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 [Technique] Etude de cas; cache arbre à cames Ilmor

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AuteurMessage
Marc
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MessageSujet: [Technique] Etude de cas; cache arbre à cames Ilmor   Mer 9 Déc - 0:16

Voici la rapide (!) traduction d'une étude de cas d'amélioration du cache-arbre à cames de l'Ilmor 2007 menée par CRP.
Comme on le voit, rien n'est vraiment simple à ce niveau... (lire jusqu'à la fin)



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Le challenge est l’optimisation du cache-arbre à cames de l’Ilmor MotoGP 2007.

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Le cache arbre à cames est la pièce structurelle qui contient les paliers d’arbres à cames (l’arbre à cames tourne à plus ou moins 19 000 t/m) et qui est directement fixée sur la culasse qui atteint les 800°.
A l’intérieur, circule de l’huile à 130/140°.
Les objectifs d’optimisation sont :
1/ Allègement de 31%
2/ Fiabilité
3/ Modifications ultérieures et production rapides (les modifications doivent être possibles en cours de saison)

Les aspects les plus délicats d’un cache-arbre à cames sont son centrage, le maintien de ce centrage, et sa capacité d’huile.
Cette pièce est habituellement usinée en CNC ou issue de la fonderie avant d’être usinée, méthode couteuse en temps et en argent.
Ici, le propos est d’utiliser la technologie SLS (Selective Laser Sintering)* et de la combiner avec du métal, ce qui permet de créer des pièces composites (un peu comme du béton armé).
Les avantages de cette technique sont la rapidité et la souplesse alors que ses limites peuvent être la résistance mécanique du plastique qui est inférieure à celles des alliages d’aluminium ou du carbone.
Le coût est toujours pris en considération et le but est d’utiliser cette technique là où elle peut alléger le prix, la lourdeur et les temps de production.

Objectifs
A l’occasion d’une rencontre avec Ilmor, le propos du projet a été défini comme suit: Rationalisation et amélioration des performances du cache-arbre à cames
Différents points s’avèrent nécessaires pour mener à bien le processus:
1. Diminution, autant que possible, l’usinage des pièces métalliques en les remplaçant par des pièces en plastique quand leur résistance le permet.
2. Diminution du poids sans compromettre les qualités structurelles du dessin.
3. Rationalisation des zones usinées en utilisant Presque exclusivement à la découpe au au détriment du fraisage.

Résultat
Le résultat est une pièce en composite Windform où les différents matériaux ont une fonction spécifique ou une qualité structurelle.

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Autour d’une âme en metal-ceramic matrix (MMC), a été crée une coquille en carbone. Cette coquille a été synthétisée à partir de poudre directement depuis un modèle mathématique élaboré en quelques heures.
Les pièces métalliques (supports d’arbre à cames) ont été réalisées par découpe et soudage tandis la coque est une forme complexe peu réalisable par usinage.

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Les supports d’arbres d’arbres àcames sont donc en MMC: “Metal Matrix Composites” pour offrir des gains en poids, rigidité et résistance.
Les standards industriels proposent le AMC225XE.
Un alliage d’aluminium AA2124 renforcé jusqu’à 25% de particules de carbure de silicium de 2 à 3 microns a été retenu. Ce matériau est versatile : il peut être usiné (outils au diamant), forgé ou formé par extrusion ou laminage.

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Puis, le tout a été collé à l’aide d’un gabarit en utilisant des colles à haute performances, développées pour l’aéronautique, dont la composition et les propriétés restent confidentielles.

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Pour mieux comprendre pourquoi la fabrication de cet élément composite est si confidentielle et intéressante, il est important d’expliquer les difficultés de collage que rencontrent tous les techniciens amenés à assembler du carbone et de l’aluminium.

La fibre de carbone classique crée une pile et une corrosion galvanique lorsqu’elle est en contact avec de l’aluminium, spécialement en milieu humide et salé.
Evidemment, il y a toujours un peu d’humidité dans l’air ambiant et cela peut engendrer l’oxydation de l’aluminium propice à l’apparition de fissures.

