FR2720809A1 - Method of mfg. crankshaft for multicylinder IC engine - Google Patents
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Abstract
Description
PROCEDE DE FABRICATION D'UN VILEBREOUIN DE
MOTEUR A COMBUSTION INTERNE MULTICYLINDRE ET
VILEBREOUIN OBTENU PAR CE PROCEDE
La présente invention concerne un procédé de fabrication d'un vilebrequin de moteur à combustion interne multicylindre destiné notamment à équiper un véhicule automobile. L'invention concerne plus particulièrement un procédé de fabrication permettant d'améliorer l'équilibrage du vilebrequin. L'invention a également trait à un vilebrequin de moteur à combustion interne obtenu par un tel procédé.PROCESS FOR MANUFACTURING A CRANKSHAFT
MULTICYLINDER INTERNAL COMBUSTION ENGINE AND
CRANKSHAFT OBTAINED BY THIS PROCESS
The present invention relates to a method of manufacturing a crankshaft of a multi-cylinder internal combustion engine intended in particular to equip a motor vehicle. The invention relates more particularly to a manufacturing method for improving the balancing of the crankshaft. The invention also relates to a crankshaft of an internal combustion engine obtained by such a method.
Le vilebrequin ou arbre moteur d'un moteur à combustion multicylindre reçoit la poussée des bielles et 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 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'axe ou tourillons placées en ligne destinées à venir tourner dans des paliers correspondant du cartercylindres. Les manetons formant 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. Conventionally, the crankshaft of an internal combustion engine has spans of axis or trunnions placed in line intended to come to rotate in corresponding bearings of the cylinder block. The crank pins forming 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 servant à l'équilibrage statique et dynamique des équipages mobiles formés par les différents ensembles maneton-bielle-piston. Chaque contrepoids est porté par au moins l'un des bras supportant le maneton correspond à l'opposé de ce dernier par rapport au tourillon. In addition, the crankshaft is provided with counterweights used for static and dynamic balancing of the moving parts formed by the different crankpin-rod-piston assemblies. Each counterweight is carried by at least one of the arms supporting the pin corresponds to the opposite of 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 engine and resistant couples .
I1 en résulte donc que le vilebrequin est soumis à des efforts importants de torsion et de flexion qui sont transmis au bloc carter-cylindres par l'intermédiaire des paliers du vilebrequin. Un mauvais équilibrage peut donc conduire à générer des vibrations importantes, notamment au niveau du palier central qui est le plus sollicité du fait du fléchissement longitudinal du vilebrequin, vibrations qui sont susceptibles de provoquer la rupture des pièces mécaniques par fatigue. I1 therefore follows that the crankshaft is subjected to significant torsional and bending forces which are transmitted to the cylinder block through the crankshaft bearings. Poor balancing can therefore lead to the generation 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, vibrations which are liable to cause the mechanical parts to rupture by fatigue.
L'équilibrage du vilebrequin est opéré grâce à une conception particulièrement soignée de la pièce en recourant notamment aux calculs par éléments finis. Les techniques de fabrication des vilebrequins (actuellement coulés en fonte GS ou forgés en acier, avec reprise par usinage des surfaces de portée) ne permettent pas, toutefois, d'obtenir directement des pièces parfaitement équilibrées, cela conduit donc à procéder à une opération d'équilibrage final des vilebrequins aux moyens de bancs d'équilibrage. The crankshaft is balanced by a particularly careful design of the part, notably using finite element calculations. The manufacturing techniques of the crankshafts (currently cast in GS cast iron or forged in steel, with recovery by machining of the bearing surfaces) do not, however, allow to directly obtain perfectly balanced parts, this therefore leads to an operation of final balancing of crankshafts by means of balancing benches.
Ces machines d'équilibrage opèrent la rotation du vilebrequin et détectent les éventuels balourds résultant d'une répartition non uniforme des masses. Le contrôle du balourd est opéré en général par demi-vilebrequin. Le balourd détecté est ensuite corrigé classiquement par enlèvement de matière aux moyens de perceuses qui opèrent un ou plusieurs trous calibrés dans le ou les contrepoids dans lequel est situé le balourd excédentaire. La correction est réalisée par itérations successives jusqu'à l'obtention d'un vilebrequin parfaitement équilibré. These balancing machines operate the rotation of the crankshaft and detect any imbalances resulting from a non-uniform distribution of the masses. The unbalance control is generally operated by a half crankshaft. The unbalance detected is then conventionally corrected by removing material by means of drills which operate one or more calibrated holes in the counterweight (s) in which the excess unbalance is located. The correction is carried out by successive iterations until a perfectly balanced crankshaft is obtained.
