Architecture des pièces mobiles moteurs

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1 Architecture des pièces mobiles moteurs L attelage mobile Attelage mobile Analyse fonctionnelle Externe de l attelage mobile Paramètres fonctionnels Externe et interne de la bielle Architecture Vilebrequin Piston Bielle Coussinets Autres Dimensionnement Exemples Octobre 2007 Cours ENSTA D3 Le Moteur Automobile C. Savalle 2 Ch 4-1 Attelage mobile 1

2 Analyse fonctionnelle Convertir l énergie thermo-mécanique en couple moteur Transformer la pression en couple Assurer l étanchéité aux gaz de combustion Assurer l étanchéité à l huile Evacuer l énergie thermique Entraîner les accessoires/démarrer Accessoires sur la courroie Autres accessoires Entraîner la distribution Respecter l oreille et limiter les vibrations Limiter les acyclismes Limiter les vibrations Limiter le bruit Octobre 2007 Cours ENSTA D3 Le Moteur Automobile C. Savalle 3 Ch 4-1 Attelage mobile Conversion de l énergie thermique Transformer la pression en couple Résister à la pression Guider le piston Guider le vilebrequin Paramètres fonctionnels Pression cylindre Régime de rotation Octobre 2007 Cours ENSTA D3 Le Moteur Automobile C. Savalle 4 Ch 4-1 Attelage mobile 2

3 Conversion de l énergie thermique Assurer l étanchéité aux gaz de combustion Permettre la compression Ne pas chasser l huile Eviter le grippage piston Eviter le gommage des pistons Eviter la dilution du carburant dans l huile Eviter le transport du carbone dans l huile Eviter l émulsion des gaz dans l huile Eviter la mise en pression du carter Limiter le débit de retour des gaz à l admission Paramètres fonctionnels Débit de fuite des gaz de combustion Quantité de carburant Quantité de carbone Octobre 2007 Cours ENSTA D3 Le Moteur Automobile C. Savalle 5 Ch 4-1 Attelage mobile Conversion de l énergie thermique Assurer l étanchéité à l huile Eviter l encrassement de la chambre Eviter d augmentation le taux de compression (cliquetis) Encrassement de la chambre, des bougies, des injecteurs Eviter l allumages intempestifs par points chauds Pollution des gaz d échappement Pollution du filtre à particule Paramètres fonctionnels Quantité d huile transportée Octobre 2007 Cours ENSTA D3 Le Moteur Automobile C. Savalle 6 Ch 4-1 Attelage mobile 3

4 Conversion de l énergie thermique Evacuer l énergie thermique Transmettre l énergie thermique au carter Transmettre l énergie thermique à l huile Garantir les jeux de fonctionnement à chaud Paramètres fonctionnels Flux thermique de la chambre de combustion Octobre 2007 Cours ENSTA D3 Le Moteur Automobile C. Savalle 7 Ch 4-1 Attelage mobile Paramètres fonctionnels Vitesse de rotation 5000tr/min diesel, 6500 tr/min essence 7500 tr/min essence sport Flux thermique : jusque 6kW Pression cylindre Faible charge de 45 au ralenti à 100bars à plein régime en diesel de 20 à 60bars en essence Pleine charge De 40 bars à 1200 tr/min à 120bars à plein régime essence De 100 bars à 1200 tr/min à 145bars en diesel HDI De 100 bars à 1200 tr/min à bars en diesel nouvelle génération Quantité d huile : 50g/h Débit de fuite des gaz de combustion : 30 à 100l/min Quantité de carburant : non spécifié Quantité de carbone : non spécifié Octobre 2007 Cours ENSTA D3 Le Moteur Automobile C. Savalle 8 Ch 4-1 Attelage mobile 4

