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CONCEPTION D’UN MOTEUR DE COMPETITION

 

 

 

 

Abstract en anglaise

 

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SOMMAIRE

 

 

 

1 Philosophie globale:

 

1.1 Présentation technologique d'un moteur de compétition : 

 

1.1.1 Spécification

1.1.2 Description d'un moteur de compétition

 

1.2 Philosophie de conception :   

 

1.2.1 L’association des fonctions

1.2.2 L’efficacité.

1.2.3 Conclusion.

 

2 Définition de l’architecture d’un moteur d’endurance :

 

2.1 Cahier des charges

 

2.1.1 Exemple d’architecture moteur

 

2.2 Description des accessoires

 

2.2.1 Pompe à eau

2.2.2 Pompe de vidange

                2.2.3 Pompe à huile et régulateur

 

3 Procédés d’obtention des éléments de fonderie :

 

3.1 Choix des procédés en fonction du type de pièce

 

3.2 Présentation sommaire des procédés d'obtention

 

                3.2.1 Moulage au sable

                3.2.2 Cire perdue 

                3.2.3 Le prototypage rapide

 

4 Présentation des différents types de traitement de surface :

 

4.1 Traitement de Revenus et Nitruration

 

4.1 Dépôt de carbone DLC (Diamond Like Carbon)

 

4.3 Critères de sélection et éléments concernés

 

 

 

 

 

Philosophie globale

 

 

 

1.1 Présentation technologique d'un moteur de compétition :

 

 

                                   1.1.1. Spécifications :

 

            Un moteur de compétition a un cahier des charges assez exigeant. Il doit en effet combiner d'une part des performances très importantes en termes de puissance et malgré cela, avoir une masse la plus faible possible.

 

            Pour exemple, un moteur de Formule 1 est 10 fois plus puissant que le moteur d'une petite berline pour une masse moteur identique. Mais les exigences des constructeurs de châssis ne se limitent pas aux simples valeurs de masse et de puissance, la qualité des prestations d'un moteur se mesure également suivant :

 

 

 

 

 

 

            On peut ainsi comprendre toute la difficulté qui réside dans la conception d'un moteur de compétition, tant il est difficile de quantifier le niveau de vibration et de rigidité au stade de la conception.

 

                        1.1.2 Description d'un moteur de compétition

 

            II est important de présenter succinctement le fonctionnement de cette catégorie de moteurs. Le moteur qui nous servira de base pour ma présentation est un moteur Cosworth DFV (Formule 1 de la fin des années 70). Les ensembles et les accessoires sont semblables à ce qui existe sur les moteurs actuels.

 

 

1 Vilebrequin. 2 Carter d'huile (soutient le vilebrequin et permet la récupération de l'huile). 3 Bloc moteur. 4 Volant moteur et embrayage. 5 Culasses. 6 Couvre culasse. 7 Corps d'admission. 8 Pistons. 9 Bielles. 10 Pompe à eau et pompe à huile. 11 Pompe de vidange (aspire l'huile du carter vers le réservoir d'huile). 12 Soupapes et ressorts de soupapes. 13 Engrenage de distribution. 14 Carter frontal (supporte les engrenages de distribution).

 

 

 

 

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1.2 Philosophie de conception :

 

            Le premier pas qui puisse nous permettre de réduire la masse totale du moteur réside en une conception particulièrement réfléchie. Ceci constitue toute la difficulté du travail de pré-étude. La combinaison des méthodes de conception permettant l'association de fonction, l'amélioration de l'intégration des composants et par la suite l'utilisation des alliages légers (aluminium et magnésium haute résistance) autorise des rapports poids/puissance très intéressants.

 

                        1.2.1 L’association des fonctions

 

            Chaque élément du moteur assure au minimum une fonction. Ici, l'idée est de regrouper au sein d'un même élément le maximum de fonctions. Concrètement, il est possible de réduire de manière significative la masse des accessoires en appliquant cette méthode (pompe à eau, à huile, de vidange,... ).

 

            Par exemple, le nombre de palier pour assurer le guidage des pompes peut être réduit au maximum par une conception intelligente. Ceci permet de supprimer la masse de quelques roulements, de la matière métallique les supportant et des dispositifs d'étanchéité. Le schéma ci-dessous résume cette philosophie de conception.

 

 

 

 

            Le meilleur exemple reste sans doute les futurs « alterno-démarreur » : La fonction de l'alternateur ne se limite pas dans ce cas à sa simple fonction de fournir une puissance électrique, mais également de fournir l'énergie mécanique suffisante pour le démarrage du moteur. Ceci permet de supprimer purement et simplement le démarreur (environ 5 kg).