Cette méthode d'équilibrage des vilebrequins, par perçage sur tout ou partie des contrepoids, peut dans certains cas particuliers conduire à l'allégement d'un ou plusieurs contrepoids bien au-delà de la masse critique de l'équipage mobile maneton-bielle-piston qu'il doit équilibrer, ce qui provoque alors, lors du fonctionnement du moteur, des vibrations particulièrement dommageables au niveau du palier ou des paliers correspondants notamment lorsqu'il s'agit du palier central. This method of balancing the crankshafts, by drilling on all or part of the counterweights, can in certain special cases lead to the reduction of one or more counterweights well beyond the critical mass of the crankpin-connecting rod mobile equipment- piston which it must balance, which then causes, when the engine is running, vibrations which are particularly damaging at the level of the bearing or of the corresponding bearings, in particular when it is a question of the central bearing.
La présente invention a donc pour objet un procédé de fabrication d'un vilebrequin de moteur à combustion interne remédiant aux inconvénients de l'art antérieur précité en ce qu'il évite notamment tout perçage et donc tout allégement des contrepoids centraux lors de l'opération finale d'équilibrage au banc. The present invention therefore relates to a method of manufacturing an internal combustion engine crankshaft overcoming the drawbacks of the aforementioned prior art in that it notably avoids any drilling and therefore any reduction of the central counterweights during the operation. final bench balancing.
Le procédé de fabrication selon l'invention d'un vilebrequin pour un moteur à combustion interne multicylindre, comprend une première étape d'obtention d'un arbre brut comportant des tourillons, des manetons réunis aux tourillons par des bras et des contrepoids portés par ces bras à l'opposé des manetons, une seconde étape d'usinage des surfaces de portée des tourillons et des manetons et une troisième étape d'équilibrage par perçage des contrepoids. The manufacturing method according to the invention of a crankshaft for a multi-cylinder internal combustion engine, comprises a first step of obtaining a raw shaft comprising journals, crank pins joined to the journals by arms and counterweights carried by these arm opposite to the crankpins, a second step of machining the bearing surfaces of the pins and the crankpins and a third step of balancing by drilling the counterweights.
Selon l'invention, le procédé de fabrication d'un vilebrequin est caractérisé en ce que lors de l'une des étapes précédant la troisième étape d'équilibrage, les contrepoids adjacents aux tourillons disposés aux deux extrémités axiales de l'arbre sont alourdis par rapport aux autres contrepoids de façon à présenter systématiquement des balourds supérieurs à ceux desdits autres contrepoids, de façon que lors de ladite troisième étape seuls lesdits contrepoids extrêmes soient percés. According to the invention, the method of manufacturing a crankshaft is characterized in that during one of the steps preceding the third balancing step, the counterweights adjacent to the pins arranged at the two axial ends of the shaft are weighed down by compared to the other counterweights so as to systematically present imbalances greater than those of said other counterweights, so that during said third step only said extreme counterweights are pierced.
Selon une autre caractéristique du procédé de fabrication d'un vilebrequin objet de l'invention, les contrepoids extrêmes sont réalisés de façon à présenter sensiblement le même balourd excédentaire lors de la première étape d'obtention de l'arbre brut. According to another characteristic of the method for manufacturing a crankshaft which is the subject of the invention, the extreme counterweights are produced so as to present substantially the same excess unbalance during the first step of obtaining the raw shaft.
Selon une autre caractéristique du procédé de fabrication d'un vilebrequin objet de l'invention, les balourds excédentaires apportés aux contrepoids extrêmes lors de ladite première étape d'obtention de l'arbre brut sont calculés en prenant en compte les variations maximales de balourds sur les différents contrepoids résultant des tolérances de fabrication utilisées lors des deux premières opérations. According to another characteristic of the method for manufacturing a crankshaft which is the subject of the invention, the excess unbalances brought to the extreme counterweights during said first step of obtaining the raw shaft are calculated by taking into account the maximum variations in unbalances on the different counterweights resulting from the manufacturing tolerances used during the first two operations.
