FR2996887A1 - Coussinet de moteur a combustion presentant un revetement dlc partiel - Google Patents

Coussinet de moteur a combustion presentant un revetement dlc partiel Download PDF

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Abstract

L'invention porte sur un coussinet (1) destiné à être interposé entre un vilebrequin d'un moteur à combustion et un carter du moteur, présentant une face externe (11) destinée à être positionnée côté carter et une face interne (12) destinée à être positionnée côté vilebrequin, présentant sur sa face interne (12), un revêtement DLC partiel. L'invention porte aussi sur une bielle comportant un tel coussinet, et un moteur comportant une telle bielle.

Description

COUSSINET DE MOTEUR A COMBUSTION PRESENTANT UN REVETEMENT DLC PARTIEL [0001] L'invention porte sur le domaine des moteurs thermiques à pistons, et plus particulièrement sur le guidage en rotation du vilebrequin des moteurs. Tous les moteurs à combustion comportant des pistons présentent au moins un vilebrequin. Le vilebrequin constitue la manivelle d'un système bielle - manivelle, qui permet de transformer le mouvement alternatif du piston en mouvement de rotation du volant moteur. [0002] Au niveau des liaisons entre le vilebrequin et les bielles, c'est-à-dire au niveau des manetons du vilebrequin, ainsi qu'au niveau des liaisons entre le vilebrequin et le carter cylindre du moteur, c'est-à-dire au niveau des tourillons du vilebrequin, on interpose généralement des pièces mécanique appelée coussinets. Les coussinets assurent une bonne fiabilité de ces liaisons. [0003] Les coussinets sont généralement des pièces en forme cylindre, et sont généralement constitués de deux demi-cylindres, ou demi-coquilles, formant respectivement un coussinet inférieur et un coussinet supérieur. Le coussinet est donc l'assemblage d'un coussinet supérieur et d'un coussinet inférieur. On distingue donc les coussinets inférieurs et les coussinets supérieurs, selon leur positionnement respectivement le plus éloigné du piston ou le plus proche du piston dans le moteur qu'ils équipent. Les coussinets peuvent présenter un support en acier sur lequel est déposé un revêtement, sur la face interne du cylindre. Le revêtement eut être de type « multicouche », par exemple comportant un substrat et un revêtement supérieur. [0004] Les liaisons précédemment décrites sont soumises, lorsque le moteur est en fonctionnement, à des efforts mécaniques très importants. Ces liaisons sont lubrifiées par de l'huile sous pression. Néanmoins, dans certaines conditions ou certaines phases de fonctionnement, le vilebrequin peut entrer en contact avec les coussinets. [0005] Comme le vilebrequin peut entrer directement en contact avec le coussinet, ce dernier doit présenter une bonne résistance au grippage et à l'usure. Rappelons que le grippage est le phénomène de blocage entre deux surfaces qui frottent l'une contre l'autre, dû par exemple à une mauvaise lubrification. Le grippage est également défini comme une forme de dommage se produisant en surface d'un matériau glissant sur un autre, dans lequel se produit un transfert de matière qui altère l'état de surface du matériau. [0006] Le coussinet doit présenter d'autres caractéristiques mécaniques. Il doit être conformable, et doit également présenter une bonne résistance à l'usure et à l'échauffement provoquée par le passage de particules entre le vilebrequin et le coussinet. Pour assurer cette résistance au passage de particules, il faut idéalement avoir une bonne incrustabilité (seuil de plasticité faible) ou, à défaut, une dureté faible pour éviter un phénomène d'arrachement du revêtement. Ceci est particulièrement difficile à obtenir, ces caractéristiques étant globalement contradictoires avec la dureté requise pour résister à l'usure abrasive en cas de contact entre le vilebrequin et le coussinet. [0007] Dans l'état de la technique connu, deux types de revêtements (pour ce qui est de la couche supérieure au niveau de la liaison avec le vilebrequin) sont majoritairement employés, à savoir un revêtement diphasique (par exemple aluminium - étain) ou un revêtement en polymère. Ces revêtements présentent généralement un compromis satisfaisant entre la résistance à l'usure abrasive et la résistance au grippage (impactée également par les qualités de conformabilité et de résistance au passage de particules). [0008] Néanmoins, l'emploi de ces matériaux ne résout pas totalement la problématique mentionnée ci-avant, de sorte que dans certains cas extrêmes, on peut atteindre la limite de tenue au grippage, consécutivement à une usure excessive ou non, ce qui peut conduire à une défaillance du moteur. La probabilité que ce cas de figure se produise augmente en outre sur les moteurs équipés d'un dispositif d'arrêt et redémarrage automatique (dit « stop and start »), ce qui est de plus en plus le cas des moteurs modernes. En outre, sans aller jusqu'au grippage, les pertes mécaniques par frottement sont largement augmentée lors d'un contact entre le vilebrequin et un coussinet. [0009] Afin de résoudre cette problématique, l'invention porte donc sur un coussinet destiné à être interposé entre un vilebrequin d'un moteur à combustion et un carter du moteur, présentant