Analyse de la rupture par fatigue d’un engrenage dans une pompe de refroidissement de moteur automobile.

Abstrait

L’engrenage est un élément essentiel de la transmission de puissance. Cet article présente l’analyse métallurgique d’une défaillance d’engrenage utilisée dans les pompes de refroidissement des moteurs automobiles. L’analyse métallographique révèle une microstructure tendre composée de perlite et de ferrite. Une usure importante est constatée au niveau des dents, ainsi qu’une déformation significative de la rainure de clavette. La fissure, amorcée au rayon d’angle de la rainure, s’est propagée jusqu’au fond de la dent, témoignant d’une rupture par fatigue. Des recommandations sont formulées afin d’améliorer la résistance à la fatigue de l’engrenage.

1. Introduction

L’engrenage est un élément de transmission de puissance fiable, largement utilisé dans les applications automobiles et industrielles. Dépourvu de liaison ou de connecteur intermédiaire, il transmet le mouvement par contact direct. L’engrenage est l’élément qui cède le plus fréquemment. Les défaillances courantes sont la piqûre, l’écaillage, l’usure et la fatigue. L’engrenage réducteur défaillant, utilisé dans l’industrie pétrochimique, est cémenté, trempé et revenu. La microstructure de la couche superficielle est de la martensite à haute teneur en carbone revenue, tandis que le cœur est en martensite à faible teneur en carbone. La rupture par fatigue est due à des trous de perçage mal conçus, utilisés pour la manipulation d’engrenages de grande taille [ 1 ]. Un engrenage hélicoïdal d’une centrale électrique a cédé par fatigue. Lors de la microanalyse, des inclusions d’oxyde de fer entourées de carbure (FeMo)₃C ont été identifiées. Ces inclusions [ 2 ] se forment lors du processus de coulée des ébauches d’engrenage. L’engrenage planétaire a cédé suite à la piqûre des dents [ 3 ] et à la fissuration. La fissure du pignon provient de petites cavités causées par la micropiqûre. Dans ces conditions, la surface est sursollicitée et une déformation plastique induite par la formation d’une arête [ 4 ] se produit au fond du congé de raccordement. Le pignon était fortement chargé près du disque de butée, ce qui a entraîné une augmentation des contraintes dans les dents et, par conséquent, une déformation plastique [ 5 ] de ces dernières. L’auteur a suggéré de repenser la conception du pignon afin de supporter la charge de service. L’engrenage défaillant était en acier 20CrNiMo et des piqûres de surface [ 6 ] sont apparues près de la ligne primitive des dents. L’engrenage de l’hélicoptère est fortement endommagé par écaillage [ 7 ]. L’analyse fractographique confirme que la fissure a pris naissance au pied de l’engrenage. Par ailleurs, une lubrification insuffisante, un montage incorrect, un entretien insuffisant, un choix de matériaux inadapté et un traitement thermique inapproprié des composants de transmission peuvent entraîner des défaillances [ 8-13 ]. Avant d’entamer l’analyse des défaillances, une revue de la littérature a été réalisée afin de comprendre les différents mécanismes des engrenages et des composants de transmission. Les études de cas sont très utiles pour comprendre les causes de défaillance des composants de transmission et la méthodologie d’analyse des défaillances. La plupart des articles de recherche portent sur l’analyse des défaillances des engrenages hélicoïdaux, des engrenages planétaires, des chaînes et des composants de transmission utilisés dans différentes applications [ 14-16 ] . Peu d’études traitent de l’analyse de la rupture par fatigue des engrenages dans les applications automobiles. Par conséquent, cette recherche vise à réaliser une analyse métallurgique d’un engrenage de pompe de liquide de refroidissement moteur défaillant et à formuler des recommandations pour améliorer sa résistance à la fatigue.

2. Matériels et méthodes

La roue dentée de la pompe de refroidissement du moteur peut présenter une défaillance. L’analyse de la défaillance est réalisée par examen visuel, analyse chimique, analyse de dureté, microscopie électronique à balayage (MEB) et analyse métallographique. La roue dentée défaillante est en acier EN353. Des essais expérimentaux (résistance à la traction et dureté) sont menés sur des éprouvettes cylindriques à des fins de comparaison des performances [ 33-36 ] . Les méthodes d’essai sont décrites ci-après, et les résultats ainsi que leur discussion sont présentés. Cette étude de cas décrit l’analyse de la défaillance d’une roue dentée ayant subi une panne en service [ 17 , 18 ] . Il est indiqué que cette roue dentée fait partie de l’ensemble de la pompe de refroidissement du moteur. Cette pompe est composée du carter, de la garniture mécanique, de la roue dentée, du joint torique, de la roue et du palier d’arbre intégré, comme illustré sur la figure 1(a) . Le palier d’arbre intégré et la garniture mécanique sont montés par pression sur le carter. L’engrenage avec clavette est monté par pression à une extrémité de l’arbre, et la turbine est montée par pression à l’autre extrémité de l’arbre [ 25 – 28 ].