5 Analyse fonctionnelle externe de la bielle Assurer la transformation du mouvement alternatif de l axe de piston en mouvement de rotation du maneton du vilebrequin (et réciproquement) pendant toutes les phases de fonctionnement Assurer l alimentation en huile de la bague de pied de bielle Assurer la projection d huile via la pissette de tête de bielle vers la partie haute de l attelage mobile Octobre 2007 Cours ENSTA D3 Le Moteur Automobile C. Savalle 9 Ch 4-1 Attelage mobile Spécification fonctionnelle interne de la bielle Respecter la valeur de l entraxe et son intervalle de tolérance en statique Respecter la valeur limite de variation de l entraxe en dynamique, en fonctionnement : Garantir la rigidité de la bielle Allongement et contraction maxi admissible de la bielle en fonctionnement en dynamique Aucune plastification admise sous l effet des efforts appliqués à la bielle Garantir l indivisibilité de la bielle (chapeau / au corps de bielle) effort mini de serrage dans l assemblage Garantir le jeu maxi dans la liaison bague de pied de bielle / axe de piston Diamètre maximum du pied de bielle usiné Garantir le jeu maxi dans la liaison tête de bielle / maneton Diamètre maximum du logement coussinet de tête de bielle Octobre 2007 Cours ENSTA D3 Le Moteur Automobile C. Savalle 10 Ch 4-1 Attelage mobile 5

6 Architecture Vilebrequin Descriptif Contre-poids Lubrification Process Matériau Renforcement Bielle Coussinets Piston Segments Autres Octobre 2007 Cours ENSTA D3 Le Moteur Automobile C. Savalle 11 Ch 4-1 Attelage mobile Vilebrequin Descriptif Circuit de graissage Palier butée Contrepoids Joue Bras n 6 Maneton 3 Maneton 2 Plateau (volant moteur) Nez (distribution) Tourillon 5 Maneton 4 Tourillon 4 Tourillon 1 Tourillon 2 Tourillon 3 Maneton 1 Forme en cœur Octobre 2007 Cours ENSTA D3 Le Moteur Automobile C. Savalle 12 Ch 4-1 Attelage mobile 6

7 Vilebrequin Historique Le vilebrequin est une élément vital du moteur. Le système vilebrequin bielle apparaît en En 1886, Carl Benz développa un véhicule à trois roues propulsé par un monocylindre comportant un vilebrequin avec des contrepoids. Les premiers vilebrequins étaient en acier forgé et trempé. Les contrepoids pouvait être vissés. Les moteurs comportant quatre cylindres n avaient que deux tourillons contre cinq de nos jours Le vilebrequin fonte apparaît qu en Octobre 2007 Cours ENSTA D3 Le Moteur Automobile C. Savalle 13 Ch 4-1 Attelage mobile Vilebrequin Descriptif Le vilebrequin est une série de manivelle. Il est guidé en rotation par les paliers du carter-cylindres. Il est arrêté en translation par le palier butée Les tourillons permettent à l arbre de reposer sur les paliers du carter-cylindres. Les manetons sont les portées d axes décalés par rapport à l axe principal du vilebrequin. Ils sont en liaison pivot avec les bielles. Dans le cas des moteurs en ligne, chaque maneton supporte une bielle. Pour les moteur en V, le maneton peut supporter deux bielles si si le vilebrequin n est pas à manetons décalés (comme l ES9). La position des manetons est choisi afin que le couple instantané du vilebrequin soit le plus constant possible (Angle = 720 / nb de cylindres) Octobre 2007 Cours ENSTA D3 Le Moteur Automobile C. Savalle 14 Ch 4-1 Attelage mobile 7

8 Vilebrequin Contre-poids Les contre-poids permettent d équilibrer le vilebrequin en annulant les forces et les moments induits par les masses alternatives et rotatives de limiter la déformation et d augmenter la rigidité du vilebrequin Le nombre ainsi que leur valeur est un compromis masse/rigidité. Octobre 2007 Cours ENSTA D3 Le Moteur Automobile C. Savalle 15 Ch 4-1 Attelage mobile Vilebrequin Lubrification La liaison en rotation du vilebrequin avec le carter et la liaison des bielles avec le vilebrequin sont réalisées à l aide d un palier fluide. Pour les tourillons l huile est amené par le carter. Pour les manetons, un circuit est percé dans le vilebrequin afin de prélever de l huile sur les tourillons et l amener au maneton (le tourillon du volant moteur n alimente jamais en huile le premier maneton). Il existe deux architectures possibles : 1 maneton est alimenté par 1 tourillon (1 dans 1) ou 2 manetons sont alimentés par 1 tourillon (2 dans 1) Octobre 2007 Cours Exemple ENSTA D3 d architecture Le Moteur Automobile 1 dans 1 C. Savalle 16 Exemple Ch 4-1 d architecture Attelage mobile 2 dans 1 8

