Étude sur l’élasticité et la plasticité des vis de tête d’automobile

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ARTICLE ORIGINAL

PINHEIRO, Samuel Junio França [1]

PINHEIRO, Samuel Junio França. Étude sur l’élasticité et la plasticité des vis de tête d’automobile. Revista Científica Multidisciplinar Núcleo do Conhecimento. An 05, Ed. 06, vol. 02, p. 149 à 169. juin 2020. ISSN: 2448-0959, Link de acesso: https://www.nucleodoconhecimento.com.br/genie-mecanique/elasticite-et-plasticite

RÉSUMÉ

Les vis doivent maintenir les forces de serrage appliquées, cependant, après le couple et le cycle de charge, une élongation se produit dans sa structure. L’efficacité d’un tel composant est vitale pour l’ajustement et le fonctionnement parfaits du moteur. Dans ce travail, nous proposons une comparaison entre les déformations réelles et celles obtenues à partir de la simulation computationnelle des vis de tête, prises à partir de moteurs à essence et diesel. Les vis utilisées dans l’expérience seront de conduite et de têtes d’utilité de quatre marques différentes: Pallium 1.6 16v, Marea 2.0, Zafira 2.0 et Pajero 2.8 Diesel.

Mots clés: Vis, traction, déformation, calculs, tête.

1. INTRODUCTION

L’Archytas grecque de Tarentum a été responsable du développement de la vis vers 400 av. J.-C. À l’époque, il a été développé pour être utilisé dans les presses pour l’extraction de l’huile d’olive, ainsi que dans la production de vin. L’histoire de la vis, dans ses multiples versions, souligne qu’Archimède, vers 250 av. J.-C., a développé le principe du fil, en l’utilisant pour la construction de dispositifs pour le transport de l’eau dans l’irrigation. Le premier document imprimé sur des vis apparaît dans un livre du début du XV e siècle, mais les vis métalliques n’apparaissent qu’en Europe à partir de l’an 1400 et Johann Gutenberg inclut ces composants parmi les attaches de son imprimante (Screw Magazine).

Il est à noter que, tout au long de l’histoire, la vis a toujours été une solution à des problèmes sans fin, et, bien sûr, généré d’autres, parce qu’ils ont été faites par différents inventeurs et il n’y avait pas de normes et de normes. En raison de ce besoin, les normalisations ont été créées, obtenant ainsi des résultats qui ont rendu son application universelle. Selon Norton (2011), la vis présente dans un projet peut sembler l’un de ses aspects les moins intéressants, mais il est en fait l’un des plus fascinants. Ainsi, des milliers de conceptions communes différentes sont offertes par des fournisseurs, qui à leur tour sont utilisés dans des assemblages complexes, comme une automobile ou un avion.

2. MÉTHODOLOGIE

Les travaux consistent en l’analyse structurale d’échantillons de boulons prélevés sur des têtes de moteur à combustion analogues au cycle Otto et Diesel, en comparant avec de nouvelles vis et en analysant la déformation subie après le couple requis par le fabricant (SILVEIRA, 2008; FERNANDEZ, 2006; ARAÚJO, 2007). En possession des vis, leur composition métallique a été définie en fonction de leurs propriétés mécaniques, des mesures et des calculs des contraintes auxquelles elles ont été soumises, et après cela, les paramètres obtenus pour la simulation computationnelle seront appliqués à l’aide du logiciel SolidWorks2019. Les outils suivants ont été utilisés pour mener à bien l’expérience :

  • Caliper;
  • Software SolidWorks 2019;
  • Machine d’essai de traction GUNT WP 300.20 TEST DE TRACTION;
  • Formule de droit de Hooke pour la déformation

La loi de Hooke a été utilisée dans les calculs pour déterminer la force de la déformation. La loi détermine la déformation subie par un corps élastique par une force (LABURU; ALMEIDA, 1998; MASCIA, 2006). La formule utilisée correspond à l’équation 1.