2.1. Examen visuel

La roue dentée défaillante présente une rainure de clavette sur son diamètre intérieur et un profil de dent sur son diamètre extérieur, comme illustré sur la figure 1(c) . La rupture s’est produite longitudinalement, comme le montre la figure 1(b) . La fissure longitudinale s’étend sur 65 % de la longueur de la roue et une usure importante est visible sur son profil [ 15 , 19 , 20 ]. La fissure s’est amorcée au niveau du rayon d’angle de la rainure de clavette et s’est propagée vers le fond de la roue.

La roue dentée est découpée en coupe transversale, là où le mode longitudinal s’interrompt et où la rainure de clavette de la partie restante est visible (figure 2a) . Un gros plan de cette partie restante (figure 2b) confirme l’élargissement de la rainure de clavette. La forte déformation de cette dernière est due à la charge importante appliquée.

2.2. Analyse chimique

La composition chimique de l’engrenage défaillant est analysée par spectroscopie d’émission optique. Le tableau 1 présente les spécifications de la norme EN 353 ainsi que la composition chimique de l’engrenage défaillant. Ce type de matériau est généralement cémenté et utilisé dans les composants de transmission tels que les roulements, les arbres et les outils de tournage. La présence de nickel (1,00 à 1,50 %) accroît la ténacité, tandis que le molybdène (0,08 à 0,15 %) et le chrome (0,75 à 1,25 %) contribuent à l’augmentation de la couche de cémentation, ce qui améliore la résistance à l’usure [ 21-24 ] .Tableau 1. Composition chimique des engrenages défectueux comparée à la nuance correspondante (% en poids).

Échantillon	C%	Mn%	Si%	S%	P%	Cr%	Mo%	Ni%
Équipement n° 1	0,16	0,99	0,26	0,026	0,005	1.09	0,12	1,15
EN353	0,10–0,20	0,50–1,00	0,10–0,35	0,040 max	0,040 max	0,75–1,25	0,08–0,15	1,00–1,50

2.3. Mesure de la dureté

Des mesures de dureté sont effectuées sur des échantillons polis métallographiquement, prélevés à distance de la zone de rupture. Un duromètre Rockwell est utilisé pour mesurer la dureté depuis la section transversale du rayon de la rainure de clavette jusqu’au fond de la gorge de la denture. La valeur moyenne de dureté est de 89 HRB. Cette dureté indique que la pièce n’a pas subi de traitement thermique et qu’elle est à l’état tendre.

2.4. Analyse par microscopie électronique à balayage

Les surfaces entièrement fracturées sont nettoyées à l’acétone et à l’acide chlorhydrique dilué. La fissure s’est amorcée au bord de la rainure de clavette et s’est propagée vers le fond de la dent. L’image MEB à faible grossissement (figure 3(a) ) montre que la zone supérieure correspond à la surface de la dent et la zone inférieure à celle de la rainure de clavette. Entre ces deux surfaces, on observe l’origine de la fissure, la zone de propagation de la fatigue et la zone de surcharge. La zone de propagation de la fatigue est plus étendue que la zone de surcharge. La figure 3(b) présente une image MEB à plus fort grossissement de la surface de fracture à l’origine de la fissure.

L’observation à fort grossissement (Figure 4a ) révèle des stries de fatigue (marques de plage) à l’origine de la rupture. Ces marques, semblables à des anneaux concentriques dans une zone de fatigue, rappellent les traces de vagues sur une plage. La propagation de la fissure est due aux variations de la charge de travail et de l’environnement. L’observation au MEB à fort grossissement (Figure 4b ) en cas de surcharge révèle une structure alvéolaire. Cette structure est due à la création et à la coalescence de microvides latéralement au mode de rupture, confirmant ainsi une rupture ductile par surcharge.

2.5. Métallographie

L’observation au microscope optique révèle une fissure mineure au rayon d’angle de la rainure de clavette illustrée sur la figure 5(a) . Une déformation granulaire importante est également observée au niveau du rayon de la rainure. La fissure de fatigue, amorcée au bord de la rainure, s’est propagée vers le fond de la dent. La microstructure du cœur de la dent présente de la perlite et de la ferrite tendres, comme le montre la figure 5 (b) . Il est confirmé que la roue dentée n’a subi aucun traitement thermique [ 29-32 ].