9 Vilebrequin - Process Il existe trois types de matériau/process pour les vilebrequins : le vilebrequin fonte (essence et diesel peu chargé), le vilebrequin en acier (diesel et essence chargé), le vilebrequin en acier taillé masse (prototype et compétition). Vilebrequin fini Usinage Usinage Usinage Coulée Forgeage lopin lopin Fonte Acier Acier Vilebrequin fonte Vilebrequin acier Vilebrequin taillé masse (proto) Octobre 2007 Cours ENSTA D3 Le Moteur Automobile C. Savalle 17 Ch 4-1 Attelage mobile Vilebrequin Matériau Fonte Acier GSB1 GSB2 GSB3 35MV7 35MV7 38MSV5 BMC Renforcement galetage galetage (a) bainitique (TTH) (b) brut de nitruration galetage galetage galeté rupture (MPa) (a) Lf fissuration (MPa) Duret é à cœur (HB) (a) portées et étancheité (HRC) (a) Usinage difficile difficile Degré de validation sérié XUD9A série DW8 / TU / EW validation sur DW10 série XUD11BT E série DW10/12 / ES série DV Explo Octobre 2007 Cours ENSTA D3 Le Moteur Automobile C. Savalle 18 Ch 4-1 Attelage mobile 9

10 Vilebrequin Renforcement Les principaux procédés de renforcement sont : La nitruration Usure et fatigue Petite série Environnement Le galetage Tenue en fatigue La trempe par induction Tenue en fatigue Résistance à l usure Inducteur Portée Octobre 2007 Cours ENSTA D3 Le Moteur Automobile C. Savalle 19 Ch 4-1 Attelage mobile Vilebrequin Renforcement Ou? Comment? Process Usure Palier, nez du VBQ Augmenter la dureté de la surface Nitruration TTH par induction Fatigue en flexion Congés de raccordement Introduire des contraintes résiduelles de compression Nitruration Galetage TTH par induction Fatigue en torsion Trou de graissage, raccordement bras / contrepoids Octobre 2007 Cours ENSTA D3 Le Moteur Automobile C. Savalle 20 Ch 4-1 Attelage mobile 10

11 Bielle Descriptif Trou de graissage axe Pied Bague Âme Ailes Empreinte Entraxe Corps Trou de graissage fut Tête Plan de joint Chapeau Nervure Vis Octobre 2007 Cours ENSTA D3 Le Moteur Automobile C. Savalle 21 Ch 4-1 Attelage mobile Bielle Pied Le pied assure la liaison entre l axe du piston et la bielle. Deux montages de l axe sont possibles : Axe fretté : économique faible charge, essence Axe flottant : bagué, arrêt en translation Quatre architectures de pied de bielle peuvent être recensées : Pied à faces parallèles coplanaires : simple, économique motorisation essence Pied à faces parallèles non coplanaires : gain en masse alternative gain en longueur de bossage Tête de vipère : motorisations chargées Gain en surface de bossage Pied étagé : Gain équivalent à tête de vipère Plus cher Octobre 2007 Cours ENSTA D3 Le Moteur Automobile C. Savalle 22 Ch 4-1 Attelage mobile 11