De plus, les différentes dilatations thermiques rendent le collage presque impossible.
En pratique, le carbone se dilate très peu, à l’inverse de l’aluminium.
Un aluminium comme le 2024, utilise dans les applications high-tech à une dilatation de 1.85 mm par mètre en passant de 20 °C à 100 °C.
A ces mêmes températures, le carbone ne varie quasiment pas, ce qui tire sur le joint de colle et peut entraîner son déchirement.

Une solution contre la corrosion galvanique pourrait être le recouvrement des parties métalliques par de la fibre de verre avant la fibre de carbone ; elle jouerait alors le rôle d’isolant en éliminant le contact entre les deux pôles de la pile formée par le carbone et l’aluminium.

Malheureusement, pour des pièces travaillant à hautes températures, cela n’élimine pas le problème des dilatations thermiques.
De plus, si l’on appliquait le carbone directement sur l’aluminium (ou avec de la fibre de verre) dans la passé, aujourd’hui on le moule au préalable avant de le fraiser puis de le coller avec un adhésif qui n’élimine pas le problème du différentiel des dilations s’il est trop rigide.
Récemment, des recherches poussées ont été menées pour augmenter l’élasticité des collages.
Néanmoins, le collage le plus pertinent reste celui entre le carbone et l’alliage de titanium, grâce auquel les problèmes de corrosion restent limités, tout comme les différences de dilatation.

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Dans l’exemple précédent, le Ti 6Al4V subirait une dilatation de 0.68 mm, soit trois fois moindre que l’aluminium.

Notre MMC AMC225xe se situe entre l’aluminium et le titanium. Sa dilatation est de 1.2 mm
Avec des adhésifs spéciaux et élastiques, il est donc possible de réduire les problèmes par rapport aux alliages d’aluminium classiques.
Dans le cas présent, la situation est améliorée car le Windform XT étant la partie la plus souple de l’assemblage, il se déforme en réduisant ainsi la traction sur le joint de colle, à l’inverse de la fibre de carbone traditionnelle.
Comme les supports sont faits exclusivement en MMC, et donc plus rigides et résistants à poids égal que l’alliage d’aluminium, la différence d’élongation entre les deux éléments est moindre.
En ce qui concerne les problèmes de corrosion, comme Windform XT a une forte proportion de polyamide et moins de carbone, la différence de potentiel avec le MMC est moindre, par rapport à de la fibre de carbone traditionnelle, et le phénomène devient négligeable.

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Trois versions supplémentaires ont été étudiées. L’une d’entre elle, avec un autre alliage d’aluminium à la place du MMC, semblerait pouvoir convenir avec des traitements supplémentaires mais cela relève encore de la confidentialité.
En fait, le MMC pourrait présenter des problèmes de friction avec l’arbre à cames et des process supplémentaires sont peut-être nécessaires.

Après le passage au banc, voici le premier rapport des ingénieurs de Ilmor.
Ian Watson (Ilmor Senior Designer): “Le moteur a tourné avec le cache-arbre à cames pendant l’équivalent de seulement 100 kilomètres mais à pleine vitesse.
Il n’y a eu aucun problème, pas de fuite, pas de différence de performances et cela a été jugé comme un succès complet.
Après démontage, tous les composants internes de la culasse sont en bonne condition, sans signe de fatigue ou problème potentiels.
Néanmoins, le collage entre les pontets en aluminium et le Windform s’est rompu.
Les pontets sont encore en place mais il est possible de les bouger à la main.
Je ne sais pas pourquoi cela est arrivé. Il n’y a pas de signe de déplacement (pas de frottements visibles) donc je pense que tout était ok quand cela a été assemblé.
Le coupable est peut-être la différence de dilatation.
Je ne suis pas trop déçu de cette rupture du collage ».




* ndlr: Une sorte d’imprimante laser qui catalyse le plastique en 3D au 1/10ème de millimètre

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Dernière édition par Marc le Mer 9 Déc - 23:06, édité 1 fois
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Emmanuel Laurentz

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MessageSujet: vitesse de rotation ACT   Mer 9 Déc - 11:50

bon sujet sur la recherche des matériaux et des applications possibles sur les moteurs, merci Marc, une chose à dire sur la vitesse de rotation des ACT elle est 50% de celle du villo:
soit 9500 TRM ( et pour le fun, 9500 : 60 = 158 ouvertures de soupapes x seconde, rapelle pneumatique des soupapes obligatoire!)
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Marc
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MessageSujet: Re: [Technique] Etude de cas; cache arbre à cames Ilmor   Mer 9 Déc - 11:56

Très bonne remarque...