 

                        1.2.2 L’efficacité :

 

            Ici, l'idée consiste à réduire au maximum les pertes, qu'elles soient mécaniques ou thermiques. Il faut donc pour cela travailler sur la réduction des frottements. Il est également possible de réduire les pertes de charge dans les conduites de fluide (eau, huile). Pour cela nous pouvons améliorer les états de surface, mais il est encore plus judicieux de réduire le parcours de fluide. Ceci permet de réduire la masse du moteur (conduit + fluide) et les pertes de charge (et en conséquence la puissance équivalente à ses pertes de charge).

 

            Le meilleur exemple reste le circuit de refroidissement. Ainsi, l'eau permettant le refroidissement du moteur doit :

 

 

            Tous autres échanges se traduisent en perte et doivent donc être supprimés (perte de charge). Le schéma ci-dessous illustre cette philosophie : les conduits d'eau, symbolisés par les flèches, sont aussi courts que possible. La masse du moteur est donc réduite et la puissance consommée par la pompe à eau inférieure (réduction des pertes de charge).

 

 

 

                        1.2.3 Conclusion :

 

            Le moteur doit comporter le moins d'éléments inutile. Les solutions les plus simples sont pour cela souvent les meilleures. Il faut cependant prendre garde à ne pas rendre les éléments de fonderie trop complexe et par conséquent onéreux. La résistance mécanique des accessoires et leur réalisation peut également être affectée dans le cas ou trop de fonctions y sont associées.

 

            Tous les moteurs de compétition ont des architectures quasi identiques. L'état de l'art consiste à concevoir une architecture globale pertinente (position des accessoires) et par la suite à améliorer les systèmes dans leurs détails (réduction des frottements, utilisation du magnésium, calcul des structures).

 

 

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Définition de l’architecture d’un moteur d’endurance

 

2.1 Cahier des charges :

 

            Le cahier des charges nait de l'analyse des besoins des constructeurs de châssis et de la réglementation.

 

·        La puissance : La puissance maximale permet de définir la vitesse maximale que peut atteindre la voiture, mais l'évolution de cette puissance en fonction du régime conditionne l'accélération que subira le véhicule. Il est donc souvent préférable de disposer d'une puissance maximale à plus bas régime et de la conserver pour les régimes croissants. Dans la pratique, ceci n'est pas réellement facile à obtenir (long travail de mise au point).

I

 

___ Courbe de puissance à éviter --- Courbe de puissance idéale

 

 

            II ne faut pourtant pas oublier que la puissance du moteur sera de toute manière limitée par le diamètre de la bride réglementaire. Il est donc intéressant de rechercher une puissance maximale au régime auquel la bride devient pénalisante et de la maintenir le mieux possible pour les régimes plus élevés.

 

·        La cylindrée : la cylindrée est une valeur que nous nous fixons arbitrairement par l’intermédiaire de la réglementation. Dans le cas contraire la cylindrée doit permettre d'avoir un bon niveau de remplissage et un régime de rotation maximal relativement faible (ce qui limite les pertes par frottement).

 

·        La masse : Une masse faible est rendue possible grâce à l'utilisation du Magnésium haute résistance (WE 43) et par la conception d'une architecture moteur intelligente. La masse est bien entendu un critère prépondérant, mais il est intéressant de remarquer qu'une augmentation de celle-ci n'est pas forcément compromettante si le centre de gravité du moteur est situé relativement bas par rapport au centre de gravité de la voiture (la masse totale de la voiture sera de toute manière règlementée).

 

·        La position du centre de gravité la plus basse possible : La tendance actuelle vise à rabaisser au maximum le centre de gravité des moteurs. Pour cela, il est possible d'abaisser la position de l'axe du vilebrequin (limité par le diamètre de l'embrayage et le passage des bielles), d'ouvrir l'angle du V, de rapporter les accessoires moteurs au plus bas et de soigner particulièrement la conception du haut moteur (allégement des culasses et des corps d'admission).

 

·        Intégration maximale des composants : La position des accessoires tels que l'alternateur et le démarreur pose toujours un problème, autant pour le fabricant du châssis que pour le motoriste. Il est donc important de prendre en compte ce problème au plus tôt. L'intégration de l'alternateur et du démarreur est techniquement réalisable, mais ceci pose un problème d'accessibilité que le constructeur de châssis considère réellement pénalisant. L'intégration de certains autres accessoires (échangeur d'huile,...) est néanmoins réalisable.

