MOTEUR 4 TEMPS 4 CYLINDRES EN LIGNE -...

J-B. SCHULZEL. VIARDM. LEFEBVRE

CP42 : Projet de conception

MOTEUR 4 TEMPS4 CYLINDRES EN LIGNE

Directeur de l'UV : Egon OSTROSIChargé de TD : Frédéric DEMOLY

CP42 : Projet de conception – SCHULZE/VIARD/LEFEBVRE – 11/01/2013 1

Table des matièresI.Introduction.................................................................................................................. 3

II.Principe du moteur 4 temps à culbuteur.......................................................................3

III.Modélisation des pièces..............................................................................................51)Bas du carter............................................................................................................................................52)Haut du carter..........................................................................................................................................63)Culasse.....................................................................................................................................................74)Gorge........................................................................................................................................................85)Vilebrequin...............................................................................................................................................96)Bielle (tête + pied)..................................................................................................................................107)Piston (+ axe piston)...............................................................................................................................118)Roue dentée...........................................................................................................................................129)Came......................................................................................................................................................1310)Arbre à cames.......................................................................................................................................1411)Tige de culbuteur..................................................................................................................................1512)Liaison tige/culbuteur...........................................................................................................................1613)Culbuteur..............................................................................................................................................1714)Soupape...............................................................................................................................................1815)Ressort..................................................................................................................................................19

IV.Modélisation de l'ensemble moteur...........................................................................201)Schéma cinématique..............................................................................................................................202)Assemblage............................................................................................................................................213)Simulation du mécanisme......................................................................................................................224)Mise en plan du moteur.........................................................................................................................23

V.Conclusion.................................................................................................................. 23


I. Introduction

Notre projet consiste à modéliser un système industriel réel à l’aide du logiciel de CAO CATIA. Nous voulions un système qui soit à notre portée et dont les références et dimensions pourraient être obtenues sans grandes difficultés. Passionnés de mécanique et voulant en apprendre plus sur les moteurs, notre choix s’est alors porté sur l’étude d’un bloc moteur à piston 4 cylindres culbuté dit moteur « 4 temps ».

Le premier moteur à piston fut crée dans la deuxième moitié du 19ème siècle par Jean-Joseph Étienne Lenoir en 1859. C’était un monocylindre à deux temps. Le premier moteur 4 cylindre en ligne fut crée en 1896. Et le premier moteur culbuté date de 1922 sur un moto GUZZI. Le moteur étudié est un système qui fut crée dans les années 1970 pour les voitures de tourisme et qui est actuellement encore utilisé sur les motos américaines, sur certaines voitures et essentiellement sur dans les bateaux à moteurs in-board.

Notre groupe de trois étudiants s’est alors plongé dans des recherches internet et des recherches en bibliothèque pour en savoir plus sur notre objet d’étude : mode de fonctionnement, pièces en mouvement, formes et utilité des différents composants. Après nos recherches, nous avons organisé notre groupe de telle sorte qu’il y ait une bonne cohésion. Ayant presque tous le même niveau sur CATIA, le choix du chef de projet se fit par rapport à un atout essentiel, il fallait une personne qui avait une bonne vue d’ensemble pour coordonner les étapes et gérer les équipes. Nous avons donc choisis Jean-Baptiste SCHULZE comme chef de projet. Ce dernier a posé le modèle du moteur à étudier et a donné les différentes dimensions utiles pour la modélisation de chaque pièces. Il vérifiait que chaque pièces modélisées correspondait au modèle. Maxime LEFEVRE s’occupait de la mise en commun des pièces en vue de l’assemblage, et Landry VIARD était chargé de la conception de la majorité des pièces en mouvement. Le reste du travail a été effectué par les trois membres de l'équipe

II. Principe du moteur 4 temps à culbuteur

Un moteur à 4 temps est un système mécanique de type moteur à combustion interne fournissant un travail moteur en utilisant le cycle de Beau de Rochas. Moteur très utilisé aujourd’hui sur les automobiles et beaucoup d’autres véhicules à moteur, il transforme l’énergie délivrée par une combustion dans la chambre, en une énergie mécanique de rotation de l’arbre de sortie.

Il est composé d’un piston qui possède un mouvement de translation, d’un vilebrequin qui sert d’arbre de sortie et d’une bielle qui relie le piston au vilebrequin. Pour la gestion de la distribution, un jeu de 8 soupapes commandé par un arbre à came gère l’admission et l’échappement des fluides.

