Texturation anti-friction des portées cylindriques de vilebrequins

Le développement des sociétés humaines a toujours été intimement lié aux frottements. Leur maîtrise est en effet ancestralement rattachée aux progrès de notre espèce. La production de feu par friction, qui tient une place centrale dans notre évolution, nous a par exemple permis de nous protéger des prédateurs, de cuire nos aliments, de fabriquer des outils et par là même, d’accroître nos facultés intellectuelles. Les premières sociétés ont par ailleurs cherché à supprimer l’usure et à diminuer le frottement dès la construction des premiers mécanismes (meules à grain, tours de poterie, chariot, crapaudines) [1]. Plusieurs millénaires après, ces derniers sont encore et toujours, à raison, au centre des préoccupations humaines.

On estime aujourd’hui qu’environ la moitié de l’énergie transformée par l’homme sur terre est perdue dans les frottements [2]. Malheureusement, une grande part de celle-ci se traduit en pollution particulièrement dangereuse pour l’environnement et notre santé. Avec plus d’un milliard de véhicules thermiques immatriculés, le secteur automobile, contribue largement au phénomène. Chaque véhicule perd environ un tiers de son énergie carburant dans les seuls frottements via le moteur, la transmission et la résistance au roulement [3]. Or, en Ile-de-France par exemple, le trafic routier représente à lui seul 57 % des émissions en oxydes d’azote (NOx), 17% des Composés Organiques Volatils Non Méthaniques (COVNM), 28 % des émissions en particules fines (PM10) et 32 % des Gaz à Effet de Serre (GES) . Du fait de leur grand nombre, les véhicules particuliers sont généralement les plus gros contributeurs .

Les paliers de vilebrequin dans l’attelage mobile

Généralités 

Le vilebrequin est la pièce maîtresse de l’attelage mobile. Sa fonction principale est de convertir, au moyen d’un mécanisme bielle manivelle, la force appliquée par la pression de combustion sur le piston en un couple utile disponible à l’arbre de sortie du moteur.

Le vilebrequin est logé dans le carter cylindre. Il reçoit d’un côté le volant moteur, de l’autre la pignonnerie dédiée à l’entraînement de la distribution, de la pompe à huile et de la poulie Amortisseurs de Vibration de Torsion (AVT) . Il est généralement en fonte (cas des moteurs à faibles puissances spécifiques) ou en acier (cas des moteurs à fortes puissances spécifiques). La très grande majorité des vilebrequins est fabriquée par des opérations successives de matriçage à chaud, de tournage, de perçage, de trempe par induction, de rectification, de toilage et d’équilibrage statique et dynamique. Le corps d’un vilebrequin est constitué de masselottes d’équilibrage et de plusieurs portées. Parmi elles, on distingue :
• les tourillons. Ils correspondent aux portées assurant la liaison entre le vilebrequin et le carter cylindre. Ces derniers sont généralement au nombre de quatre pour les moteurs à trois ou six cylindres et au nombre de cinq pour les moteurs quatre cylindres ;
• les manetons. Ils correspondent aux portées assurant la liaison entre le vilebrequin et les bielles. Hormis pour des applications très spécifiques, chaque maneton reçoit une bielle.

Au même titre que l’ensemble du vilebrequin, ces portées sont soumises à des contraintes multiples (flexion, torsion et vibratoire) et extrêmes dont la part est variable en fonction du régime moteur et de la charge. À titre d’exemple, un palier de tête bielle reçoit un pic de charge proche de dix tonnes au moment de la combustion… Pour assurer les fonctionnalités tribologiques du contact dans ces conditions, des demi-coussinets, que nous appellerons par la suite coussinets, sont insérés à l’interface entre les portées du vilebrequin et les alésages de logement. Ces derniers sont généralement multicouches, chaque couche ayant une épaisseur de quelques micromètres et des caractéristiques fonctionnelles qui lui sont propres. En outre, les paliers sont alimentés avec de l’huile par l’intermédiaire de galeries percées directement dans la masse (sous une pression de quelques bars). Cette huile permet de maintenir une distance entre les deux surfaces antagonistes, de préserver l’intégrité des pièces dans les conditions les plus sévères aux moyens d’additifs spécifiques et enfin d’évacuer la majorité de la chaleur provenant du cisaillement de l’huile ou des aspérités de surface.

Les régimes de fonctionnement

Il est utile de développer une classification des différentes conditions de fonctionnement des paliers pour permettre une analyse physique de ces derniers. Dans la pratique, la classification la plus fréquemment adoptée est basée sur le rapport qui existe entre le coefficient de frottement global du système et des paramètres tels que la vitesse de rotation , ω1, la viscosité du lubrifiant µ, la charge W, la température Tc, l’épaisseur minimale du film d’huile hmin.

