MCE-5 VCRi : repousser les limites de la réduction de consommation de carburant

Crémaillères

Avec la roue de transmission, les crémaillères sont les pièces les plus complexes et les plus délicates du MCE‑5 VCRi. Ces pièces cumulent de nombreuses problématiques, aujourd’hui intégralement résolues. La plus complexe des deux crémaillères est la crémaillère de piston. Cette pièce est légère, précise (classe de denture 5 selon norme ISO 1328), et comporte de nombreuses surfaces fonctionnelles : dentures de transmission de puissance, piste de roulement centrale avant, face de roulement arrière, crémaillère de synchronisation arrière, face d’appui et de serrage du piston, centrage supérieur, filetage de fixation au piston.

La crémaillère de combustion du MCE‑5 VCRi
est fixée au piston au moyen d’un goujon
et d’une colonnette

Plusieurs années d’études par éléments finis ont été
nécessaires pour mettre au point les crémaillères,
en relation permanente avec les essais

La morphologie de la crémaillère de piston est assez différente de celle de la crémaillère de commande : la première est mobile, la seconde est fixe, à la variation de taux de compression près. L’essentiel des travaux a donc été concentré sur la crémaillère de piston dont a naturellement bénéficié la crémaillère de commande. Plus récemment, cette dernière a fait l’objet d’optimisation en poids, passant de 1400 à 900 grammes à même flèche sous charge et à même contrainte maxi.

Une autre difficulté liée aux crémaillères du MCE‑5 VCRi est qu’elles n’offrent aucun dégagement d’outil : il n’y a pas de place pour passer une roue de taillage ou une meule de rectification. Étant fortement chargées, de l’ordre de 57 000 N en effort tangentiel pour une pression cylindre de 130 bar, elles sont réalisées dans un acier à hautes caractéristiques mécaniques, cémenté puis trempé. La gamme de fabrication de ces pièces reste toutefois simple, et leur coût est modéré.

Relever le défi de la fabrication des crémaillères MCE‑5 VCRi a pris environ 5 années. Le succès est total. Au final, les crémaillères du MCE‑5 VCRi sont réalisées par forgeage « Near-Netshape » (ébauche, forgeage, calibration à froid) ce qui accroît leur résistance à la fatigue, par fibrage du matériau. Après les divers usinages classiques qui suivent le forgeage, elles subissent une cémentation, puis sont trempées. La finition des dentures et de la piste de roulement centrale est réalisée par usinage électrochimique de précision. Ce procédé permet d’approcher la géométrie idéale à ± 2 microns en environ 1 minute. L’usinage électrochimique de précision possède la particularité de ne présenter aucune usure d’outil et une parfaite répétabilité.

En fin de fabrication, les dents de la crémaillère de transmission de puissance côté combustion et côté actuation sont soumises à un grenaillage de précontrainte (shot peening) et à une tribofinition. Ces deux procédés améliorent encore la tenue en fatigue des dentures de crémaillères et en favorisent la lubrification (succession de cuvettes de rétention d’huile et de plateaux de portance hydrodynamique). Ces procédés de fabrication sont stratégiques : ils permettent de réaliser les crémaillères du MCE‑5 VCRi selon des cadences, à des coûts et avec des facteurs de sécurité fonctionnels répondant aux attentes les plus exigeantes de la production automobile de grande série.

Comme pour la crémaillère de combustion, des outils d’optimisation topologique
ont été utilisés pour concevoir la crémaillère de commande

Caractéristiques principales des crémaillères MCE‑5 VCRi