On parle de moteur à 4 temps car le cycle se décompose en 4 temps ou mouvements linéaire du piston. On part du modèle de départ point mort haut (le piston est au point le plus élevé) :

• 1er temps : Admission. Ouverture de la soupape d’admission.Le piston descend créant une aspiration du fluide sortant de la soupape d’admission.

• 2ème temps : Compression. Fermeture de la soupape d’admission.Le piston remonte pour compresser le fluide dans la chambre.

• 3ème temps : Explosion-Détente. Allumage de la bougie (moteur essence).Le piston est au point mort haut. La combustion se produit, poussant le piston violemment vers le


bas. C’est le seul temps moteur sur le cycle.

• 4ème temps : Échappement. Ouverture de la soupape d’échappementLe piston remonte et éjecte les gaz de la combustion par la soupape d’échappement

La gestion de l’alimentation est effectuée via des soupapes commandées en translation par un système de came. Notre modèle possède la particularité d’avoir des culbuteurs et des tiges de culbuteurs. Ces derniers sont actionnés par l’arbre à cames et transmettent un mouvement de translation à des soupapes en renvois d’angle.

L’ajout de ces pièces rend la conception plus compliquée. Mais d’un point de vue technique, les constructeurs ont longtemps utilisé ce système, qui a pour avantage de simplifier la distribution (pour les moteurs en V, on plaçait un arbre à came entre les rangées de cylindres) et le réglage (réductions des déformations des courroies). Ce système de culbuteurs est cependant peu récent car, pour des raisons de rendements, les culbuteurs ont laissés la place à des arbres à cames en têtes pour augmenter les régimes moteurs et réduire le nombre de pièces.

Un moteur dit à « 4 temps » présente l’avantage d’avoir un rendement supérieur à un moteur à « 2 temps ». Mais à cylindrée égale, ce dernier est plus performant car un moteur à « 4 temps » ne possède qu’un temps moteur sur les 4.

Il peut aussi recevoir une injection directe dans le cylindre (injecteurs qui injecte directement le carburant dans le cylindre) et une gestion électronique des soupapes (qui remplace un arbre à came) ce qui augmente le rendement du moteur et réduit les émissions polluantes. Ces systèmes ne seront pas étudiés dans la suite de ce rapport


III. Modélisation des pièces

1) Bas du carter

Construction par symétrie à partir de de quatre esquisses : une pour la partie centrale qui accueille le vilebrequin et trois pour l'espace des roulements. Ces derniers ne sont pas présentés ici car nous ne les avons pas modélisés nous même. Les trous accueillant les poches sont ensuite créés à l'aide d'une cinquième esquisse

Figure 1 : Arbre CSG et modélisation du bas du carter

Figure 2 : Mise en plan du bas du carter


2) Haut du carter

Construction par symétrie sur la même base que le carter du bas. Les cylindres et autres trous (tiges en arbre à cames) sont créés à partir d'une esquisse et de la fonction « Poche ». Finalement, on crée un second corps que l'on va retirer au premier. Ce corps est constitué des nervures ainsi que d'emplacements spécifiques pour les vis.

Figure 3 : Arbre CSG et modélisation du haut du carter

Figure 4 : Mise en plan du haut du carter


3) Culasse

Modélisation des admissions et des échappements avant de les retirer du corps principal. Le reste de la culasse est construise à partir de « Poches » ou de retrait de pièce secondaires, notamment pour le haut de la culasse ou encore pour l'arrondi des cylindres.

Figure 5 : Arbre CSG et modélisation de la culasse

Figure 6 : Mise en plan de la culasse


4) Gorge

La gorge est utilisée en tant que « PowerCopy ». Pour être utilisée, elle nécessite le rayon de l'axe sur lequel elle est placée ainsi qu'un plan décalé ou non afin de la positionner le long de l'axe. Sa taille est est paramétrable.

Figure 7 : Arbre CSG et modélisation de la gorge


5) Vilebrequin

Le vilebrequin est construit par symétrie. On crée une première partie qui accueillera la première bielle. On la répète ensuite de façon circulaire pour la copier en rotation. Puis on effectue une symétrie sur la pièce. Les axes de maintien de la pièce sont ensuite ajoutés par extrusion. Pour finir on utilise le « PowerCopy » créé pour la gorge afin d'insérer plus tard un circlips

Figure 8 : Arbre CSG et modélisation du haut du vilebrequin

Figure 9 : Mise en plan du haut du vilebrequin


6) Bielle (tête + pied)

Construction par extrusion d'esquisse. Les espaces pour la vis sont créés par « Poche ». L'ensemble « ass_bielle » regroupe ces deux éléments ainsi que deux vis disponibles dans les librairies standards de CATIA V5.