Leviers d’action sur les grandeurs fonctionnelles des paliers

Il existe une multitude de méthodes pour agir sur les performances fonctionnelles des paliers, et ce, quel que soit le régime de fonctionnement. On distingue :
• le dimensionnement (rayon, largeurs, etc.) ;
• les propriétés matériaux (dureté, réactivité chimique, etc.) ;
• les propriétés de l’huile (viscosité, additifs, filtrage, etc.) ;
• la forme (rectitude, circularité, etc.) ;
• les états de surface (rugosité, ondulation, etc.) .

La texturation anti-friction se situe bien entendu dans ce dernier point.

Le fonctionnement des paliers en régime hydrodynamiques et les grandeurs associées sont aujourd’hui bien modélisés au niveau macroscopique. Au-delà de la prise en compte des effets thermiques, dynamiques et de l’élasticité des matériaux, les simulations les plus complètes permettent d’ailleurs de considérer certains défauts macroscopiques tels que les défauts de rectitude ou de circularité, ou encore les rugosités de surfaces.

Table des matières

Introduction générale
Chapitre I. Étude bibliographique
Introduction
I.1. Les paliers de vilebrequin dans l’attelage mobile
I.1.1. Généralités
I.1.2. Paramétrage des paliers
I.1.3. Les régimes de fonctionnement
I.1.4. Cas du palier lisse court en régime hydrodynamique
I.1.5. Leviers d’action sur les grandeurs fonctionnelles des paliers
I.1.6. Conclusion
I.2. Impacts fonctionnels de la texturation
I.2.1. La texturation
I.2.2. Études représentatives du fonctionnement des paliers
I.2.3. Conclusion
I.3. Le procédé industriel de toilage
I.3.1. Généralités
I.3.2. Influence des paramètres process
I.3.3. Conclusion
I.4. Les autres procédés de texturation
I.4.1. Procédés par ablation ou ajout de matière
I.4.2. Procédés par abrasion
I.4.3. Procédés par micro-coupe
I.4.4. Procédés par déformation plastique
I.4.5. Conclusion
Conclusion
Chapitre II. Méthodologie, dispositifs et protocoles expérimentaux
Introduction
II.1. Éprouvettes d’essais
II.1.1. Éprouvettes de développement process
II.1.2. Éprouvettes de caractérisation fonctionnelle
II.2. Fabrication des textures
II.2.1. Banc de toilage
II.2.2. Banc laser femto seconde TRUMPF
II.3. Caractérisation des textures
II.3.1. Échelles macro géométriques
II.3.2. Échelles micro géométriques
II.4. Caractérisation fonctionnelle
II.4.1. Coussinets et huile utilisées
II.4.2. Machines À Palier Statique (MAPS)
II.4.3. Machine À Palier Dynamique (MAPD)
Conclusion
Chapitre III. Du toilage conventionnel au toilage texturant
Introduction
III.1. Étude statistique du toilage conventionnel
III.1.1. Définition du plan d’expérience et modélisation statistique
III.1.2. Influences des paramètres process
III.1.3. Limites du toilage conventionnel
III.1.4. Conclusion
III.2. Introduction à la texturation par toilage
III.2.1. Conditions texturales de régénération et/ou de préservation
III.2.2. Application au toilage conventionnel
III.2.3. Conclusion
III.3. Développement des capacités texturales du procédé de toilage par modification des structures abrasives
III.3.1. Le potentiel des structures abrasives
III.3.2. Influences du nombre de révolutions lors de l’utilisation de différentes structures abrasives
III.3.3. Conclusion
Conclusion
Chapitre IV. Développement du toilage texturant
Introduction
IV.1. Généralités sur le toilage texturant
IV.1.1. Formalisation de la notion de toilage texturant
IV.1.2. Analyse des modifications texturales à chaque phase
IV.1.3. Conclusion
IV.2. Étude statistique des capacités du procédé de toilage texturant
IV.2.1. Définition du plan d’expérience et modélisation statistique
IV.2.2. Évolution des paramètres standards Rpk, Rk et Rvk
IV.2.3. Évolution des caractéristiques texturales avancées
IV.2.4. Comparaison avec les textures conventionnelles
IV.2.5. Conclusion
IV.3. Étude théorique et expérimentale de la cinématique d’impression texturale
IV.3.1. Équations de trajectoire
IV.3.2. Caractéristiques associées à la trajectoire d’un grain
IV.3.3. Validation expérimentale
IV.3.4. Conclusion
Conclusion
Chapitre V. Performances fonctionnelles « début de vie »
Introduction
V.1. Définition et caractéristiques des textures testées
V.1.1. Textures toilées
V.1.2. Textures hybrides
V.1.3. Conclusion
V.2. Effets de la texturation en chargement statique sévère
V.2.1. Effets de la texturation sur les grandeurs fonctionnelles « in process »
V.2.2. Analyse de l’usure sur les portées
V.2.3. Analyse de l’usure sur les coussinets
V.2.4. Conclusion
V.3. Effets de la texturation en chargement dynamique
V.3.1. Effets de la texturation sur les grandeurs fonctionnelles « in process »
V.3.2. Analyse de l’usure sur les portées
V.3.3. Analyse de l’usure des coussinets
V.3.4. Conclusion
Conclusion
Conclusion générale

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