Où:

δ – élongation de partie en [m]        F – charge nominale appliquée [N]

E – modulo d’élasticité [Pa]             A – surface transversale [m2]

L0 – longueur initiale de la partie     Lf longueur finale

Les vis de tête de moteur des wagons suivants ont été analysées, comme le montre le tableau 1 :

Tableau 1 : Rapport véhicule/boulon

Véhicule Quant. Vis
Fiat Marea 2.0 (1er moteur) 2
Fiat Marea 2.0 (2ème moteur) 12
FIAT Palio 1.6 10
GM Zafira 2.0 10
MITSUBISHI Pajero 2.8 Diesel 22

Source: Auteur (2020)

Afin de tester l’expérience, des mesures ont été faites de toutes les vis pour savoir combien la vis a été allongée et après que toutes les mesures ont été faites et annotées, une feuille de calcul a été utilisée et le graphique a été élaboré avec les comparaisons nécessaires pour comprendre combien il est important de connaître la déformation de la vis après le couple exercé. SolidWorks 2019 a ensuite été utilisé pour comparer les résultats de l’expérience.

3. RESULTATS ET DISCUSSION

Les vis de tête pour les moteurs à combustion, en général, ont des propriétés élastiques et une résistance très spécifique. La vis a une résistance à la traction initiale et un couple fourni prédéterminé par le fabricant génère une tension normale dans la zone de la tête de vis, et cette tension est due à la « récharge initial » (sièges de partie) et les étapes de serrage angulaire suivantes indiquées par chaque fabricant.

3.1 CHARGE

La préchargement est le serrage défini par le fabricant ou l’assembleur fait à l’aide d’un tachymètre pour avoir l’intention de asseoir le couvre-chef (processus de faible complexité nécessitant uniquement l’ajustement du tachymètre et son utilisation correcte) (LA CAVA et al, 2000; SCHWONBACH et al, 2008)

3.2 GRIP ANGULAIRE

Ce procédé peut être dimensionné pour utiliser la capacité maximale de résistance de la vis, c’est-à-dire les déformations de vis dans la région en plastique sans défaillance de vis (COURTES et al, 2017; MONTEIRO, 2016). La composition chimique de la vis de la tête a une « entibilit » élevée (capacité de se déformer avant que la structure ne tombe en panne). La phase d’angle de serrage est la plus précise et sa dimension est faite pour dépasser le débit dans 100% des cas, et, pour cette raison, elle est extraite à la force maximale et de plus petites dimensions doivent être prises en compte dans le calcul. La conséquence de cela est que cette méthode permet à de plus petites vis d’être utilisés pour avoir la force attendue et de garder l’articulation en opération, comme indiqué par Garcia (2008).

3.3 ANALYSE

L’analyse a été effectuée en comparant les nouvelles vis (mesures fournies par le fabricant) et les vis usagées retirées des moteurs après l’entretien. Les mesures ont été effectuées avec l’étrier, étant 14 échantillons de fiat marea 2.0 vis de tête, 22 échantillons de Mitsubishi Pajero 2.8D, 10 échantillons de Fiat Palio 1.6 et 10 échantillons de GM Zafira 2.0. On a observé que les vis utilisées avaient une longueur différente des nouvelles vis. Nous avons ensuite cherché à connaître la tension appliquée à chaque vis pour générer les déformations observées. Obtenu le déplacement linéaire de chaque vis et les données de déplacement linéaire de chaque vis. Pour cette expérience, 4340 acier a été utilisé comme base pour des échantillons des Cars Palio, Marea et Pajero, avec l’élasticité de 210GPa.

Pour la voiture Zafira, 6150 acier avec l’élasticité de 190GPa a été utilisé comme base. Il a été détecté que l’acier 4340, par exemple, a une limite de rendement de 460MPa, qui est la limite de sa tension dans la phase de déformation élastique. Si la force appliquée à la vis dépasse la limite d’écoulement, c’est-à-dire dépasse la force de 460MPa, la vis entre dans la phase de déformation plastique, ne revenant plus à sa forme d’origine. Selon le graphique de la figure 1, la limite du débit d’acier, c’est-à-dire la 460Mpa, est représentée dans le «σesc», où la phase élastique se termine et la phase plastique commence. La tension maximale soutenue par le corps est représentée par le «σR» dans la phase plastique, puis au point «V», qui est l’instant où le corps se brise.

