Résumé ANALYSE VIBRATOIRE ET OPTIMISATION D UN RESSORT DE SOUPAPE. Département Ressort Usine 1 22, route de Lobsann MERKWILLER- PECHELBRONN

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1 Département Ressort Usine 1 22, route de Lobsann MERKWILLER- PECHELBRONN INSA STRASBOURG 24 Boulevard de la victoire Strasbourg Résumé ANALYSE VIBRATOIRE ET OPTIMISATION D UN RESSORT DE SOUPAPE Session juin

2 1. Contexte de l étude Dans le cadre de son programme Recherche et développement, ISRI France s intéresse à étudier le comportement dynamique des ressorts de soupapes fabriqués sur site. Une série de projets de fin d études programmés a été proposée à des élèves ingénieurs de l INSA de Strasbourg. A l issue de ces études, un programme de calcul dynamique des contraintes dans le fil du ressort a été développé. Ce logiciel a permis de voir si les ressorts fabriqués respectent les contraintes limites du matériau utilisé et servent aussi de support d étude pour les clients. Cependant, les études effectuées s intéressaient beaucoup plus au comportement dynamique sans pour autant prêter d attention à l aspect vibratoire. En effet, au cours d un cycle moteur, le ressort est comprimé et relâché grâce à la rotation de la came. A certains régimes, des harmoniques de la loi de levée peuvent apparaître et donner naissance à des vibrations entraînant l affolement du ressort. Une attention particulière est prêtée à l harmonique 10, fréquence dangereuse pour le ressort. Cette dernière doit être repoussée au-delà du régime de coupure du moteur. Ainsi mon projet de fin d étude sera axé sur l analyse vibratoire du ressort de soupape et finira par le développement et l amélioration du logiciel qui, au-delà des contraintes, fournit des informations sur l emplacement des harmoniques dangereux. Le but étant de concevoir un ressort dont le comportement vibratoire dangereux, s il existe, doit avoir lieu au-delà du régime de coupure défini préalablement par le client. 2

3 Contraintes en MPa PROJET DE FIN D ETUDES 2. Présentation du logiciel de calcul dynamique Les PFE réalisés chez ISRI France ont permis l élaboration d un logiciel de calcul dynamique permettant de prédire l évolution des contraintes maximale et minimale du ressort en fonction du régime moteur. Le programme est constitué de deux classeurs Excel, un pour calculer les constantes relatives au ressort (raideur, masses, contrainte maximale admissible ) et un deuxième classeur où ces constantes sont intégrés manuellement pour effectuer le calcul dynamique. Une fois le calcul dynamique terminé, les résultats concernant l évolution des contraintes dynamiques en fonction du régime moteur s affichent comme suit : Courbes de contraintes dynamiques Régime moteur en Tr/min TKP1 en Mpa TKP2 en Mpa ΔTKP en Mpa Limite en Mpa On remarque une évolution presque stable des contraintes dans le ressort jusqu à un certain régime après lequel apparaissent des variations considérable d amplitude de contrainte. Cependant, certains pics de contraintes correspondent à des régimes moteur où coïncident des harmoniques dangereux de la loi de levée. Il se peut que ces régimes soient inférieurs au régime maximal du moteur, auquel cas la distribution sera perturbée par un dysfonctionnement du ressort de soupape. Ce logiciel n intègre pas l aspect vibratoire du ressort de soupape à certains régimes. Ainsi mon projet de fin d étude aura pour principale mission d améliorer ce logiciel en y intégrant l étude vibratoire (calcul de fréquence propre, raideur et masse équivalentes ). Cette amélioration du logiciel permettra une optimisation du dimensionnement du ressort de soupape. 3

4 3. Analyse vibratoire a. Étude de la distribution Le ressort étant un maillon clé de la distribution, il serait donc important d étudier l influence des éléments de la distribution sur son comportement vibratoire. Cette analyse est cependant assez large et sort du contexte de l étude car le système d étude reste tout de même le ressort. Dans cette partie, tous les éléments de la distribution seront définis (soupape, came, actionneur et ressort de soupape Figure 1). Nous mettrons en évidence l influence des masses et inerties mis en mouvement lors d une levée de soupape, l influence de la raideur équivalente de tout le système de distribution. Viendra ensuite l étude de la loi de levée ainsi que les problèmes générés par sa dynamique. La loi de levée étant la source d émission des harmoniques dangereux, nous démontrerons à quel régime l harmonique 10 apparait. En effet cet harmonique est considéré par certains motoristes comme étant très dangereux au bon fonctionnement du moteur. Figure 1 : Éléments de la distribution d'un moteur thermique b. Étude du ressort de soupape Le ressort de soupape est l objet du projet de fin d étude. Afin de relever des informations sur son aspect vibratoire, nous allons dans un premier temps l assimiler à un barreau cylindrique afin de pouvoir calculer ses fréquences propres. Ensuite, nous allons discrétiser le ressort de manière à établir les équations de mouvement de chaque spire. La mise en équation sera intégrée sous un logiciel de calcul (MAPLE) qui fournira toutes les fréquences propres du système. Grâce à la discrétisation, nous allons pouvoir déterminer la raison pour laquelle le placement des harmoniques dangereux coïncide avec des régimes ou le ressort enregistre des pics de contraintes. En effet, la mise en équation du déplacement des spires du ressort donne l expression de l effort de rappel. 4

