FR2952839A1 - Procede d'assemblage etanche de pieces mecaniques mettant en oeuvre de facon particuliere les tres hautes pressions hydrauliques et permettant avantageusement la fabrication de rampes d'injection - Google Patents

Abstract

Rail d'injection automobile « common-rail » de conception mécanique réalisée par assemblage de composants par procédé très haute pression hydraulique. L'invention concerne la fabrication d'un rail d'injection automobile fonctionnant avec des pression internes de l'ordre de 2000 à 3000 bars ou plus, constitué notamment d'un arbre creux sur lequel sont rapporté des tétines ou manchons assemblés mécaniquement étanches par une technique de mise en pression interne de l'ordre de 5000 à 30 000 bars ou plus. Il est principalement constitué d'un arbre (2) creux (3) et de tétines (1) emmanchées perpendiculairement à l'axe de l'arbre dans des trous usinés (3 bis); les tétines sont usinées de telle sorte à favoriser le développement possible, sans fuites extérieures, des forces de pression hydrauliques qui vont progressivement, par application sur les parois internes des tétines (13), étancher la liaison, grâce à un dispositif mécanique usiné (16) et un usinage particulier de la surface (11 bis) de la tétine, des parois intérieures (11) et (11 bis) respectivement du tube et de la tétine, par un système de régulation et d'asservissement de la montée en pression et d'une fuite contrôlée, jusqu'à parfaite mise en contact et étanchéité permanente des dites surfaces. Le dispositif, selon l'invention est particulièrement destiné à la réalisation d'un rail haute pression automobile mécanique « common-rail ».

Description

-1- L'invention concerne la réalisation d'un assemblage mécanique étanche fonctionnant à de très hautes pressions de service avantageusement comprises entre 2000 et 3000 bars au moins, et comprenant un (des) manchon(s) métallique(s) inséré(s) dans un (des) trou(s) percé(s) perpendiculairement à l'axe d'un tube, ou de toutes autres géométries, lui-même métallique afin d'obtenir une liaison mécanique et une tenue à une pression interne d'utilisation de très haut niveau. L'invention concerne donc la réalisation d'un réservoir tubulaire équipé de manchons creux disposés perpendiculairement au tube et assemblés mécaniquement étanches afin de réaliser, en particulier, un rail haute pression ou « common-rail », utilisé par exemple dans les dispositifs d'injection de carburant pour moteurs automobiles ou tout autre dispositif destiné à constituer un ensemble mécaniquement résistant et étanche aux hautes pressions et mettant en oeuvre une telle conception. On connaît par de nombreux brevets l'utilisation des hautes pressions hydrauliques pour assurer après assemblage une relaxation des contraintes résiduelles d'assemblage mécaniques telles que dues à des opérations d'assemblage telles que soudure ou fabrication par forgeage ou encore, par de nombreux brevets, le résultat de tenue mécanique d'au moins une pièce métallique percée d'un trou dans lequel un tube est introduit et expansé de l'intérieur vers l'extérieur afin de forcer les parois sur les parois internes de la dite pièce mécanique et assurer son maintien mécanique.

On connaît aussi par de multiple brevets des méthodes de réalisation et des concepts de produits common-rail mettant en oeuvre des assemblage tétines/tubes par soudage électrique, par friction, par soudure TIG, MIG, MAG, Laser, Faisceau d'électrons, etc, ainsi que des réalisations par la méthode de l'assemblage par expansion de parois par explosif ou encore des réalisations sur base de pièces forgées usinées.