Figure 1 : Graphique sur le stress et les souches

Source: Disponible à: http://grupomec.tripod.com/Material.htm, 11-02-2020, 20h11min

Sur la base des données recueillies et des formules utilisées, les feuilles de calcul suivantes ont été générées en comparant les contraintes normales appliquées à chaque vis et, par conséquent, en générant le déplacement mesuré dans les vis utilisées:

Tableau 2 : Vis comparatives/Lot Marea 1 et 2

Vis de tête de voiture Marea 2.0 (1er lot)
Mesure initiale (254mm) Élongation réelle (mm) Logiciel d’étirement 2019 SolidWorks (mm) Différentiel (%) Real vs SolidWorks
P1 257,10 261,56 1,71%
P2 256,90 261,07 1,60%
Vis de tête de voiture Marea 2.0 (2ème lot)
Mesure initiale (254mm) Élongation réelle (mm) Logiciel d’étirement 2019 SolidWorks (mm) Différentiel/logiciel d’origine (%)
P1 255,50 257,66 0,84%
P2 255,50 257,66 0,84%
P3 255,15 256,80 0,64%
P4 255,50 257,66 0,84%
P5 255,75 258,27 0,98%
P6 255,50 257,66 0,84%
P7 255,05 256,56 0,59%
P8 255,10 256,68 0,62%
P9 255,10 256,68 0,62%
P10 255,75 258,27 0,98%
P11 255,50 257,66 0,84%
P12 255,50 257,66 0,84%

Source: Auteur (2020)

Tableau 3 : Vis comparatives/Pajero

Pajero 2.8 Vis de tête de voiture
Mesure initiale

P1 à P4 (104mm)

P5 à P8 (125mm)

P9 à P22 (106mm)

Élongation réelle (mm) Logiciel d’étirement 2019 SolidWorks (mm) Différentiel/logiciel d’origine (%)
P1 Tête plate 104,80 104,93 0,12%
P2 Tête plate 104,71 104,83 0,11%
Tête plate P3 104,65 104,76 0,11%
Tête plate P4 104,85 104,99 0,13%
Tête strie P5 125,55 126,00 0,36%
Tête strie P6 126,35 127,74 1,09%
P7 Tête strié 125,95 126,72 0,61%
P8 Tête strié 126,10 127,00 0,71%
P9 Tête strié 106,10 106,87 0,72%
Tête strie P10 106,10 106,87 0,72%
Tête strié P11 106,10 106,87 0,72%
Tête strie P12 107,30 108,92 1,49%
Tête strie P13 106,10 106,87 0,72%
Tête strie P14 106,90 108,24 1,24%
Tête strie P15 105,55 105,93 0,36%
Tête strie P16 105,55 105,93 0,36%
P17 Tête strié 106,45 107,47 0,95%
Tête strie P18 105,90 106,53 0,59%
Tête strie P19 106,85 108,15 1,20%
Tête strie P19 106,10 106,87 0,72%
Tête strie P20 106,80 108,07 1,18%
Tête strié P21 106,30 107,21 0,85%
Tête strié P22 109,59 110,35 0,69%

Source: Auteur (2020)

Tableau 4 : Vis comparatives/Zafira

Zafira 2.0 vis de tête de voiture
Mesure initiale (136mm) Élongation réelle (mm) Logiciel d’étirement 2019 SolidWorks (mm) Différentiel/logiciel d’origine (%)
P1 137,00 139,08 1,50%
P2 136,90 138,78 1,35%
P3 136,80 138,47 1,21%
P4 136,90 138,78 1,35%
P5 137,00 139,08 1,50%
P6 136,90 138,78 1,35%
P7 136,90 138,78 1,35%
P8 136,70 138,16 1,06%
P9 136,80 138,47 1,21%
P10 136,80 138,47 1,21%

Source: Auteur (2020)