12 Bielle Assemblage L assemblage entre le corps et la chapeau était réalisé avec deux boulons. Aujourd hui la tendance est l utilisation de vis. Le serrage dans le domaine élastique est abandonné au profit d un serrage dans le domaine plastique (couple d accostage + angle). Un couple d accostage Un angle à définir pour s assurer que le palier plastique est atteint Tension dans la vis Angle Accostage Angle de serrage La tension dans les vis empêche le décollement entre le chapeau et le corps, assure le frettage des coussinets et dans le cas des bielles sécables imbrique bien les parties conjuguées Octobre 2007 Cours ENSTA D3 Le Moteur Automobile C. Savalle 23 Ch 4-1 Attelage mobile Bielle Lubrification Trou de lubrification de tête : il permet de lubrifier le contact entre la jupe de piston et la chemise. le jet d huile permet d éviter le grippage piston il est alimenté par le film d huile entre le maneton et la tête de bielle. Trou de lubrification de pied : Il permet de récupérer l huile envoyée par le gicleur de fond de piston. Il est uniquement compatible avec un axe de piston monté flottant Mandoline La mandoline correspond à l espace occupée par la bielle lors d un tour moteur. Le tracé permet de détecter toutes interférence avec le carter, le piston, le gicleur Octobre 2007 Cours ENSTA D3 Le Moteur Automobile C. Savalle 24 Ch 4-1 Attelage mobile 12

13 Bielle Procédé Bielle fonte Petit moteur essence Bielle frittée simple gamme Petit moteur essence Pas d avantage par rapport à de l acier bas de gamme Bielle forgée Moteur tout type essence / diesel Bielle frittée forgée Moteur tout type essence / diesel Plus cher que le forgeage Bielle aluminium Petit moteur essence Encombrement important Sauf utilisation d aluminium à hautes caractéristiques Octobre 2007 Cours ENSTA D3 Le Moteur Automobile C. Savalle 25 Ch 4-1 Attelage mobile Bielle Matériau Dureté Grenaillage Rp0,2 Rm Lf 50% de rupture à cycles Fonte GS700 F80N4 U2D74 Fritté F80N4 U2D74 F80N4 U2D72 Classiq ue 45M5U A2BT Acier forgé Sécable XC70 XC70 50MF6 IMAMIC SPLIT ASCO / / / / / Ecart type ,5 19,6 22, ,7 Limite à -3σ Octobre 2007 Cours ENSTA D3 Le Moteur Automobile C. Savalle 26 Ch 4-1 Attelage mobile 13

14 Coussinet Descriptif Ergot Revêtement Barrière de Ni Substrat antifriction Support acier Octobre 2007 Cours ENSTA D3 Le Moteur Automobile C. Savalle 27 Ch 4-1 Attelage mobile Coussinet Fonctions Compatibilité Résistance aux micro-soudures Fusion à basse température Conformabilité ou adaptabilité Défauts d alignement Flexions d arbre et de logement Défauts de forme Couples de basculement Incrustabilité Résistance : à la fatigue à la corrosion au grippage à l usure à la cavitation Octobre 2007 Cours ENSTA D3 Le Moteur Automobile C. Savalle 28 Ch 4-1 Attelage mobile 14

15 Coussinet Types Les bimétalliques Aluminium Etain Les trimétalliques revêtus par un alliage à base de plomb Les trimétalliques revêtus par un alliage Aluminium Etain déposé par procédé Sputter Les trimétalliques revêtus par un alliage à base de Cuivre Etain Les trimétalliques revêtus par un alliage Aluminium Etain déposé par projection thermique Vilebrequin Acier non trempé Dureté : HB Acier trempé : Dureté : HRC Fonte GS non trempé : Dureté : HB Fonte GS trempé : Dureté : HRC Coussinet Bimétallique Trimétallique revêtu Pb-Sn Sputter En attente du retex OK Usure rapide, peu d'application DV, seule application connue OK OK OK OK OK A éviter, selon les fournisseurs Quelques applications (ex : XU9J4), mais usure importante Retex DV initial très négatif Pas d'application connue Octobre 2007 Cours ENSTA D3 Le Moteur Automobile C. Savalle 29 Ch 4-1 Attelage mobile Piston & segments Descriptif Embrèvement de soupape Tête Bord de bol Téton Bol Hauteur de compression Anneau porte segment Galerie Bossage Cordon de feu ou 1er cordon Gorge segment coup de feu Gorge segment étanchéité Gorge segment racleur Axe Bague Trou d axe Fond de pison Jupe Octobre 2007 Cours ENSTA D3 Le Moteur Automobile C. Savalle 30 Ch 4-1 Attelage mobile 15