Je n'ai fait que traduire le document.



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janpol84

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MessageSujet: Re: [Technique] Etude de cas; cache arbre à cames Ilmor   Mer 9 Déc - 17:44

Oui, l'arbre à came qui tourne à demi-régime du vilebrequin, c'est basique, ou alors, leur moteur tourne à 38000 tr/mn? Chiche.

Et sinon, leur pièce si élaborée, elle apporte quoi comme bénéfice opérationnel, c'est-à-dire une fois la pétoire en piste? Bon OK, pour la fabrication, j'admets que l'usine y trouve son compte. Parce que sans ça, ça donne surtout l'impression d'un délire d'ingénieurs qui se sont fait plaisirs à faire HiTech...

Mais c'est bien intéressant quand même, ne serait-ce que pour savoir que ça se fait, et aussi pour avoir un aperçu des cogitations de ces braves gens. Encore que pour en avoir cotoyé quelques-uns dans mon mêtier, j'ai appris à prendre un certain recul par rapport aux ingénieurs anglo-saxons, qui auraient volontiers tendance à vouloir en permanence faire croire qu'ils sont à l'extrême pointe de l'avant-garde, y compris quand ils en sont à galoper derrière nos propres petits gars bien d'chez nous... Tout est dans la façon de présenter les choses...
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Marc
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MessageSujet: Re: [Technique] Etude de cas; cache arbre à cames Ilmor   Mer 9 Déc - 21:24

C'est vrai qu'avec mauvais esprit, si on résume, toute leur étude met en avant des matériaux qui limitent les différences de dilation et, pouf, le joint de colle casse au banc en moins de 100 kms!



Mais bon, comme je n'ai pas mauvais esprit, j'admire toutes ces recherches!



De plus, ils jouent franc jeu en publiant la vérité, ce qui est loin d'être la cas partout...

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janpol84

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MessageSujet: Re: [Technique] Etude de cas; cache arbre à cames Ilmor   Mer 9 Déc - 21:37

Oui, j'ai adoré le commentaire du type : "Je ne suis pas trop déçu de cette rupture du collage".
Ah bon? Et si ça avait tenu? il jetait tout à la poubelle, ou quoi?
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Fabien

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MessageSujet: Re: [Technique] Etude de cas; cache arbre à cames Ilmor   Mer 9 Déc - 22:09

janpol84 a écrit:
Encore que pour en avoir cotoyé quelques-uns dans mon mêtier, j'ai appris à prendre un certain recul par rapport aux ingénieurs anglo-saxons, qui auraient volontiers tendance à vouloir en permanence faire croire qu'ils sont à l'extrême pointe de l'avant-garde, y compris quand ils en sont à galoper derrière nos propres petits gars bien d'chez nous... Tout est dans la façon de présenter les choses...

Sauf erreur d'inattention, ils sont italiens eux.

Peut-être pas mieux que les anglo-saxons cependant, mais là je ne peux pas juger...
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janpol84

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MessageSujet: Re: [Technique] Etude de cas; cache arbre à cames Ilmor   Mer 9 Déc - 22:15

Possible... mais finalement, ça doit être le fait de publier en anglais... en apprenant la langue, au passage, ils ont attrapé les petits travers des autres, et on peut même les soupçonner de faire de la surenchère dans le genre.... A ceci près que c'est les ritals qui font les Ferrari, la Ducati, et le chianti. Respect...

Mais longue vie à nos propres ingénieurs, pas vrai, Fabien?

Dans mon domaine, j'ai un peu trempé dans les logiciels de conception des trajectoires de vol aux instruments. A la fin des années 90, il y avait une dizaine de boites en concurrence. Aujourd"hui, il ne reste plus que la France et l'Italie... Quant au contrôle aérien du futur (concept FANS, ADS-CPDL), la France tient la corde depuis un bon moment, et bizzarement, les USA sont à la remorque de l'Australie et de la Nouvelle Zélande... Alors, franchement, ça ne va pas si mal pour nos "cerveaux"
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Marc
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MessageSujet: Re: [Technique] Etude de cas; cache arbre à cames Ilmor   Mer 9 Déc - 22:38

N'empêche que le Windform, et probablement ses concurrents, est un matériau extraordinaire!