Tableau 5 : Vis comparatives/Palio

Vis de tête de voiture Palio 1.6
Mesure initiale 100mm Élongation réelle (mm) Logiciel d’étirement 2019 SolidWorks (mm) Différentiel/logiciel d’origine (%)
P1 100,99 101,16 0,17%
P2 100,99 101,16 0,17%
P3 100,75 100,87 0,12%
P4 100,75 100,87 0,12%
P5 100,99 101,16 0,17%
P6 100,99 101,16 0,17%
P7 101,00 101,17 0,17%
P8 101,00 101,17 0,17%
P9 100,99 101,16 0,17%
P10 100,99 101,16 0,17%

Source: Auteur (2020)

Dans la première expérience effectuée sur les vis de la tête de voiture marea, une tension moyenne de 508KPa a été trouvée à laquelle les vis ont été demandées au cours de l’application de couple, avec le déplacement moyen de 3mm se produisant dans la vis. Dans le graphique 1, vous avez les contraintes de la première expérience.

Graphique 1: Vis de tête Marea 2.0 (1er moteur)

Source: Auteur (2020)

Figure 2: Vis Marea Type 1 SolidWorks 2019

Source: Auteur (2020)

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Dans la deuxième expérience, le même modèle a été utilisé, mais la tension trouvée était 54,73% inférieure par rapport à la première expérience, et donc la tension moyenne trouvée était 239KPa, à laquelle les vis ont été demandées lors de l’application de couple et, par conséquent, le déplacement moyen de 1,41mm s’est produit dans la vis. Le graphique 2 représente les contraintes de la deuxième conception.

Graphique 2 : Vis de tête Marea 2.0 (2ème moteur)

Source: Auteur (2020)

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Figure 3: Vis Marea Type 2 SolidWorks 2019

Source: Auteur (2020)

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Dans la troisième expérience, la tête utilisée était de Pajero et en elle nous avons trouvé 3 types de vis, et donc, 3 graphiques différents ont été faites. La tension moyenne trouvée pour la vis de type 1 était de 240 KPa, comme le montre le graphique 3, avec un déplacement moyen de 0,85 mm.

Graphique 3: Pajero 2.8 Vis à tête – Type 1

Source: Auteur (2020)

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Figure 4: Vis Marea Type 1 SolidWorks 2019

Source: Auteur (2020)

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Dans la vis de type pajero 2 la tension moyenne trouvée était 433KPa. Cette moyenne est selon le graphique 4 et a un déplacement moyen de 0,99 mm.

Graphique 4: Pajero 2.8 Vis à tête – Type 2

Source: Auteur (2020)

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Figure 5: Pajero Screw Type 2 – SolidWorks 2019

Source: Auteur (2020)

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Dans le troisième modèle du Pajero, la tension de 705KPa a été trouvée, comme indiqué dans le graphique 5, et donc un déplacement moyen de 1,29 mm a été obtenu. Ainsi, la troisième expérience est finalisée.

Graphique 5: Pajero 2.8 Vis à tête – Type 3

Source: Auteur (2020)

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Figure 6: Pajero Screw Type 3 – SolidWorks 2019

Source: Auteur (2020)

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Pour la quatrième expérience, nous avons utilisé la tête de voiture zafira, et donc la tension moyenne trouvée était 477KPa, comme le montre le graphique 6, montrant ainsi une déformation plastique moyenne de 0,87 mm.

Graphique 6: Zafira 2.0 Vis à tête

Source: Auteur (2020)

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Figure 7: Zafira Screw – SolidWorks 2019

Source: Auteur (2020)

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En observant la cinquième et dernière expérience effectuée sur la tête de la voiture Palio, la tension moyenne trouvée était de 667KPa, comme illustré dans le graphique 7, et donc un déplacement moyen de 0,94 mm a été obtenu.

Graphique 7: Palio 1.6 Vis à tête

Source: Auteur (2020)

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Figure 8: Palio Screw – SolidWorks 2019

Source: Auteur (2020)

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3.4 ESSAI DE TRACTION

Dans un essai de traction, le spécimen est subsent aux forces opposées à ses extrémités jusqu’à sa rupture (CAMPOS; LAHR, 2004; FIORESE et al, 2015).