D'autre part on connaît, par la demande de brevet allemand DE-A-3302762, un procédé approchant dans lequel l'expansion radiale du tube est effectuée par le passage d'un dudgeon à l'intérieur du tube. Cependant il a été remarqué que tous ces procédés conduisant à la réalisation de pièces telles que des common-rail automobiles présentent des désavantages tant en terme de coûts économiques, de recours à des opérations complémentaires de relaxation par des procédés tels que des opérations d'autofrettage, de même que des caractéristiques limitées de tenue dans le temps à l'étanchéité par influence des phénomènes de fatigue dus à la pulsion du fluide à l'intérieur des trous de passage et de l'assemblage tube/tétine. 5 10 15 20 25 30 2952839 -2

La demanderesse a mis au point un produit issu d'un dispositif utilisant la haute pression hydraulique comme « outil » d'assemblage que nous appellerons « frettage par fluide HP » et évitant les restrictions ci-dessus. L'invention trouve son application notamment pour la réalisation de common-rail automobile. L'invention concerne la fabrication d'un arbre d'injection « common rail », par la mise en oeuvre d'un dispositif d'utilisation des hautes pressions hydrauliques, communément appelé « frettage », pour l'assemblage d'au moins une tétine dont l'extrémité cylindrique usinée inférieure est mise en place dans un trou/alésage percé perpendiculairement a un canal lui-même foré axialement dans un tube et pouvant être ou non débouchant à une extrémité. L'utilisation des forces générées par la haute pression hydraulique sur les parois internes du trou de la tétine pour forcer les dites parois sur les surfaces de réception du trou foré dans le tube assure la déformation et le plaquage mécanique des dites surfaces mises en relation jusqu'à assurer leur intime contact et un assemblage étanche permanent. La pièce à réaliser suivant l'invention comporte au moins les éléments suivants : la (les) pièce(s) (1) à rapporter sur le tube, le tube (2). Le procédé mis en oeuvre selon l'invention comporte les éléments et opérations suivants : a) Réalisation de l'alésage (3) dans le tube réservoir (2) et des trous perpendiculaires (3 bis) à l'alésage (3) b) Réalisation du (des) composant manchon ou tétine comprenant un trou axé central (4) et débouchant de part et d'autre de la pièce c) Mise en place de la partie d'assemblage (13) du manchon usiné dans le trou (3 bis) d) Introduction du dit manchon tel que précisé point c) jusqu'à mise en butée mécanique de la partie usinée extérieure du manchon sur le bord supérieur du trou (3 bis) e) Bouchonnage étanche de la partie débouchant du trou (4) de la tétine (1) par tout moyen de fermeture amovible tel que vérin de contre pression à la pression interne (P) et bouchon (6)(F) f) Raccordement de l'extrémité du trou (3) au réseau de mise en pression hydraulique (7)(P) g) Mise en pression interne (P) cyclée ou non de l'ensemble pré-assemblé (1) + (2) h) Action de la pression hydraulique sur l'intérieur des parois (8) du trou (4) de la tétine (1) 5 10 15 20 25 30 2952839 -3

