Influence des défauts de surface dans l'huile

May 28, 2023

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 21131 (2022) Citer cet article

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Le but de cette étude est d'évaluer la durée de vie en fatigue d'un ressort de soupape de moteur automobile lorsque le micro-défaut est appliqué à un fil trempé à l'huile de classe 2300 MPa (fil OT) avec un diamètre de 2,5 mm comme profondeur critique du défaut. Premièrement, la déformation des défauts de surface du fil OT au cours des processus de fabrication du ressort de soupape a été dérivée via une analyse FE utilisant la technique de sous-modélisation, et la contrainte résiduelle du ressort final a été mesurée et appliquée au modèle d'analyse de la contrainte du ressort. Deuxièmement, la résistance du ressort de soupape a été analysée pour examiner la présence de contraintes résiduelles et comparer les niveaux de contraintes appliqués par le défaut de surface. Troisièmement, l'influence des microdéfauts sur la durée de vie en fatigue du ressort a été évaluée en appliquant la contrainte sur le défaut de surface dérivée de l'analyse de la résistance du ressort à la courbe S – N dérivée d'un test de fatigue par flexion rotative avec le fil OT. La profondeur des défauts de 40 µm, qui est le critère existant pour la gestion des défauts de surface, ne réduit pas la durée de vie en fatigue.

Les pièces automobiles légères sont très demandées dans l’industrie automobile pour améliorer le rendement énergétique des véhicules à moteur. Par conséquent, l’utilisation d’aciers avancés à haute résistance (AHSS) a augmenté ces dernières années. Un ressort de soupape de moteur automobile comprend principalement un fil trempé à l'huile (fil OT) présentant une résistance élevée à la chaleur, à la fatigue et à l'affaissement.

Les fils OT actuellement utilisés aident à réduire la taille et le poids des ressorts de soupapes du moteur en raison de leur haute résistance à la traction (1 900-2 100 MPa) ; ils peuvent améliorer le rendement énergétique en réduisant la friction avec les pièces environnantes1. En raison de ces avantages, l'utilisation de fils à haute tension a augmenté rapidement et des fils à ultra haute résistance de classe 2 300 MPa ont été développés. Une longue durée de vie en fatigue est souhaitée pour les ressorts de soupapes de moteurs automobiles car ils fonctionnent sous des niveaux élevés de contraintes cycliques. Pour satisfaire cette exigence, les fabricants conçoivent généralement des ressorts de soupape en considérant une durée de vie en fatigue supérieure à 5,5 × 107 cycles et appliquent une contrainte résiduelle à la surface des ressorts de soupape par le biais des processus de grenaillage et de prise à chaud pour améliorer leur durée de vie en fatigue2.

Diverses recherches sur la durée de vie en fatigue du ressort hélicoïdal automobile dans l'environnement d'exploitation conventionnel ont été suffisamment menées. Gzal et coll. a présenté une analyse analytique, expérimentale et par éléments finis (EF) d'un ressort hélicoïdal à section transversale elliptique avec un petit angle d'hélice sous charge statique. Cette étude fournit une expression explicite et simple de la localisation de la contrainte de cisaillement maximale en fonction du rapport d'allongement et de l'indice de ressort et permet d'obtenir analytiquement la contrainte de cisaillement maximale, c'est-à-dire un paramètre crucial en termes de conception pratique3. Pastorcic et coll. décrit les résultats de l'analyse de défaillance et de fatigue d'un ressort hélicoïdal retiré d'un véhicule personnel après une défaillance en service. À l’aide de méthodes expérimentales, le ressort fracturé a été examiné et, à partir des résultats, on peut conclure qu’il s’agit d’un exemple de rupture par fatigue-corrosion4. Kong et coll. développé plusieurs modèles de durabilité des ressorts basés sur la régression linéaire pour l'évaluation de la durée de vie en fatigue des ressorts hélicoïdaux automobiles5. Putra et coll. déterminé la durée de vie d'un ressort hélicoïdal automobile en raison de la rugosité de la surface de la route. Cependant, peu d’études ont été réalisées sur la manière dont les défauts de surface générés au cours du processus de fabrication affectent la durée de vie du ressort hélicoïdal automobile6.

Les défauts de surface générés lors des processus de fabrication provoquent une concentration locale de contraintes dans les ressorts de soupape, réduisant ainsi considérablement leur durée de vie en fatigue. Les défauts de surface des ressorts de soupape sont causés par divers facteurs, tels que des défauts de surface dans les matières premières utilisées, des défauts dans les outils et une manipulation imprudente pendant le processus d'enroulement à froid7. Les défauts de surface des matières premières sont en forme de V avec une pente raide, en raison des processus de laminage à chaud et d'étirage multi-passes, tandis que les défauts causés par les outils de formage et une manipulation imprudente présentent une forme en « U » avec une pente douce8,9, 10,11. Les défauts en forme de V provoquent des concentrations de contraintes plus élevées que les défauts en forme de U ; par conséquent, des normes strictes de gestion des défauts sont généralement appliquées aux matériaux initiaux.