une face externe destinée à être positionnée côté carter et une face interne destinée à être positionnée côté vilebrequin, présentant, sur sa face interne, un revêtement DLC partiel. [0010] « DLC » est un acronyme anglophone pour « Diamond-Like Carbon », qui n'a pas de traduction française couramment admise. L'acronyme DLC est couramment utilisé en science des matériaux et en tribologie. Les revêtements DLC constituent une famille de revêtement bien connue en science des matériaux et en tribologie, généralement à base de carbone amorphe. [0011] Dans l'invention, le revêtement du coussinet est partiel. En effet, si les revêtements DLC présentent une très grande dureté et un faible coefficient de frottement sur l'acier, conférant au coussinet une bonne résistance à l'usure et au phénomène de grippage en cas de contact avec le vilebrequin dans une zone présentant un revêtement DLC, cette grande dureté limite sa capacité à accepter le passage de particules. Un passage de particules sur le revêtement pourrait le détériorer, par création d'un sillon, de largeur importante avec arrachement de revêtement, ou détériorer le vilebrequin par dégradation de son état de surface. De plus, un revêtement DLC total du coussinet pourrait présenter des problèmes de tenue ou bien compromettre le bon fonctionnement du coussinet, en raison du besoin de conformation de ce dernier, le revêtement DLC ne présentant pas, du fait de sa grande dureté, la même capacité à se conformer géométriquement que le coussinet sur lequel il serait déposé. Un revêtement total du coussinet ne serait donc pas optimum. [0012] De même, pour des questions de coût et de complexité, il serait difficilement envisageable en grande série de réaliser un revêtement DLC sur les portées du vilebrequin, tel que cela est parfois pratiqué en compétition automobile. [0013] De préférence, le revêtement DLC présente une dureté supérieure à 800 HV 0,02. [0014] Préférentiellement, le revêtement employé est un revêtement à base de carbone amorphe. [0015] Le revêtement DLC peut être du type carbone amorphe hydrogéné. Le revêtement peut être du type carbone amorphe hydrogéné contenant du tungstène (revêtement de type a-C:H:W). [0016] De préférence, le revêtement partiel couvre moins de 30% de la surface interne totale du coussinet. Par ailleurs, l'épaisseur est préférentiellement ajustée de façon à ne pas perturber la formation d'un film d'huile régulier entre le coussinet et le vilbrequin d'un moteur équipé dudit coussinet. [0017] De préférence, le revêtement est appliqué en plusieurs bandes parallèles orthogonales à l'axe principal du cylindre formé par le coussinet. [0018] De préférence, le revêtement est appliqué sur un, ou plusieurs secteurs angulaires du coussinet. [0019] L'invention porte également sur une bielle pour moteur à combustion comportant un corps de bielle allongé comportant un pied de bielle destiné à être lié à un piston et une tête de bielle destinée à être liée à un vilebrequin, la tête de bielle comportant un coussinet selon l'invention, tel que précédemment défini, dans laquelle, en définissant un repère orthonormé (0,x,y) centré sur l'axe principal du coussinet, l'axe d'ordonnée (y) correspondant à un axe principal orienté entre la tête de bielle et le pied de bielle, le revêtement partiel est limité aux surfaces du coussinet situées, selon ce repère, dans des secteurs angulaires de 30°à 150° et de 210° à 330°. [0020] L'invention porte également sur un moteur comportant une telle bielle et un vilebrequin lié à la tête de bielle, dans lequel les secteurs angulaires du coussinet sur lesquels est appliqué le revêtement correspondent à des zones de contact entre le vilebrequin et le coussinet lors du fonctionnement du moteur. [0021] L'invention porte également sur un moteur comportant une telle bielle et un vilebrequin lié à la tête de bielle, un film d'huile étant formé entre le coussinet et le vilebrequin en rotation par alimentation du coussinet par de l'huile sous pression, dans lequel les secteurs angulaires du coussinet sur lesquels est appliqué le revêtement sont ceux où l'épaisseur du film d'huile est inférieure à une valeur donnée, pour au moins une période du cycle moteur à un régime moteur donné. [0022] L'invention est décrite plus en détail en référence aux figures illustrant l'invention dans des modes de réalisation particuliers. [0023] La figure 1 présente sur un exemple graphique la détermination des zones de revêtement d'un coussinet conforme à une variante de l'invention. [0024] La figure 2 présente schématiquement une bielle et le repère géométrique qui lui est associé, ledit repère étant employé dans la définition de certaines variantes de l'invention. [0025] La figure 3a présente une vue schématique d'un demi coussinet conforme à un premier mode de réalisation de l'invention. [0026] La figure 3b présente une vue schématique d'un demi coussinet conforme à un second mode de réalisation de l'invention. [0027] A la figure 1 on a représenté sur un diagramme le mouvement du palier du vilebrequin dans un repère (0,x,y) défini par le coussinet et la bielle qui le supporte. La construction du repère (0,x,y) peut être mieux comprise en se référant à la figure 2. [0028] Ainsi, le repère (0,x,y) est centré sur l'axe principal du coussinet 1, l'axe d'ordonnée (y) correspondant à un axe principal orienté entre la tête de bielle 2 et le pied de bielle 3, le long d'un corps de bielle 4. [0029] Dans ce repère (0,x,y) l'échelle radiale mentionné en figure 1 pour caractériser le mouvement du palier de vilebrequin dans le coussinet est adimensionnée par le jeu radial théorique : une valeur est égale à 1, correspond à un contact entre le vilebrequin et le coussinet ; une valeur égale à 0 correspond au fait que le vilebrequin est parfaitement centré : la distance entre le vilebrequin et le coussinet est alors la même tout autour du vilebrequin, et est égale à une valeur dite jeu radial théorique. [0030] La courbe A représente sur un exemple de moteur donné, sur un point de fonctionnement donné du moteur considéré, la trajectoire du palier du vilebrequin au cours du cycle moteur (entre 0 et 720° d'angle du vilebrequin pour un moteur 4 temps). [0031] Dans l'exemple ici présenté, on observe donc au cours du cycle du moteur, sur un point de fonctionnement (point de régime et de couple donné) qu'il y a contact, ou à tout le moins forte réduction du jeu entre le vilebrequin et le coussinet, ce qui signifie une diminution de l'épaisseur du film d'huile qui les sépare et une augmentation des efforts, dans deux zones angulaires du coussinet. Une première zone est ici située, dans le référentiel (0,x,y) précédemment défini et selon le sens trigonométrique, entre 75° et 150° d'angle environ. Une seconde zone est située entre 270° et 290° d'angle. C'est dans ces secteurs angulaires que l'on localisera préférentiellement le revêtement DLC partiel du coussinet. Bien évidemment, ces zones peuvent varier selon le moteur considéré, et selon son point de fonctionnement. Néanmoins, globalement, le revêtement partiel est préférentiellement situé dans des secteurs angulaires de 30° à 150° et de 210° à 330°. Ces valeurs permettent de couvrir une large gamme d'applications, et pourront notamment être retenues si l'on n'a pas caractérisé les zones de contact fréquent ou potentiel entre le vilebrequin et le coussinet sur une application donnée. [0032] Le revêtement DLC peut être appliqué selon différentes formes, dont deux sont données à titre d'exemple aux figures 3a et 3b. Les différentes formes sont obtenues à l'aide de masques, employés lors du dépôt du revêtement. Le revêtement peut notamment être déposé sur le coussinet par un procédé de dépôt physique en phase vapeur (ou PVD pour « physical vapor deposition »), ou par un procédé de dépôt chimique en phase vapeur assisté plasma (ou PACVD pour « plasma assisted chemical vapor deposition »). [0033] Parmi les revêtements de la famille des DLC, on emploie dans l'invention de préférence un revêtement DLC de dureté supérieure à 800 HV 0,02. [0034] L'emploi d'un revêtement du type carbone amorphe hydrogéné contenant du tungstène (revêtement de type a-C:H:W) est possible. [0035] Aux figures 3a et 3b, on a représenté schématiquement des demi-coussinets, mis en jeu respectivement dans un premier et dans un deuxième mode de réalisation de l'invention. [0036] A la figure 3a, le demi-coussinet présente un revêtement DLC partiel déposé au travers d'un masque simple. La zone revêtue Z, est symboliquement hachurée sur la figure. Pour plus de lisibilité, on a représenté schématiquement en pointillés le second demi-coussinet, les deux demi-coussinets constituant le coussinet 1. [0037] A la figure 3b, le demi-coussinet présente une zone revêtue Z sur laquelle le revêtement DLC appliqué en plusieurs bandes parallèles orthogonales à l'axe principal du cylindre formé par le coussinet. Cela offre un meilleur compromis entre la dureté de la zone revêtue d'une part, garantissant sa résistance à l'usure, et la résistance au passage de particules dans cette zone d'autre part. [0038] L'invention ainsi développée permet d'améliorer de manière simple et efficace la résistance au grippage de coussinets de moteurs, et de réduire les frottements dans la liaison entre le vilebrequin et le bloc moteur. Ces améliorations sont en outre obtenues sans les inconvénients d'un coussinet dont un revêtement DLC serait sur toute la surface interne, ce qui conduirait à des risques de mauvaise tenue au passage de particules des risques de détérioration du revêtement par fatigue. [0039] L'application privilégiée de l'invention est les moteurs à combustion employés dans le domaine des véhicules automobiles. Dans ce cadre, l'invention présente un intérêt important sur les véhicules dotés d'un système d'arrêt et redémarrage automatique du moteur, dit « stop and start », ainsi que sur les véhicules hybrides thermique/électrique, car les arrêts fréquents du moteurs augmentent la probabilité de grippage du vilebrequin. L'invention permet, par la réduction du risque de grippage, d'employer une huile plus fluide pour la lubrification du moteur, permettant une baisse de sa consommation de carburant. Enfin, les discontinuités géométriques que peuvent présenter les portées du vilebrequin (par exemple un trou de graissage) se révèlent moins problématiques si elles provoquent des épaisseurs de film d'huile faibles face à une zone revêtue telle que définie dans l'invention.30

