QUESTION: Dans votre section Ignition du numéro de mars, vous indiquez qu'il faut entre 12 et 15 semaines pour produire un vilebrequin fini pour le moteur Yamaha M1 MotoGP. Il serait fascinant d'avoir Kevin Cameron expliquer pourquoi cela prend si longtemps.
Scott Saunders
Binghamton, New York
RÉPONSE: Au début, il semble étrange que cela prenne autant de temps pour construire l'un vilebrequin à palier lisse d'une machine MotoGP parce que nous avons tous vu des vidéos YouTube de machines CNC fraisant et tournant un vilebrequin sur une billette d'acier solide. Fait en un quart, non? Ensuite, tapez dans le four de traitement thermique, finissez de broyer les tourillons et dans le bâti de construction.
La forme pourrait être faite en un jour, s'il n'y avait pas de contrainte résiduelle. Les machines-outils ne coupent pas réellement. Ils se cisaillent en appliquant une force concentrée sur une très petite zone. Le métal s'écoule, s'étire et se casse lorsque le bord de l'outil avance. Cet écoulement et cet étirement laissent des zones fortement stressées dans la pièce. Si la pièce était mise en service avec ces contraintes en place, la contrainte de fonctionnement s'ajouterait à cette contrainte résiduelle. Les liaisons interatomiques les plus étirées se rompraient alors sous la contrainte de fonctionnement, et avec le temps des fissures se formeraient et se propageraient.
Par conséquent, la pièce doit être soumise à une relaxation avant sa mise en service. L'idée de base est d'amener la pièce à une température qui mettra ses atomes en vibration thermique assez vigoureuse, avec pour résultat que, au lieu de rompre les liaisons interatomiques étirées, ces liaisons peuvent «se déplacer» vers un état d'énergie plus faible. . Les liaisons étirées, agitées par les vibrations thermiques, se relâchent.
Maintenant, un autre problème: plus nous faisons la partie, plus nous pouvons conduire des processus de changement métallurgique que nous ne voulons pas - par exemple, la migration des carbures dans le zones intergranulaires entre le fouillis de cristaux de métal qui composent la partie. Mais plus la température du processus de soulagement des contraintes est basse, plus cela prend de temps. Jours et jours.
Nous avons une idée du traitement thermique élémentaire. Chauffer une simple pièce en acier au carbone pour mettre en solution ses éléments d'alliage, puis réduire subitement sa température (trempe dans l'eau ou dans l'huile), ne laissant former que de minuscules cristaux et de minuscules particules de carbure de fer. Dans cet état, l'acier a une dureté maximale, mais est fragile. Pour le durcir, la pièce est chauffée à une température intermédiaire, ce qui permet aux cristaux de se développer mais en sacrifiant certains des carbures induisant la dureté.
Les alliages modernes sont plus compliqués et nécessitent donc plus d'étapes de traitement thermique pour les mettre en la condition désirée. Cela prend plus de temps.
Et il y a une autre chose: tous les aciers ont une certaine teneur en minéraux à cause du revêtement réfractaire de l'équipement de traitement. Pour atteindre la résistance à la fatigue la plus élevée (comme dans les ressorts de soupapes de course, les bielles et les vilebrequins), l'acier doit être traité sous vide pour permettre à ces contaminants de s'évaporer et être emporté par le système de vide. Cela ajoute d'autres complications et prend plus de temps. Même dans les aciers traités sous vide VIM / VAR de la plus haute qualité, il reste de minuscules "limons" (contaminants minéraux allongés). Chauffer l'acier à une température particulière et ensuite le déformer étire les longerons jusqu'à ce qu'ils se brisent, et leur matériau coalescent en minuscules gouttelettes qui sont trop petites pour servir de sites de nucléation des fissures.
La partie la plus faible de chaque vilebrequin est le rayon joint les journaux (principal ou tige) aux joues. Les fissures ont besoin d'une tension pour se propager, de sorte que la tension est éliminée de ces régions par laminage, grenaillage ou autrement, en plaçant la surface métallique du filet en compression. Plusieurs fois dans le passé, même lorsque des filets généreux sont fournis et mis en compression de cette façon, l'opération de manivelleproduit toujours des fissures de filet. Ensuite, le remède habituel (et partiel) consiste à rétrécir le tourillon pour permettre des filets de plus grand rayon, ou pour couper de plus grands filets dans les joues de manivelle. L'un des procédés utilisés pour produire la compression de surface consiste à accélérer les ions d'azote dans celui-ci, où ils forment des nitrures de fer durs. En les coinçant dans la surface, on les comprime.
Les motocyclistes conscients savent que la lubrification est de plus en plus axée sur les huiles de viscosité toujours plus faible. Cependant, même dans les moteurs de production, l'épaisseur minimale du film d'huile dans un palier lisse chargé peut être inférieure à 2 microns. Toute rugosité de surface proche de cette valeur entraînera un contact entre le palier et le tourillon. Plus vous essayez d'économiser de l'énergie en utilisant une huile plus fine, plus la finition de surface du tourillon doit être parfaite pour empêcher le contact métal sur métal. Pas seulement brillant - parce qu'une surface peut être brillante et avoir encore des vagues. Il doit être vraiment cylindrique, avec la plus faible rugosité de surface possible.
Chrysler a mis au point un procédé pour y parvenir au cours de la Seconde Guerre mondiale, lorsque tout ce qui pouvait réduire le rodage des moteurs d'avion économisait du gaz aviation. Le processus de Chrysler a employé des tours formés, flottant sur un film d'huile, enfermant un journal de manivelle. Plus l'huile était chaude, plus le film devenait mince, jusqu'à ce que le tour commence à toucher seulement les plus grandes surfaces du journal. Par un contrôle minutieux, des finitions de presque toute la douceur désirée pourraient être obtenues. Mais cela prend du temps à réaliser, dans un magasin avec l'équipement spécialisé nécessaire. Lorsque Junior Johnson, coureur de stock-car, a décidé il y a des années de rechercher des économies d'énergie grâce à une viscosité plus faible, il a appris que personne aux États-Unis n'offrait plus le processus. Il a dû aller en Allemagne pour finir ses journaux de manivelle. Depuis lors, le processus a été largement adopté dans la pratique automobile.
Et donc, la ligne de fond: Dorna, en pensant que la course moins chère peut être faite, plus les équipes se précipiteront pour rejoindre la série, a décrété que chaque pilote d'usine ne peut pas utiliser plus de cinq moteurs par saison. Là! Cela devrait réduire les coûts d'un tas! Mais cela laisse les usines à trouver des moyens de faire en sorte que chaque partie dure entre 1 000 et 1 500 milles, au lieu des 150 à 300 milles avant la règle des 5 moteurs. Atteindre la durabilité nécessaire n'est pas bon marché, pas facile, pas rapide.
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