Figure 10 : Arbre CSG et modélisation de la bielle (tête + pied)

Figure 11 : Mise en plan de la bielle (tête + pied)


7) Piston (+ axe piston)

Le piston est construit par opération booléenne. On modélise un cylindre puis on lui retire différentes partie : évidement centrale, trous pour l'axe, méplat sur les côté pour les circlips. On lui ajoute ensuite deux gorges par « PowerCopy ». L'axe du piston est seulement constitué d'un cylindre sur lequel on ajoute une gorge. On applique ensuite une symétrie.

Figure 12 : Arbre CSG et modélisation du piston

Figure 13 : Mise en plan du piston


8) Roue dentée

La roue dentée est construite par répétition circulaire car une seule dent est modélisée. Afin de conserver les mêmes dents sur deux roues de rayons différents, la dent est paramétrée et le nombre de dent est recalculé à chaque fois. Ce paramètre est commandé à l'aide d'une table de paramétrage (pour la petite roue). De plus, nous avons créé une règle qui supprime l'évidement de la roue lorsque le rayon est inférieur à une certaine valeur. La grande roue est la même mais ne possède pas de table de paramétrage.

Figure 14 : Arbre CSG et modélisation de la petite roue

Figure 15 : Mise en plan de la petite roue


9) Came

La came est utilisée en tant que « PowerCopy ». Pour être utilisées, elle nécessite le rayon de l'axe sur lequel elle est placée ainsi qu'un plan décalé un non afin de la positionner le long de l'axe. Sa taille est fixe mais son angle d'inclinaison est paramétrable.

Figure 16 : Arbre CSG et modélisation de la came


10) Arbre à cames

L'arbre à came est construit à partir de l'extrusion de plusieurs esquisses. Les cames sont ensuite rajoutées par « PowerCopy » et positionnées à l'aide de l'axe de l'arbre et d'un plan décalé et perpendiculaire à l'arbre. L'angle des cames peut-être paramétré individuellement ou bien on peut également modifier l'angle de toutes les cames à l'aide d'un paramètre. On finit par ajouter une gorge par « PowerCopy » à notre arbre afin d'accueillir un circlips.

Figure 17 : Arbre CSG et modélisation de l'arbre à cames

Figure 18 : Mise en plan de l'arbre à came


11) Tige de culbuteur

La tige est construite par extrusion de cercles. La hauteur des trois parties est paramétrable et fait l'objet d'une famille de pièce. De plus nous utilisons ici aussi une règle de conception qui stipule que le trou traversant en haut de la tige doit disparaître si le la hauteur de la dernière partie est inférieure à une certaine valeur.

Figure 19 : Arbre CSG et modélisation de la tige de culbuteur

Figure 20 : Mise en plan de la tige de culbuteur


12) Liaison tige/culbuteur

Construction simple extrusion. On applique ensuite des congés d'arêtes avant d'ajouter ou de retirer les axes nécessaires. Nous avons ici besoin d'un axe à faire passer dans le trou de la tige mais aussi d'un trou qui passera dans l'axe extérieur du culbuteur.

Figure 21 : Arbre CSG et modélisation de la liaison tige/culbuteur

Figure 22 : Mise en plan de la liaison tige/culbuteur


13) Culbuteur

Construction par symétrie. On extrude d'abord la forme du culbuteur puis on retire les espaces nécessaires : la poche principale, le trou pour l'axe du culbuteur ainsi que le trou pour l'axe extérieur (liaison avec la tige). On applique pour finir un symétrie.

Figure 23 : Arbre CSG et modélisation du culbuteur

Figure 24 : Mise en plan du culbuteur


14) Soupape

Construction simple par extrusion. La hauteur de la soupape est paramétrée.

Figure 25 : Arbre CSG et modélisation de la soupape

Figure 26 : Mise en plan de la soupape


15) Ressort

Le ressort est construit à partir d'un esquisse à laquelle on va faire suivre une hélice (« Nervure »). Ses dimensions sont toutes paramétrables. Cependant, si nous l'avons modélisé, nous ne l'avons pas ajouté à l'assemblage.

Figure 28 : Arbre CSG et modélisation du ressort

Figure 28 : Mise en plan du ressort


IV. Modélisation de l'ensemble moteur

1) Schéma cinématique

Avant de modéliser l'ensemble de notre moteur, nous devons déterminer les liaisons existant entre les différentes pièces que nous venons de voir. Pour cela, nous tenterons de définir le système en sous la forme d'un schéma cinématique.