i) Application continue ou cyclée des forces hydrauliques générées pour obtenir la déformation permanente des dites parois (8) du trou (4) sur les parois internes du trou (3 bis) j) Echappement (f) et retour de (P) à la pression atmosphérique k) Retrait de la pièce finie La figure 1 annexée représente la vue générale de l'assemblage La figure 2 annexée représente la vue en coupe et les détails de l'assemblage Le dispositif de réalisation du dit « common-rail fretté par fluide HP » comporte les éléments suivants : 1) Un tube ou réservoir usiné des orifices de passage du fluide 2) Les pièces à rapporter sur le tube ou tétines, usinées des formes et trous de passage fluide 3) Un circuit hydraulique de mise sous haute pression 4) Les dispositifs de bouchonnage clipsables des trous AD-Hoc pour l'utilisation de la HP durant l'opération d'assemblage - Le tube (2) est un tube du commerce et dans des nuances appropriées à l'utilisation telle qu'une nuance du type 38 MNVS 6 - MOD, de limite élastique supérieure à 500 MPa, de diamètre extérieur environ 25 à 29 mm, percé en son centre sur toute sa longueur d'un trou débouchant ou non d'environ 8 mm et muni à une extrémité au moins d'un trou usiné percé taraudé pour vissage ultérieur de composants et utilisé, lors de l'opération proprement dite d'assemblage, pour le raccordement au circuit HP. Des trous perpendiculaires au canal foré précédent sont usinés avec précision pour permettre la mise en place des tétines dans ces trous. Le diamètre intérieur de ces trous est dimensionné pour permettre l'introduction « en force » de la partie usinée des tétines dans les dits trous. Ce diamètre pourrait s'entendre comme pouvant être de 8 à 12 mm et correspondant au diamètre extérieur de la partie usinée de la tétine destinée à assurer l'assemblage. - Les tétines (1) sont des pièces préférentiellement cylindriques usinées avec précision dans un matériau du commerce dans des nuances appropriées à l'utilisation telle qu'une nuance du type 38 MNVS 6 - MOD, de limite élastique supérieure à 500 MPa, de diamètre extérieur 14 à 16 mm, de hauteur totale environ 20 à 25 mm, usinée avec précision à une extrémité d'un diamètre extérieur correspondant au diamètre du trou usiné avec précision 5 l0 15 20 25 30 dans le tube, sur la hauteur correspondante à l'épaisseur de paroi du tube récepteur + qqs mm soit environ 8,5 mm, et permettant d'assurer un montage en force dans le dit trou, et percé d'un trou central débouchant d'environ 6 à 7 mm de diamètre et permettant, lors de l'opération d'assemblage, le passage du fluide Haute Pression, puis lors du montage final, la mise en place de l'injecteur calibré. - Le circuit hydraulique de génération de la haute pression sont des systèmes bien connus et disponibles chez les spécialistes de cette technique telle que autofrettage, olivage, hydroformage, etc pouvant atteindre des pressions de service de 5000 à 30 000 bars ou plus. Ces systèmes sont basés sur la génération de hautes pressions hydrauliques par systèmes de pompes hydrauliques, de presses hydrauliques ou encore par l'utilisation la technique d«< d'Hydro-Décharge par Impulsion Magnétique ». Les pressions d'utilisation, dans le cadre de notre application étant comprises dans cette fourchette. Les fluides de travail utilisés sont ceux couramment utilisés pour ces applications hautes pressions tels qu'eau, huiles, etc et pouvant ou non être additivés par, par exemple, des produits anti corrosion. - Les dispositifs de raccordements, de tuyauteries, de régulation, de bouchonnage etc sont ceux du commerce et utilisés traditionnellement pour ce genre d'application. Les dispositifs de bouchonnage permettent d'éviter toutes fuites de fluide haute pression de l'intérieur du réservoir constitué des perçages du tubes, des tétines et communicant entre eux, vers l'extérieur, lors de l'opération de mise en pression interne. Lorsque les pièces tétines ont été positionnées dans leur logements correspondant du trou/alésage usiné dans les parois du tube récepteur et l'ensemble pré assemblé bridé et bouchonné, l'assemblage se présente comme un tube perpendiculairement auquel le/les tétine(s) ont été positionnées. L'ensemble ainsi constitué est ainsi raccordé par son seul trou taraudé de connection restant disponible à l'installation HP. Ce raccordement ainsi effectué permet la mise en pression de l'intérieur du réservoir ainsi constitué. Pour éviter une fuite de fluide haute pression entre les surfaces de contact du cylindre de la collerette (13) de la tétine et de l'alésage (11) du tube, il a été remarqué que des précautions et dispositions particulières devaient être prises. En effet il a été constaté que la mise en pression brutale de l'intérieur du réservoir provoquait une fuite immédiate de fluide par cette jonction mécanique du pré-assemblage et ne pouvait donc pas assurer l'opération d'assemblage telle que souhaitée. Pour palier à cet état de fait et à ce comportement hydraulique naturel, la demanderesse à imaginé et mis au point des solutions mécaniques, de conception et d'application des différents 10 15 20 25 30 - 5