Claims (10)

  1. REVENDICATIONS1. Coussinet (1) destiné à être interposé entre un vilebrequin d'un moteur à combustion et un carter du moteur, présentant une face externe (11) destinée à être positionnée côté carter et une face interne (12) destinée à être positionnée côté vilebrequin, caractérisé en ce qu'il présente, sur sa face interne (12), un revêtement DLC partiel.
  2. 2. Coussinet (1) selon la revendication 1, dans lequel le revêtement DLC présente une dureté supérieure à 800 HV 0,02.
  3. 3. Coussinet (1) selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que le revêtement DLC est du type carbone amorphe hydrogéné.
  4. 4. Coussinet (1) selon la revendication 1 ou la revendication 2, dans lequel le revêtement DLC est du type carbone amorphe hydrogéné contenant du tungstène.
  5. 5. Coussinet (1) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le revêtement partiel couvre moins de 30% de la surface interne(12) totale du coussinet (1).
  6. 6. Coussinet (1) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le revêtement est appliqué en plusieurs bandes parallèles orthogonales à l'axe principal du cylindre formé par le coussinet (1).
  7. 7. Coussinet (1) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le revêtement est appliqué sur un, ou plusieurs secteurs angulaires du coussinet (1).
  8. 8. Bielle pour moteur à combustion comportant un corps de bielle (4) allongé comportant un pied de bielle (3) destiné à être lié à un piston et une tête de bielle (2) destinée à être liée à un vilebrequin, la tête de bielle (2) comportant un coussinet (1) selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle, en définissant un repère orthonormé (0,x,y) centré sur l'axe principal du coussinet (1), l'axe d'ordonnée (y) correspondant à un axe principal orienté entre la tête de bielle (2) et le pied de bielle (3), le revêtement partiel est limité aux surfaces du coussinet (1) situées, selon ce repère, dans des secteurs angulaires de 30°à 150° et de 210° à 330°.
  9. 9. Moteur comportant une bielle selon la revendication 8 et un vilebrequin lié à la tête de bielle (2), dans lequel les secteurs angulaires du coussinet (1) sur lesquels est appliqué le revêtement correspondent à des zones de contact entre le vilebrequin et le coussinet (1) lors du fonctionnement du moteur.
  10. 10. Moteur comportant une bielle selon la revendication 8 et un vilebrequin lié à la tête de bielle (2), un film d'huile étant formé entre le coussinet (1) et le vilebrequin en rotation par alimentation du coussinet (1) par de l'huile sous pression, dans lequel les secteurs angulaires du coussinet (1) sur lesquels est appliqué le revêtement sont ceux où l'épaisseur du film d'huile est inférieure à une valeur donnée, pour au moins une période du cycle moteur à un régime moteur donné.
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