 

·        Interface avec le milieu environnant optimale : Par le terme « interface », nous entendons l'intégration du moteur avec d'une part le châssis, et d'autre part les éléments techniques environnants (radiateurs, boîte de vitesses,... ). Certains critères sont donc souhaités par le constructeur de châssis :

 

 

1.      Carter avant du moteur totalement plat (liaisons moteur / châssis).

2.      Entrée et sortie des fluides le plus proche des éléments périphériques (radiateur, réservoir,... ).

3.      Accessibilité des éléments démontables aisée (bougies, alternateur).

4.      Liaisons moteur / boîte assurant une bonne rigidité.

5.      Ceci permet de réduire la masse globale, d'améliorer la rigidité et dans une certaine mesure la fiabilité (moins de raccords, de conduit d'eau et d'huile,...).

 

·        Moteur semi-porteur: Il est souhaitable, en endurance, de ne pas proposer un moteur totalement porteur tant il est difficile de quantifier la rigidité du moteur complet. Le moteur est donc entouré d'un berceau qui relie le châssis à la boîte de vitesse.

 

 

                        2.1.1 Exemple d’architecture moteur :

 

 

 

Exemple d’un V6 à 120°

 

 

Vue de l’entrainement par chaîne de la distribution

 

 

 

 

Vue des pompes de vidange + pompe HP

 

 

 

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2.2 Description des accessoires :

 

                        2.2.1 Pompe à eau :

 

            En général au nombre de deux (une par banc pour un moteur en V), elles permettent d’assurer le débit d’eau du liquide de refroidissement.

 

 

            La géométrie de la turbine à eau est assez complexe à définir (diamètre d'entrée, diamètre de sortie, hauteur et forme des aubes,... ). Les calculs théoriques sont tous basés sur des mesures expérimentales (exprimées par des nombres adimensionnels).

 

 

                        2.2.2 Pompe de vidange :

 

            C'est en fait un groupe de pompes (3 au total). Leur rôle et « d'aspirer » un mélange d'air et d'huile émulsionné, du carter vers le réservoir d'huile. Nous disposons, à la sortie de ce groupe de pompes, un dispositif centrifuge permettant la séparation de l'air et de l'huile.

 

            Les pompes à engrenages sont souvent utilisées pour leur faible coût et leur simplicité. Il est envisageable d'utiliser d'autres types de pompes plus onéreuses et plus complexes, mais moins « gourmande » en puissance absorbée.

 

 

 

 

                        2.2.3 Pompe à huile et régulateur :

 

            Elle permet la lubrification des éléments mécaniques du moteur (palier du vilebrequin, arbre à cames, etc...). Sa position dépend de la position du réservoir d'huile (réduction des longueurs de tuyaux inutiles).

 

            Dans le cas où le réservoir d'huile serait situé à l'avant du moteur (coté châssis), la pompe à huile sera positionnée derrière la pompe à eau droite. Dans le cas inverse, c'est à dire avec un réservoir positionné à l'arrière du moteur (entre la boîte de vitesse et le moteur), elle sera positionnée derrière les pompes de vidange et entraînée par celles-ci. L'huile la traversant doit avant de lubrifier le moteur, être filtrée, refroidie et régulée en pression (3,5 – 8 bar).

 

 

 

 

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Procédés d’obtention des

éléments de fonderie

 

 

3.1 Choix des procédés en fonction du type de pièce :

 

            Un moteur de compétition utilise largement des pièces issues de fonderie. Il est donc important de connaître, au stade de la conception, les contraintes corrélatives à chacun des procédés. Certains sont pour autant trop onéreux pour être utilisés pour notre application (moulage en coquille, coulé sous pression,...).

 

Le tableau ci-dessous présente les différents procédés utilisés pour la réalisation des pièces d’un moteur d’endurance.

 

 

3.2 Présentation sommaire des procédés d'obtention :

 

            Le coût des éléments de fonderie représente 7% du prix de revient du moteur. Les outillages et les premiers éléments prototypes représentent 25% de la somme du Business Plan. Il est donc important de choisir judicieusement l’outilleur et les procédés à utiliser.

 

                        3.2.1 Moulage au sable :

 

            Utilisé pour les pièces de grandes dimensions. A partir du fichier 3D, le modeleur usine dans une résine l'empreinte de la pièce en la divisant en plusieurs parties (noyaux, démoulage).