composants mis en oeuvre et procédé utilisé, dans l'objectif d'obtenir une liaison parfaitement étanche aux hautes pressions souhaitées (2000 à 2500 bars), de hautes résistances mécaniques, insensibles aux phénomènes de fatigues, ces avantages pérennisés dans le temps et ce part utilisation des forces hydrauliques pour assembler, tel que ci-devant précisé, les tétines et le tube. Concernant la conception des pièces mécaniques : - Le tube (2) est percé perpendiculairement de trous dans son épaisseur de paroi, de diamètre intérieur correspondant au diamètre extérieur de la partie usinée de la tétine et destinée à son insertion dans le dit trou. La tolérance de jeu entre ces deux diamètres pouvant avantageusement être fixée comme environ 0,03 mm. Cet usinage doit être exécuté avec précision et absent de toute bavure, afin de permettre une mise en place de la tétine au plus serré et sans risques de dégradation comme par exemple des rayures, ceci afin d'assurer le meilleur contact possible des parois pour ce pré-assemblage mécanique. L'objectif étant de fiabiliser au mieux, au départ du cycle de mise en haute pression, le risque de fuites entre les surfaces cylindriques en contact. - La tétine (1) est un composant mécanique obtenu par usinage d'un barreau métallique dans des nuances matière telles que précisées précédemment. La partie supérieure de la tétine (9) sera usinée de telle manière à assurer le vissage ultérieur des éléments de raccordement de la tuyauterie d'injection de carburant et sera donc définie selon la définition de ces éléments. Cette portion filetée, pourra servir de système de vissage, lors de l'opération de mise en pression, pour le bouchonnage de la tétine En partie environ médiane de la hauteur de la tétine, une butée (9 bis) est usinée dans la masse afin de permettre la mise en butée mécanique de la tétine sur le tube (2) lors de l'emmanchement à force de la partie inférieure usinée (13) de la tétine. La surface (11 bis) obtenue par usinage de la tétine est de hauteur correspondant à l'épaisseur de paroi (12) + quelques mm (voir la suite) du tube. La dite surface (11 bis) présente une pente de quelques degrés destinée à assurer, lors de son emmanchement dans l'alésage du tube, une pression de contact mécanique récurrente supplémentaire. L'emmanchement mécanique, malgré la présence de cette pente, est néanmoins possible et dû à l'élasticité de la matière constituant l'épaisseur de paroi (13) après usinage du diamètre intérieur (14). Cette épaisseur résiduelle de (13) est judicieusement calculée en fonction du type matière tétine utilisée, de la force de contact souhaitée, de la tenue mécanique attendue ainsi que pour son adéquation à la déformation qui est nécessaire à sa déformation lors de l'opération de mise en haute pression. Cette épaisseur est de l'ordre de quelques mm. L'extrémité 2952839 -6