Figure 29 : Graphe des liaisons du moteur

Les sous-ensembles sont constitués de :

• A : bas et haut du carter, culasse• B : vilebrequin, clavette, circlips et petite roue• C : bielle (tête et pied)• D : piston (+ axe)• E : arbre à cames, clavette, grande roue• F : tige• G : culbuteur• H : soupape

Nous devrons donc concevoir toutes les liaison données ci-dessus. Elles son équivalentes au schéma cinématique ci-après :


Figure 30 : Schéma cinématique du moteur en deux parties

2) Assemblage

Il est maintenant temps de modéliser notre moteur dans son ensemble. Pour cela, nous allons devoir assembler les pièces conçues les unes avec les autres puis définir les contraintes et liaisons qui existent entre elles. La partie théorique étant réalisée, il nous suffit donc suivre notre schéma cinématique afin de terminer la modélisation. Finalement, après avoir assemblé toutes les pièces, on obtient le moteur suivant :

Figure 31 : Modélisation complète du moteur 4 cylindres


Figure 32 : Synthèse des liaisons créées pour la modélisation

Les liaisons pivots entre le carter et le vilebrequin ainsi qu'entre le carter et l'arbre à cames sont des liaisons commandées en angle qui nous permettent de faire évoluer l'état de notre système.

3) Simulation du mécanisme

Pour finir, nous souhaitons vérifier que notre moteur se comporte correctement. Pour cela, voici la procédure :

• déplacer les fichiers sur votre ordinateur• ouvrir le produit « moteur » qui se situe à la racine du dossier de projet• ouvrir « DMU Kinematics » dans le menu « Maquette Numérique »• sélectionner la « Simulation suivant une loi »• configurer le temps maximal à 40 secondes• configurer le « Nombre de pas » à 200• lancer la simulation

Le moteur tourne alors correctement, selon les cycles donnés dans la première partie.


4) Mise en plan du moteur

Pour finir, on fournit la mise en plan du moteur complet :

Figure 33 : Mise en plan complète du moteur

V. Conclusion

Lors de ce projet nous avons donc collaboré afin de modéliser un système complexe sur le logiciel CATIA V5R20 de Dassault Système, ici un moteur 4 temps en ligne à culbuteur. La modélisation de ce moteur a permis de mettre en évidence le fonctionnement du logiciel CATIA mais aussi le fonctionnement de notre système ainsi que ses limitations.

Notons néanmoins que le moteur à culbuteur est encore présent dans l’industrie actuelle. (Ex : moteur Harley Davidson). Il induit des calculs plus complexes qu’un moteur 4 temps simple, de par la multiplication du nombre de pièces et de leurs mouvements relatifs. Il est également clair que l’ajout de pièce telle que le culbuteur entraîne un surcoût et un entretien supplémentaire.

Ce projet a également pointé les difficultés de la mise en commun de données et du partage d'informations au sein d'un groupe de travail. Il n'est donc pas étonnant de voir se multiplier aujourd'hui les espaces en open-space, qui permettent de relayer les informations de manières plus rapide et claires.

En effet la conception d’un système CAO est soumis à une grande précision qui ne peux être atteinte du premier coup, il est donc nécessaire de discuter avant, pendant et voire même après la réalisation du système afin de juger si les différentes solutions proposé répondent au problème. Si cela n'était pas le cas, il faudrait alors discuter d'éventuelles modifications à apporter.


Enfin ce projet a permis à notre groupe d’appréhender le logiciel CATIA, dans une optique non plus de reproduction mais plutôt dans une optique de conception. Nous avions à notre disposition des plans moins détaillé que ceux rencontrés en TD ce qui nous a amener à réfléchir d'autant plus aux méthodes à mettre en places pour concevoir notre moteur. Nous avons donc pu améliorer notre connaissance de CATIA V5.

Le fait de devoir « imaginer » le système à concevoir nous a par conséquent laissé entrevoir le travail d’un ingénieur en conception, tant dans la difficulté de la modélisation pièce par pièce que dans la satisfaction d’avoir un système fonctionnel.

Notons néanmoins pour finir, que le but de ce projet n'était que d'avoir une système fonctionnel. Nous penserons donc à l'avenir à aborder les autres aspects du métier d'ingénieur en conception, c'est à dire le dimensionnement des pièces (résistances de matériaux) ainsi que la prise en compte des coûts de production, etc.


MOTEUR 4 TEMPS 4 CYLINDRES EN LIGNE -...

Documents

Transcript of MOTEUR 4 TEMPS 4 CYLINDRES EN LIGNE -...