 

 

 

            Le fondeur vient ensuite « taper » du sable autour de cet outillage afin d'obtenir un négatif de la pièce. Il suffit ensuite de couler la matière dans ce moule en sable et la pièce finie est obtenue après « décochage » (le sable est extrait des cavités).

 

                        3.2.2 Cire perdue :

 

            Pour pièces de petite dimension et de fine épaisseur (aluminium, magnésium, autre... ). Le fichier 3D est également exploité afin de réaliser le négatif de la pièce à obtenir. On vient ensuite couler de la cire dans ce négatif afin d'obtenir un modèle en cire de la pièce finie.

 

 

 

            II est possible de venir coller plusieurs modèles en cire, ce qui laisse la possibilité de réaliser des pièces complexes. Ce modèle est ensuite enrobé par du plâtre avant d'être dissout thermiquement. La matière peut ensuite être coulée dans ce modèle en plâtre.

 

 

                        3.2.3 Le prototypage rapide :

 

            Le procédé de fonderie est identique à celui utilisé avec la cire perdue, mais le procédé d'obtention du modèle en cire est différent. Le modèle en cire est « imprimé » en trois dimensions par une machine spéciale, similaire à une imprimante à jet d'encre mais projetant en couche de petites quantités de cire à l'état liquide.

 

 

 

 

 

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Présentation des différents

types de traitement de surface

 

            Les éléments mécaniques des moteurs de compétition font largement appel au revêtement et au traitement de surface. Grâce à ces possibilités technologies, leur niveau de performance et leur fiabilité se sont accrus considérablement.

 

            Il est donc important de les connaître et d'en maîtriser les applications. Nous utilisons bien entendu les procédés classiques de cémentation et de nitruration, mais pour certains éléments critiques, il est préférable d'utiliser les procédés couches minces (DLC,...).

 

4.1 Traitement de Revenus et Nitruration :

 

            Principe : Obtenu par diffusion d'azote en surface vers 560°C suivi d'un refroidissement lent. La dureté est obtenue par la formation de nitrures (fer, chrome et aluminium).

 

            Dureté atteinte: 1100 à 1200 Hv0.05 (en surface)

 

 

Four de traitement thermique sous vide pour la réalisation de trempe,

 de revenus et de Nitruration.

 

4.2 Dépôt de carbone DLC (Diamond Like Carbon) :

 

            Ici, le procédé consiste à revêtir le matériau d'une couche aux propriétés mécaniques élevées (Dépôts possibles : DLC, Cr, Ti, WC, TiB2).

 

            Principe : Procédé qui permet de réaliser des couches carbones diamant (ou autres) par une technique de dépôt chimique (DLC) ou physique (Cr, Ti, WC, TiB2) en phase vapeur à partir d'un mélange gazeux à base d'hydrocarbures ou de métal.

 

            La température de travail est inférieure à 200 °C. L'épaisseur du revêtement est de 2 à 3 nm (des épaisseurs supérieures peuvent être obtenues par des empilements de type multicouches)

 

 

 

·              Dureté élevée (Hv0.05: 4000 à 6000)

·              Faible coefficient de frottement (<0.1)

·              Chimiquement inerte

·              Conductibilité thermique élevée

·              Haute Résistivité électrique

·              Transparent dans l'infra - rouge

·              Biocompatible

·              Utilisation possible jusqu'à 300°C

 

 

Coefficient de frottement en fonction du temps (rubis / substrat)

 

            Le coût d'un revêtement DLC est 30 à 50 fois plus important que celui d'une nitruration. Il est donc judicieux de justifier en amont la nécessité de tels moyens…

 

4.3 Critères de sélection et éléments concernés :

 

Les critères et les exemples d'application sont résumés dans le tableau suivant :

 

Procédés

Propriétés

Applications

Cémentation

Bonne dureté (800 à 850 HV0.05)

Faible coût d'obtention

Chemin de roulement

Porté de joint à lèvre

Cannelure / Engrenage

Nitruration

Meilleure dureté que la cémentation (1 100 à 1200 HV0.05).

Peu de déformation de la pièce après traitement.

Chemin de roulement

Porté de joint carbone Engrenage fortement sollicité Axe de piston

Revêtement couche mince

Très bonne résistance à l'usure / corrosion Très bonne dureté (4000 à 6000 HV)

Faible frottement

Coût très important

Axe de piston

Piston

Soupape

Eléments de distribution

 

 

 

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