inférieure de cette collerette ainsi usinée possède un chanfrein (15) de quelques degrés et dépasse, après emmanchement de 1 à 3 mm (16) de l'épaisseur de paroi du tube récepteur. Concernant la mise en oeuvre du procédé d'assemblage Ce qui précède permet de trouver des solutions aux phénomènes de fuites dues au pré-accostage des pièces concernées lors de la mise sous pression interne. Il faut rappeler que l'utilisation de la Haute Pression Hydraulique est jusqu'alors utilisée dans des enceintes construites préalablement étanches, pour des opérations autres que d'assemblage et donc non confronté à cet inconvénient de la fuite initiale lors de la mise sous pression interne. La demanderesse a donc imaginé la conception des pièces mécaniques telle que défini précédemment afin d'assurer la possibilité d'assembler de manière étanche la partie usinée d'une tétine dans un alésage usiné d'un tube, de façon étanche, et ce pour assurer la continuité de circulation d'un fluide haute pression circulant de l'intérieur du tube vers des tuyauteries extérieures par l'intermédiaire d'un trou percé dans la tétine perpendiculairement au trou réalisé dans l'axe du tube. Ceci est expliqué de la manière suivante : Considérant l'assemblage pré-effectué de la tétine et du tube, l'ensemble est alors mis sous pression hydraulique. La pression (P) générée par l'installation raccordée au tube va mettre en pression l'intérieur du tube et de la tétine. Si le système était totalement étanché, la pression ainsi introduite s'échapperait par la jonction tétine tube sans provoquer d'autre phénomène que des fuites hydraulique. Dans notre cas, l'association des conceptions mécaniques des pièces et des particularités de mise en oeuvre de la mise en pression interne permet d'assurer le but 25 recherché, à savoir la liaison étanche de l'assemblage tétine/tube. La mise sous pression interne (P) se fait par coups de bélier progressifs. Le trou en partie supérieure de la tétine est bouchonné avec un système de valve piloté (17), assurant une contre pression à (P), et asservi au système de mise en pression (P), et tarée de telle manière à toujours laisser s'échapper (au début du cycle d'assemblage) une quantité 30 déterminée de fluide haute pression (f), judicieusement calculée pour mettre en semi équilibre, à quelques bars de différence, le réservoir et l'extérieur. Cette différence de pression est alors suffisante pour forcer la lèvre (15) et le dépassement de matière (16) très déformable de la collerette (13) sur la paroi (Il) de l'alésage du tube. Le cyclage rapide des coups de bélier avec montée en pression rapide et linéaire, avec un tarage de la 2952839 -7

valve d'échappement asservi à la courbe de montée en pression, permet de créer en partie basse de la collerette (13) une étanchéité initiale suffisante pour interdire toute fuite, assurant une première étanchéité basique. A ce moment, la valve d'obturation de la tétine peut être fermée étanche et les coups de bélier du fluide hydraulique augmenter en puissance. Le contact établi au bas de la collerette de la tétine par la déformation de la partie (16) assure une étanchéité qui va permettre à la pression hydraulique interne de développer des forces de pression sur toutes les surfaces intérieures de la collerette (13) assurant la déformation de la dite collerette sur toute sa hauteur, jusqu'à la liaison intime des surfaces (11 bis) de la collerette (13) et de l'alésage (Il). Les pressions internes ultimes dans la fourchette des 5000 à 30000 bars vont donc permettre de plaquer et de lier de façon étanche et irréversible les surfaces en contact pour assurer une liaison permanente. Nous savons, par l'expérience et les études de résistance des matériaux que de telles liaisons mécaniques, équivalentes à des liaisons obtenues par frettage pur dans le domaine plastique des matériaux assurent les niveaux de résistance mécanique et d'étanchéité requis. Cette étanchéité obtenue sera entretenue en cours d'utilisation par des pressions internes dans ce réservoir de l'ordre de 2000 à 2500 bars. Le principe tel que décrit ci-dessus peut s'accompagner d'améliorations mécaniques destinées à faciliter la génération de l'étanchéité lors de l'opération de mise en pression 20 hydraulique de la tétine dans l'alésage du tube. Pour exemple nous pouvons évoquer un usinage de l'intérieur de l'alésage (11) dans le tube visant à créer des gorges (17) dont les formes et dimensions sont judicieusement définies pour permettre la possibilité que la collerette (13) se déforme de telle manière à venir assurer un encastrement de ces déformations (18) dans les gorges (17), renforçant le résultat de tenue mécanique et d'étanchéité. La figure 3 montre la vue en coupe de l'assemblage ainsi réalisé Une autre possibilité pourrait s'imaginer comme l'usinage de la pente (11 bis) non plus sur le manchon (1) mais sur le trou du tube (2). (11 bis) devenant alors cylindrique et (11) devenant conique.