Selon une autre caractéristique du procédé de fabrication d'un vilebrequin objet de l'invention, lors de la première étape d'obtention de l'arbre brut, ce dernier est conformé de façon à ce que les tourillons, les manetons, les contrepoids et les bras soient disposés sensiblement symétriquement d'une part par rapport à un premier plan s'étendant perpendiculairement à l'axe longitudinal du vilebrequin et passant par le centre du tourillon central et d'autre part par rapport à un second plan passant par l'axe longitudinal du vilebrequin. According to another characteristic of the method for manufacturing a crankshaft which is the subject of the invention, during the first step of obtaining the raw shaft, the latter is shaped so that the journals, the crankpins, the counterweights and the arms are arranged substantially symmetrically on the one hand with respect to a first plane extending perpendicular to the longitudinal axis of the crankshaft and passing through the center of the central journal and on the other hand with respect to a second plane passing through the longitudinal axis of the crankshaft.
L'invention concerne également un vilebrequin pour un moteur à combustion interne du type présentant une pluralité de cylindres identiques, comprenant des tourillons, des manetons aux tourillons par des bras et des contrepoids portés par les bras à l'opposé des manetons. The invention also relates to a crankshaft for an internal combustion engine of the type having a plurality of identical cylinders, comprising trunnions, crank pins to the trunnions by arms and counterweights carried by the arms opposite the crank pins.
Le vilebrequin objet de l'invention est caractérisé en ce que les contrepoids adjacents aux tourillons disposés aux deux extrémités axiales, sont réalisés de façon à présenter des balourds prédéterminés supérieurs à ceux des autres contrepoids. The crankshaft which is the subject of the invention is characterized in that the counterweights adjacent to the pins arranged at the two axial ends, are made so as to have predetermined unbalances greater than those of the other counterweights.
Selon , une autre caractéristique du vilebrequin objet de l'invention, les tourillons, les manetons, les contrepoids et les bras sont disposés sensiblement symétriquement d'une part par rapport à un premier plan s'étendant perpendiculairement à l'axe longitudinal du vilebrequin et passant par le centre du tourillon central et d'autre part par rapport à un second plan passant par l'axe longitudinal du vilebrequin. According to another characteristic of the crankshaft which is the subject of the invention, the journals, the crankpins, the counterweights and the arms are arranged substantially symmetrically on the one hand with respect to a first plane extending perpendicular to the longitudinal axis of the crankshaft and passing through the center of the central journal and on the other hand relative to a second plane passing through the longitudinal axis of the crankshaft.
On comprendra mieux les buts, aspects et avantages de la présente invention, d'après la description présentée ci-après d'un mode de réalisation de l'invention, donné à titre d'exemple non limitatif, en se référant au dessin annexé, dans lequel
la figure 1 est une vue de face d'un vilebrequin obtenu selon le procédé objet de l'invention.The aims, aspects and advantages of the present invention will be better understood from the description presented below of an embodiment of the invention, given by way of nonlimiting example, with reference to the attached drawing, in which
Figure 1 is a front view of a crankshaft obtained according to the method of the invention.
Seuls les éléments nécessaires à la compréhension de l'invention ont été représentés. Only the elements necessary for understanding the invention have been shown.
On a représenté sur la figure 1 une vue d'un vilebrequin à 5 tourillons et 4 manetons destiné à équiper un moteur à combustion interne du type à 4 cylindres en ligne. Ce vilebrequin est constitué par un arbre 2 obtenu par fonderie ou par forgeage qui comprend des portées d'axe ou tourillons placées en ligne destinées à venir tourner dans des paliers correspondant du cartercylindres du moteur. Les manetons formant les axes des têtes de bielles sont solidaires de tourillons par des bras s'étendant sensiblement perpendiculairement à l'axe longitudinal du vilebrequin. Par ailleurs, les bras sont munis de contrepoids servant à l'êguilibrage statique et dynamique des équipages mobiles formés par les différents ensembles maneton-bielle-piston. There is shown in Figure 1 a view of a crankshaft with 5 journals and 4 crank pins intended to equip an internal combustion engine of the type with 4 cylinders in line. This crankshaft is constituted by a shaft 2 obtained by foundry or by forging which includes spans of axis or trunnions placed in line intended to come to rotate in corresponding bearings of the crankcase of the engine. The crank pins forming the axes of the connecting rod heads are secured to pins by arms extending substantially perpendicular to the longitudinal axis of the crankshaft. Furthermore, the arms are provided with counterweights serving for the static and dynamic balancing of the moving parts formed by the different crankpin-rod-piston assemblies.