3. Résultats et discussion

Les éprouvettes cylindriques sont préparées à l’aide d’un centre de tournage et leurs dimensions sont conformes à la norme ASTM E8. Elles sont constituées d’acier EN 353. Quatre éprouvettes sont préparées, comme illustré sur la figure 6 (a). Les éprouvettes 1 et 2 sont à l’état brut (non traité thermiquement), tandis que les éprouvettes 3 et 4 sont traitées thermiquement par cémentation. Les éprouvettes 1 et 3 ont subi un essai de dureté. Les éprouvettes 2 et 4 ont été soumises à un essai de traction.

3.1. Essai de dureté de l’échantillon

Les échantillons 3 et 4 sont cémentés à l’aide d’un four à bande transporteuse. Le coût de ce procédé représente environ 5 % du coût de l’engrenage. La microstructure de l’échantillon est analysée au microscope Leica DMC2900. L’analyse microstructurale est réalisée sur l’échantillon 3, préalablement poli métallographiquement. La microstructure de la surface de la couche de martensite finement revenue est présentée sur la figure 7(a) , tandis que celle du cœur, constituée de martensite à faible teneur en carbone, est visible sur la figure 7(b) . Les mesures de dureté sont effectuées dans un puits de roche superficiel sous une charge de 15 N et une pression de 15 kgf. La dureté superficielle de l’échantillon 3 est de 48,5 HV à 15 N. La profondeur de la couche de cémentation est de 0,35 mm sur le diamètre extérieur. La dureté à cœur est de 415 HV à 0,20 kgf, comme le montre le profil de microdureté de la figure 7(c) . La dureté de l’échantillon mou 1 se situe entre 180 et 190 HV à 0,20 kg (88 à 90 HRB). La dureté Rockwell B est indiquée sur le graphique de microdureté de la figure 7(c) .

3.2. Essai de résistance à la traction

La résistance à la traction (UTS) des éprouvettes EN353 est testée à l’aide d’une machine d’essai universelle (UTM) d’une capacité de 1 000 tonnes. Les dispositifs de fixation universels sont conçus en fonction de l’éprouvette. Sur l’UTM, la traverse supérieure constitue l’extrémité fixe et la traverse inférieure l’extrémité mobile. L’éprouvette est fixée entre ces deux extrémités, comme illustré sur la figure 6 (b).

L’éprouvette molle 2 et l’éprouvette cémentée 4 ont été testées. Les courbes contrainte-déformation et charge-déplacement de l’éprouvette molle sont présentées respectivement sur les figures 8(a) et 8(b) . Celles de l’éprouvette cémentée sont présentées respectivement sur les figures 9(a) et 9(b) . La résistance à la traction (UTS) de l’éprouvette molle 2 est de 940 MPa, tandis que celle de l’éprouvette cémentée 4 est de 1495 MPa. Ainsi, la résistance à la traction (UTS) de l’éprouvette cémentée 4 est supérieure de 59 %.

4. Conclusion

La fissure, amorcée au niveau du rayon d’angle de la rainure de clavette, s’est propagée vers le pied de la dent, confirmant ainsi que la rupture était due à la fatigue. Une usure importante est observée sur les dents de la dent, ainsi qu’une déformation significative dans la rainure de clavette. L’analyse métallographique révèle une microstructure tendre composée de perlite et de ferrite, et une dureté moyenne de 89 HRB confirme que la dent n’a subi aucun traitement thermique.Les mesures suivantes peuvent être prises pour éviter la défaillance de l’engrenage :

• (1)Le rayon de courbure de la rainure doit être augmenté afin de réduire les concentrations de contraintes dans la zone d’amorçage de la fissure de fatigue.
• (2)Sur la base d’une validation par essai de traction sur des échantillons, grâce au procédé de cémentation, la résistance à la traction a été améliorée de 59 %.
• (3)Le procédé de cémentation suivi d’une trempe et d’un revenu permet d’accroître efficacement la résistance à l’usure et la résistance à la fatigue de l’engrenage.

Conflits d’intérêts

Les auteurs déclarent n’avoir aucun conflit d’intérêts concernant la publication de cet article.

Disponibilité des données

Les données ayant servi à étayer les conclusions de cette étude sont incluses dans l’article. Des données ou informations complémentaires peuvent être obtenues auprès de l’auteur correspondant sur demande.

Source : onlinelibrary.wiley