Outre les avantages ayant pu être mentionnés précédemment, le produit ainsi réalisé offre des avantages par rapport aux produits issus de l'art antérieur et notamment : 5 10 15 - 8

Techniques - Par le fait que l'opération d'assemblage est exécuté à froid, supprimant ainsi tout risque de déformation, création de contraintes résiduelles ou encore transformations métallographiques tels que générés par les procédés de soudure - Par le fait que des traitements de surface ou thermiques peuvent se réaliser avant assemblage, sur composants unitaires, sans risque de destruction ou abaissement des caractéristique à l'assemblage - Par le fait que les usinages sur produits finis d'assemblage ne plus nécessaires car pouvant être effectués sur composants unitaires avant assemblage Economiques - Par le fait que les opérations d'usinage sont simplifiées car effectuées sur composants unitaires et non plus sur produit complet encombrant - Par le fait de la combinaison d'opérations tel que l'intégration en temps masqué dans l'opération d'assemblage par haute pression de l'opération d'autofrettage - Par le fait de la possible utilisation de composants de base standards du marché D'autant que la mise en oeuvre industrielle peut s'envisager comme facilement automatisable, ce qui contribue à sa productivité et rentabilité. L'invention trouve son application dans la fabrication des common-rail automobiles ainsi que dans la réalisation de tous ensembles soumis aux mêmes problématiques 20 d'utilisation et de réalisation. 5 10 15 25 30

Claims (9)

1. REVENDICATIONS1) Procédé d'assemblage mécanique, étanche à de très hautes pressions de service avantageusement supérieures à 2000 bars, caractérisé en ce qu'il est destiné à assembler un manchon métallique (1) inséré dans un trou (3 bis) percé perpendiculairement à l'axe du tube (2) ou de tout autre géométrie, lui-même métallique, afin d'obtenir une liaison mécanique et une tenue à une pression interne d'utilisation. L'assemblage des dites pièces étant assuré par la mise en oeuvre des techniques de haute pression pour générer les déformations mécaniques nécessaires pour obtenir les résultats mécaniques et d'étanchéité.
2. 2) Procédé d'assemblage selon la revendication 1) caractérisé en ce qu'il comprend une étape d'usinage de la pièce (1) destinée à son pré-emmanchement dans un trou/alésage percé dans la paroi du tube (2)
3. 3) Procédé d'assemblage selon l'une quelconque des revendications 1) à 2) dans lequel est introduit un manchon (1) usiné de tel façon que la partie emmanchée (13) comporte un usinage conique extérieur qui favorise une étanchéité mécanique sur la paroi (11) du tube (2) lors de la mise en place du manchon dans le trou du tube.
4. 4) Procédé d'assemblage selon la revendication 3) dans lequel le manchon (1) possède également en partie basse de la collerette (13) usinée un chanfrein (15) dont la pointe formée (16) dépasse de l'épaisseur de paroi du tube, et est réputée déformable
5. 5) Procédé d'assemblage réalisé selon la revendication 4) dans lequel une très haute pression hydraulique (P) est introduite dans le conduit (3) du tube (2) mettant ainsi sous haute pression l'intérieur de l'assemblage pré-assemblé par les canaux (3), (3 bis) et (4)
6. 6) Procédé d'assemblage réalisé selon la revendication 5) et dans lequel la très haute pression (P) est introduite dans le conduit 6) par coups de bélier avec montée linéaire du niveau de puissance
7. 7) Procédé d'assemblage réalisé selon la revendication 6) dans lequel la sortie (4) est munie d'une vanne d'échappement pilotée et asservie à la courbe de montée en pression interne par le circuit haute-pression
8. 8) Procédé d'assemblage réalisé selon les revendications 5) à 7) dans lequel une étanchéité progressive est réalisée entre la collerette (13) du manchon (1) et la paroi (11) du tube (2) ayant comme origine la déformation de la pointe de la collerette (16) qui se déforme contre la paroi (11) 2952839 - 10 -
9. 9) Common-rail caractérisé en ce qu'il est constitué de tétines (1) et du tube (2), assemblés par procédé d'assemblage mettant en oeuvre des techniques de hautes pressions hydrauliques internes introduites de manière particulière dans les conduits du common-rail et obtenu par le dit procédé d'assemblage selon l'une quelconque des revendications précédentes.