3.5 SPÉCIMEN

Le spécimen est un échantillon du matériau et a la forme cylindrique. Les normes de l’American Society for Testing and Materials – ASTM, Deutsches Institut für Normung – DIN et l’Association brésilienne des normes techniques -ABNT sont utilisées pour la normalisation et la comparaison des résultats. Un échantillon d’une nouvelle vis diesel pajero 2.8 du véhicule pajero a été utilisé lors de l’essai.

Figure 9 : représentation schématique d’un spécimen avant de subir l’essai de traction

P = potence

So = région de fracture

lo= longueur utile

Source: Auteur (2020)

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Paramètres de test de traction

Moyennes du corps de la preuve

d= diamètre

lo=30mm

d= 4mm

Figure 10 : Échantillon fait de matériau, vis nouvelle tête diesel pajero 2.8

Source: Auteur (2020)

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Figure 11 : Rupture de matériau

Source: Auteur (2020)

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Figure 12 : Graphique 2.8 du stress/souche de la voiture Pajero

Source: Auteur (2020)

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Graphique 7 : Simulation manuelle

Source: Auteur (2020)

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Les résultats obtenus ont été comparés aux tableaux ASTM et SAE pour les aciers utilisés mécaniquement et indiquent que le matériau possède des propriétés liées à l’acier AISIN 4340, normalisé selon la résistance élastique constatée étant d’environ 212GPa. L’acier AISI 4340 est un matériau lié au chrome et au molybdène, a une bonne résistance mécanique, une machinabilité moyenne, une faible soudeur et une grande tempérabilité. Ce matériau est souvent utilisé dans les composants mécaniques, généralement sous l’action de contraintes dynamiques et utilisé pour la fabrication de pièces dans l’industrie automobile et dans l’industrie pétrolière et navale (KUPKA, 2009). Ce matériau est classé comme un acier à faible alliage avec du carbone moyen, présentant une grande ténacité et une haute résistance (ARAÚJO MORALES, 2017).

CONSIDÉRATIONS FINALES

La recherche a cherché à souligner que les formules utilisées sont basées sur la loi de Hooke pour le régime élastique parce qu’il ne connaît pas les données exactes de chaque vis, parce que les propriétés structurelles des métaux ou des matériaux sont spécifiques, leurs propriétés varient d’un fabricant à l’autre et, aussi, en raison du secret industriel de chaque constructeur automobile, nous n’obtenons pas les données exactes de chaque vis. Nous avons utilisé les propriétés de 6150 acier pour les vis de voiture zafira et l’acier 4340 normalisé pour les vis des autres voitures en raison des caractéristiques présentées au cours de l’étude. Après analyse des données, chaque vis qui présentait différents déplacements du réel au logiciel a été vérifiée.

À partir des expériences, nous avons obtenu les résultats en pourcentage du différentiel Real vs SolidWorks de Type 1 de Marea, qui était de 1,65%, le type Marea 2 qui a totalisé 0,79%, pajero qui était de 0,68%, Zafira qui a totalisé 1,31% et Palio qui a abouti à 0,16%. Les données obtenues ont été analysées par simulation manuelle, logiciel Solidworks2019, test de laboratoire, aide Excel et une vaste recherche en littérature a été effectuée. Il a été vérifié que les deux résultats convergent vers une approximation mathématique entre les méthodes de calcul de l’analyse des éléments finis et le calcul manuel de l’élasticité et de la plasticité des vis de tête automobiles.

RÉFÉRENCES

ARAÚJO, T. V. G. P. Sistema Embarcado para Monitoramento de Particulados de Carbono em Emissões de Motores do Ciclo Diesel. 2007. 96f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica) – Universidade Federal de Campina Grande, Campina Grande, 2007.

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NORTON, R. Projeto de máquinas: uma abordagem integrada. 4ª ed. Porto Alegre: Bookman, 2013.

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SOLIDWORKS 3D design de Software. Versão 2016 x64 Edition SP0.

[1] Baccalauréat en génie mécanique de l’UDF – Centre universitaire du district fédéral.

Envoyé : janvier 2020.

Approuvé : juin 2020.

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