Tu dessines sur l'ordi, appuie sur un bouton et ta pièce en carbone est faite!



J'ai vu un reportage sur BMW F1 où ils montraient comment ça fonctionnait: en gros, un laser balaie une cuve cubique en faisant des passes décalées de 1/10 de millimètre en hauteur et solidifie le carbone sur son passage...
Si je trouve ça sur le net, je le mets ici.

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janpol84

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MessageSujet: Re: [Technique] Etude de cas; cache arbre à cames Ilmor   Mer 9 Déc - 22:56

On n'arrête pas le progrès.
Le prototypage rapide fait également appel à plein de procédés rusés, c'est assez fabuleux.
Mais bon, les types d'Ilmor poussent quand même le bouchon un poil trop loin, au risque de poser un petit problème de crédibilité, non?
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remix31

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MessageSujet: Re: [Technique] Etude de cas; cache arbre à cames Ilmor   Jeu 10 Déc - 8:29

peut etre que le budget pour faire la moto est en parti pour une etude sur ce materiau d'ou le sujet
il me semble que se systeme de bille de materiau transformé par le lazer existe aussi pour l'allu
si quelqu'un a des infos?chez adm il me semble (peut etre je dis des co--eries)
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janpol84

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MessageSujet: Re: [Technique] Etude de cas; cache arbre à cames Ilmor   Jeu 10 Déc - 11:34

Les procédés modernes permettent de faire plein de choses hallucinantes. Mais un habile fondeur m'a récemment parlé des aubes de turbo-machine bêtement réalisées par moulage à la cire perdue, ce qu n'interdit pas de s'interroger sur la façon de fabriquer des aubes mono-cristallines, ce qui signifie qu'on arrive à maîtriser l'organisation des atomes entre eux, sur des longueurs approchant les 200 ou 300 mm. On a quelqu'un sur ce forum qui connaitrait un peu tout ça pour nous en parler?
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carburafon

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MessageSujet: Re: [Technique] Etude de cas; cache arbre à cames Ilmor   Jeu 28 Jan - 22:15

sujet très intéressant ,je me coucheré moin c.......n ce soir
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fab42

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MessageSujet: Re: [Technique] Etude de cas; cache arbre à cames Ilmor   Ven 19 Aoû - 17:57

Ca fait un bon déterrage, mais c'est sympa de voir des truc comme ca sur le forum, joli sujet.

Pour Janpol effectivement les aubes mono-cristallines existent dans les turboréacteurs, au niveau de la turbine. Je peux pas en dire plus la dessus, mais on trouve deja quelques infos sur le net :
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Fügner

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MessageSujet: Re: [Technique] Etude de cas; cache arbre à cames Ilmor   Ven 19 Aoû - 19:32

J'avais raté ce sujet:
1) On fait de la solidification dirigée, on oriente les grains parallèles dans le sens perpendiculaires aux efforts pour augmenter la solidité. Les grappes céramique sont posées sur la sole refroidie du four sous vide, on joue aussi sur l'isolement de la grappe en fonction des formes, des masses, ça, c'est pour les enfants.
2) Pour les grands, on procède de la même manière par orientation du refroidissement en faisant pousser le cristal à partir d'un germe monocristallin au travers de chicanes. Un choc et ça recristallise avant le traitement thermique qui stabilise la pièce.
Plus de joint entre les grains = un autre monde!
En voila une idée qu'elle est bonne pour réduire les couts en maux / taux grand prix
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mickie

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MessageSujet: Re: [Technique] Etude de cas; cache arbre à cames Ilmor   Ven 19 Aoû - 19:59

Un mot sur les arbres à cames qui tournent à mi-vitesse du vilo (La palisse, sors de ce corps!)
Quand la 1000 gold-wing est apparue, il y a eu un essai dans un bouquin du type play-boy, où le gars (qui avait certainement vu plus de fesses que de motos) expliquait que pour contrer le couple de renversement, les arbres à cames de la moto tournaient à l'envers et légèrement plus vite! L'alternateur, je veux bien, mais les brecames, ça va faire du bruit...

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MessageSujet: Re: [Technique] Etude de cas; cache arbre à cames Ilmor   

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