue à aubes à l’arbre mécanique 6, de sorte à étendre radialement la cavité 24. Si nécessaire, la cavité 24 peut être étendue radialement jusqu’au bord proximal 28 de la zone de retrait 20 comme illustré par la figure 4. De préférence, le deuxième segment 26 de travail est parallèle au fond 30 de la zone de retrait ou à la face arrière 8 de la roue à aubes. Dans le cas présent, le deuxième segment 26 est de forme droite et normale ou sensiblement normale à l’axe longitudinal 10 de l’arbre mécanique 6. On obtient ainsi une cavité 24 radialement plus étendue, permettant un équilibrage plus important de l’ensemble arbre-roue par rapport à l’exemple précédent.

Les figures 5 à 7 illustrent une autre variante de réalisation d’un procédé d’équilibrage selon l’invention. Cette variante de réalisation se distingue de la précédente en ce que la face arrière 8 de la roue à aubes a un profil de forme concave ou sensiblement concave dans un plan longitudinal à l’arbre mécanique 6.

Comme illustré par la figure 5, une première étape de l’équilibrage consiste à appliquer le bord périphérique 16 de la meule en rotation contre la face arrière 8 de la roue à aubes. Le bord périphérique 16 de la meule entre en contact avec la roue à aubes au niveau d’une zone située à la périphérie de la face arrière 8. De préférence, la meule 12 commence à abraser la face arrière au niveau d’un bord distal 18 d’une zone de retrait 20 de matière.

Selon une deuxième étape illustrée par la figure 6, la meule 12 est déplacée le long d’un segment 22 de travail, de la périphérie de la roue à aubes vers l’arbre mécanique 6, de sorte à former une cavité 24. Le premier segment 22 de travail est de forme droite ou rectiligne et forme un angle α avec l’axe longitudinal 10 de l’arbre mécanique. La valeur de l’angle α peut être choisie en fonction de la profondeur de la zone de retrait 20, de manière par exemple à privilégier la réalisation d’une cavité profonde et d’étendue radiale importante comme illustrée par la figure 7. À titre d’exemples non limitatifs, la valeur de l’angle α peut être comprise entre 60° et 85°. De préférence, le premier segment 22 de travail est parallèle ou sensiblement parallèle au fond 30 de la zone de retrait 20 imposée par le fabricant de la roue à aubes 4.

La figure 8 illustre une variante de réalisation d’un procédé d’équilibrage selon l’invention. Selon cette variante, l’un des procédés d’équilibrage décrit ci-dessus est répété plusieurs fois de suite. Entre chaque procédé d’équilibrage, la meule 12 et/ou l’ensemble arbre-roue 4 sont pivotés légèrement l’un par rapport à l’autre, de manière à permettre à la meule d’étendre la cavité 24 autour de l’arbre mécanique 6, comme illustré par la figure 8. De façon avantageuse, les procédés d’équilibrage décrits ci-dessus permettent la réalisation de cavité en forme de banane, d’étendue angulaire plus faible par rapport à l’état de la technique, pour une même de correction de valeur de balourd.

En d’autres termes, le mouvement radial de la meule permet de former des cavités de forme courbe et régulière dans un plan radial à l’arbre mécanique 6. En effet, contrairement à l’état de la technique, le rayon de courbure R des cavités en forme de banane n’est pas limité par les dimensions de la meule. Ainsi, les procédés d’équilibrage selon l’invention permettent la réalisation de cavités de forme et de dimensions nettement plus variées par rapport à l’état de la technique, et pour une même étendue angulaire, la réalisation de cavité de profondeur plus importante.

Claims

Procédé d’équilibrage du balourd d’un ensemble arbre-roue (2), comprenant une roue à aubes (4) maintenue à l’extrémité d’un arbre mécanique (6) s’étendant le long d’un axe longitudinal (10), la roue à aubes (2) comprenant une face arrière (8) s’étendant radialement ou sensiblement radialement à l’axe longitudinal (10), la face arrière (8) étant au moins partiellement enfoncée dans la roue à aubes (2), le procédé d’équilibrage mettant en oeuvre une étape de retrait de matière de la roue à aubes au niveau de sa face arrière (8), caractérisé en ce que le retrait de matière est réalisé à l’aide d’un outil abrasif (12) se déplaçant simultanément selon une direction radiale à l’axe longitudinal (10) et selon une direction parallèle à l’axe longitudinal (10).
Procédé d’équilibrage selon la revendication 2, caractérisé en ce que lors de l’étape de retrait de matière, l’outil abrasif (12) se déplace au moins en partie, le long d’un premier segment (22) de travail de forme rectiligne, le premier segment de travail (22) forme un angle (α) avec l’axe longitudinal (10) dont la valeur est comprise entre 60° et 90°.
Procédé d’équilibrage selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que lors de l’étape de retrait de matière, l’outil abrasif (12) se déplace au moins en partie, parallèlement ou sensiblement parallèlement à la face arrière (8) de la roue à aubes (4).
Procédé d’équilibrage selon la revendication 3, caractérisé en ce que lors de l’étape de retrait de matière, l’outil abrasif (12) se déplace au moins en partie, parallèlement ou sensiblement parallèlement à la face arrière (8), au niveau de son enfoncement dans la roue à aubes (4).
Procédé d’équilibrage selon l’une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que lors du retrait de matière, l’outil abrasif (12) pivote autour d’un axe de pivotement (14) coplanaire ou sensiblement coplanaire à l’axe longitudinal (10) de l’arbre mécanique (6).
Procédé d’équilibrage selon l’une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que lors du retrait de matière, l’outil abrasif (12) se déplace de la périphérie vers le centre de la roue à aubes (4).
Procédé d’équilibrage selon l’une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que lors du retrait de matière, l’outil abrasif entame ou coupe une partie d’un bord périphérique de la roue à aubes
Procédé d’équilibrage selon l’une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la face arrière (8) est de forme concave, au niveau de son enfoncement dans la roue à aubes (2).
Procédé d’équilibrage du balourd d’un ensemble arbre-roue (2), comprenant une roue à aubes (4) maintenue à l’extrémité d’un arbre mécanique (6), caractérisé en ce que la position du balourd de l’ensemble arbre-roue (2) est modifiée en réalisant successivement plusieurs retraits de matière dans une face arrière (8), la face arrière (8) s’étendant radialement ou sensiblement radialement autour de l’arbre mécanique (6), et en ce que chaque retrait de matière est réalisé conformément à un procédé d’équilibrage selon l’une des revendications 1 à 8.
Procédé d’équilibrage selon la revendication 9, caractérisé en ce que les retraits de matière successifs réalisés dans la face arrière (8) de la roue à aubes (4), forment dans un plan radial à l’axe longitudinal (10) de l’arbre mécanique (6), une cavité (24) en forme de banane, la cavité (24) entourant partiellement l’arbre mécanique (6).