5 4. Expériences Une série d expériences vient s associer à mon étude du comportement vibratoire du ressort de soupape. Une simulation par élément finis a été effectuée dans le but d étudier l influence des masses mises en mouvement lors d une levée ainsi que l influence du détarage du ressort (principe de réduire la charge du ressort lors de sa mise en place) a. Influence des masses Cette étude permet de visualiser à la fois la cinématique de la soupape à différents régimes et permet aussi de mettre en évidence l amplitude de vibration de la spire moyenne, la spire au milieu du ressort. L étude montre que la masse mise en mouvement, comparée au reste de la distribution n a pas d influence majeure sur l amplitude de vibration dans le ressort. En effet, l expérience montre qu en doublant la masse mise en mouvement, l amplitude de vibration de la spire moyenne augmente seulement de 2% ce qui est tout à fait négligeable. Concernant les efforts, la différence est quasiment nulle (environ 0,2%) b. Influence du détarage Lors de cette expérience, un essai a été effectué sur un ressort de manière à réduire sa précharge (charge soumise au ressort lors de sa mise en place). La charge du ressort a été réduite de 15% et les résultats semblent ne pas être très intéressants car se faisant le ressort s affole à un régime moteur inférieur. En effet, dans sa version initiale, la distribution demeure stable jusqu à 5500 tr/min alors qu en réduisant sa charge de 15%, elle ne l est que jusqu à 5300 tr/min. La réduction de la précharge du ressort peut provoquer éventuellement une ouverture de la soupape en cas de contre pression dans les conduits. 5

6 Contraintes [MPa] PROJET DE FIN D ETUDES 5. Amélioration du logiciel de calcul a. Principe de la démarche La démarche entreprise dans l ancienne version du logiciel consistait à concevoir un ressort tout en respectant les contraintes limites. Le ressort reste tout de même susceptible de s affoler à des régimes inférieurs au régime maximal du moteur. La logique suivie lors de cette amélioration est de partir d un régime maximal (défini par le motoriste) afin de définir une fréquence limite au-delà de laquelle devra se placer obligatoirement la première fréquence propre du ressort. Ainsi le ressort sera conçu en respectant à la fois les contraintes limites et les contraintes vibratoires. Avec ce dimensionnement, on est sur que le ressort aura un comportement stable jusqu à son régime de coupure et que l harmonique 10 de la loi de levée se placera après ce régime. b. Amélioration du logiciel Grâce à cette démarche, le logiciel de calcul dynamique s est vu amélioré tan sur le plan technique (intégration des paramètres fréquentiels) que sur le plan pratique (interface plus intuitive). L exemple d un ressort amélioré a été intégré à l étude dont voici le résultat : Courbes de contraintes dynamiques Régime moteur [tr/min] TKP1 "Contrainte mini" [Mpa] TKP2 "Contrainte maxi" [Mpa] ΔTKP en Mpa Limite matériau en Mpa Figure 2 Résultats du comportement dynamique et vibratoire du ressort amélioré A l aide de ce nouveau logiciel, on voit bien que l harmonique 10 a été repoussée au-delà du régime maximal du moteur (défini à 5200 tr/min par le motoriste). 6

7 6. Conclusion Les études réalisées lors de ce projet ont été déterminants en réponse à la problématique d ISRI. L optimisation du logiciel de calcul a été l élément clé de cette étude. Ainsi, cette amélioration permettra de concevoir des ressorts optimisés tant sur le plan dynamique que vibratoire. Indépendamment des éléments de distribution, l aspect vibratoire du ressort de soupape peut éventuellement être optimisé par l utilisation de certains matériaux adéquats. La nitruration semble être un procédé intéressant. 7