On a ainsi, en partant d'une extrémité de l'arbre, un tourillon T1 extrême, puis un tourillon intermédiaire T2, puis un tourillon central T3, puis un tourillon intermédiaire T4 et enfin un tourillon extrême T5. Entre ces 5 tourillons sont disposés 4 manetons, un maneton extrême M1 puis deux manetons intermédiaires M2 et M3 à 180 degrés par rapport au maneton M1 et enfin le maneton extrême M4 dans la même position que le maneton Ml. There is thus, starting from one end of the shaft, an extreme journal T1, then an intermediate journal T2, then a central journal T3, then an intermediate journal T4 and finally an extreme journal T5. Between these 5 pins are arranged 4 crank pins, an extreme crank pin M1 then two intermediate crank pins M2 and M3 at 180 degrees relative to the crank pin M1 and finally the extreme crank pin M4 in the same position as the crank pin Ml.
Chaque maneton M1,M2,M3,M4 est réuni aux tourillons adjacents respectivement T1,T2 ; T2,T3 ; T3,T4 ;
T4,T5 par des bras s'étendant sensiblement perpendiculairement à l'axe longitudinal de l'arbre 2, respectivement Bll,B12 B2 ; B22,B23 ; B33,B34 ;
B44,B45.Each crank pin M1, M2, M3, M4 is joined to the adjacent pins respectively T1, T2; T2, T3; T3, T4;
T4, T5 by arms extending substantially perpendicular to the longitudinal axis of the shaft 2, respectively B11, B12 B2; B22, B23; B33, B34;
B44, B45.
L'équilibrage des équipages mobiles formés par les différents ensembles maneton-bielle-piston est opéré par quatre contrepoids
CTP1,CTP4,CTP2,CTP3 disposés respectivement sur les deux bras extrêmes Bll,B45 et sur les deux bras
B23,B33 adjacents au tourillon central T3, ces contrepoids étant sensiblement opposés aux manetons correspondants respectivement M1,M4,M2,M3. The balancing of the moving parts formed by the different crankpin-rod-piston assemblies is effected by four counterweights
CTP1, CTP4, CTP2, CTP3 arranged respectively on the two extreme arms Bll, B45 and on the two arms
B23, B33 adjacent to the central pin T3, these counterweights being substantially opposite to the corresponding crank pins M1, M4, M2, M3 respectively.
Le vilebrequin 1 est conformé de façon à ce que les tourillons, les manetons, les contrepoids et les bras observent une double symétrie plane : à la fois une symétrie par rapport à un premier plan s'étendant perpenàiculairement à l'axe longitudinal du vilebrequin et passant par le centre du tourillon central T3 et d'autre part par rapport & un second plan passant par l'axe longitudinal du vilebrequin. The crankshaft 1 is shaped so that the trunnions, the crank pins, the counterweights and the arms observe a double plane symmetry: both a symmetry with respect to a first plane extending perpenicularly to the longitudinal axis of the crankshaft and passing through the center of the central journal T3 and on the other hand relative to a second plane passing through the longitudinal axis of the crankshaft.
Le procédé de fabrication du vilebrequin est opéré essentiellement en trois étapes : une première étape d'obtention de l'arbre 2 brut par exemple par moulage de fonte ou encore par forgeage d'un pièce d'acier, une seconde étape d'usinage des surfaces de portée des tourillons et des manetons complétée éventuellement d'un traitement thermique de ces surfaces et enfin une troisième étape d'équilibrage par perçage des contrepoids. The crankshaft manufacturing process is essentially carried out in three stages: a first stage of obtaining the crude shaft 2 for example by casting cast iron or by forging a piece of steel, a second stage of machining bearing surfaces of the trunnions and the crankpins possibly supplemented by a heat treatment of these surfaces and finally a third balancing step by drilling the counterweights.
Conformément à l'invention, le procédé de fabrication est caractérisé en ce que lors de la première étape les contrepoids extrêmes CTP1,CTP4 adjacents aux tourillons extrêmes T1,T5 disposés aux deux extrémités axiales de l'arbre 2 sont volontairement alourdis par rapport aux contrepoids
CTP2 et CTP3 de façon à présenter systématiquement des balourds supérieurs à ceux des contrepoids centraux CTP2,CTP3 de façon que lors de la troisième étape d'équilibrage par perçage seuls les contrepoids extrêmes CTP1,CTP4 soient percés.According to the invention, the manufacturing process is characterized in that during the first step the extreme counterweights CTP1, CTP4 adjacent to the extreme pins T1, T5 disposed at the two axial ends of the shaft 2 are deliberately weighed down relative to the counterweights
CTP2 and CTP3 so as to systematically present imbalances greater than those of the central counterweights CTP2, CTP3 so that during the third balancing step by drilling only the extreme counterweights CTP1, CTP4 are pierced.
Ainsi conformément à l'invention, quels que soient les écarts de masse dus au tolérances de fabrication, seuls les contrepoids extrêmes
CTP1,CTP4 sont percés de sorte que les contrepoids centraux ne risquent jamais d'être allégés de manière à ne plus équilibrer les équipages mobiles correspondants, ce qui assure une grande fiabilité en endurance des vilebrequins et des moteurs ainsi équipés.Thus in accordance with the invention, whatever the mass differences due to manufacturing tolerances, only the extreme counterweights
CTP1, CTP4 are drilled so that the central counterweights can never be lightened so as to no longer balance the corresponding moving parts, which ensures high endurance reliability of the crankshafts and engines thus equipped.
Par ailleurs, ce procédé de fabrication permet de simplifier la réalisation des -bancs d'équilibrage puisqu'il n'est plus nécessaire de prévoir des moyens de perçages sur les contrepoids centraux. De plus, les temps d'équilibrage des vilebrequins ont été réduits. Furthermore, this manufacturing process makes it possible to simplify the production of the balancing benches since it is no longer necessary to provide drilling means on the central counterweights. In addition, the balancing times of the crankshafts have been reduced.
Chacun des contrepoids extrêmes CTP1,CTP4 est réalisé de façon à présenter sensiblement le même balourd excédentaire de façon à respecter la double symétrie plane. Ce balourd excédentaire apporté aux contrepoids extrêmes CTP1,CTP4 est calculé en prenant en compte les variations maximales de balourds sur les différents contrepoids résultant des tolérances de fabrication utilisées lors des deux premières opérations. Each of the extreme counterweights CTP1, CTP4 is produced so as to present substantially the same excess unbalance so as to respect the double plane symmetry. This excess unbalance brought to the extreme counterweights CTP1, CTP4 is calculated by taking into account the maximum variations of unbalances on the different counterweights resulting from the manufacturing tolerances used during the first two operations.
Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée au mode de réalisation décrit et illustré qui n'a été donné qu'à titre d'exemple. Of course, the invention is in no way limited to the embodiment described and illustrated, which has been given only by way of example.
Au contraire, l'invention comprend tous les équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons si celles-ci sont effectuées suivant son esprit. On the contrary, the invention includes all the technical equivalents of the means described and their combinations if these are carried out according to the spirit.
Ainsi, il est possible de générer le balourd excédentaire des contrepoids extrêmes CTP1,CTP4 par l'adjonction d'une masse supplémentaire à n'importe quelle étape du processus de fabrication des vilebrequins précédant l'opération d'équilibrage par perçage. Thus, it is possible to generate the excess unbalance of the extreme counterweights CTP1, CTP4 by the addition of an additional mass at any stage of the crankshaft manufacturing process preceding the balancing operation by drilling.
Ainsi, si l'invention est applicable préférentiellement aux vilebrequins présentant un nombre impair de tourillons (3,5,7 etc.), il peut être appliqué à des vilebrequins présentant un nombre pair de tourillons. Thus, if the invention is preferably applicable to crankshafts having an odd number of journals (3,5,7 etc.), it can be applied to crankshafts having an even number of journals.
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