LE VILEBREQUIN (MOTEUR A PISTONS)
QUE LES FORCES SOIENT AVEC TOI
Le vilebrequin est l'une des pièces maitresse du moteur à combustion interne, puisqu'il permet la transformation du mouvement linéaire et alternatif des pistons en un mouvement circulaire continu bien plus exploitable.
Texte : Sébastien DUPUIS - Photos : D.R.
PRESENTATION
Généralement réalisés en acier - avec ou sans alliage au nickel-chrome ou au chrome-molybdène-vanadium - le vilebrequin est composé de plusieurs tourillons alignés formant l'axe central. Entre ces paliers se trouvent les manetons - ou manivelles - en position excentrée sur lesquels sont montées les bielles. La forme des manivelles dépend du nombre des cylindres, du nombre de paliers de ligne d'arbre, du système de fabrication et de la présence d'un contrepoids ou non.
PRINCIPES MECANIQUES
Chaque cylindre d'un moteur à explosion sur un cycle à 4 temps fonctionne à tour de rôle pour avoir une rotation régulière et pour équilibrer les efforts sur le vilebrequin. En augmentant le nombre de cylindres et, par conséquent, celui des manivelles, on diminue le degré d'irrégularité du couple moteur, à condition de que leurs temps moteur respectifs soient répartis sur les deux tours moteurs que nécessitent les 4 temps. Cela aura pour effet de produire un couple instantané plus stable et de réduire la masse du volant moteur. Pour calculer l'angle de rotation du vilebrequin entre chaque cylindre, il faut diviser 720° (2 tours de vilebrequin pour le cycle) par le nombre de cylindres. Ainsi, avec 6 cylindres, le temps moteur est tous les 120 degrès de rotation du vilebrequin (720/6) contre 180° pour un 4 cylindres en ligne.
PRINCIPES PHYSIQUES
En physique, l’action d’une force par rapport à un axe de rotation s’appelle un moment. Le motoriste utilise le terme de "couple" pour définir la même grandeur. Ce que l’on mesure sur banc moteur et qui permet de déterminer les valeurs d'une fiche technique, c’est le couple moyen du moteur en fonction du régime et notamment le couple maximum obtenu à un régime ou une plage de régimes donnés. Ici la géométrie du moteur joue un rôle très important. Ainsi, la combustion d’un ou plusieurs cylindres cylindre se produit au moment de la compression d’un ou plusieurs autre. Cette force opposée a pour effet de diminuer l’intensité du pic de couple instantané, mais ne change en rien la valeur du couple moyen sur 2 tours moteur. Le couple n'est donc pas une valeur linéaire constante mais la résultante de la valeur de diverses forces engendrée par les différentes phases du cycle de combustion. Le vilebrequin d'un moteur à piston est la pièces maîtresse soumise à ces phénomènes physiques, subissant des forces de pression inégales sources de vibrations. Ces différents types de forces sont pris en compte pour que son équilibrage statique et dynamique soit le meilleur possible.
FORCES ROTATIVES
- L'équilibre statique du vilebrequin est obtenu lorsque la résultante des forces centrifuges (ou rotatives) est nulle, c'est à dire lorsque le centre de gravité se trouve sur l'axe de rotation. Les forces rotatives peuvent être équilibrées par des contrepoids créant des forces équivalentes et de sens opposé. L'équilibrage ne pose pas de problème quand il s'agit de vilebrequins possédant un nombre de manivelles supérieur à deux. La structure fait que les manivelles ont une disposition angulaire permettant que les combustions se produisent à distances égales les unes des autres.
FORCES ALTERNATIVES
Les forces alternatives, causées par les variations de vitesse du piston et de la bielle, sont subdivisées en forces du premier et du deuxième ordre.
Les forces de premier ordre atteignent leur maximum à chaque fois que le piston se trouve au point mort haut (PMH) et au point mort bas (PMB). L'effort de flexion du vilebrequin est d'autant plus important que le diamètre du piston augmente. Forces et couples du premier ordre ne sont équilibrés que dans un moteur possédant au moins 4 cylindres.
Les forces et couples du deuxième ordre prennent naissance dans les moteurs classiques à 4 cylindres en ligne. Dans le 4 cylindres, les manetons calés à 180 degrés font que deux pistons arrivent en même temps au point mort haut et deux autres au point mort bas. Mais lorsque les pistons descendant atteignent leur vitesse maximale (au moment exact où la bielle forme un angle de 90° avec son maneton), les pistons ascendants ne l’ont pas encore atteinte. Il en résulte une force de réaction dite "différentielle". Cette force différentielle est nulle lorsque tous les pistons sont à mi-course puis s’inverse dans la seconde moitié de leur course. Ces forces parasitaires sont d’autant plus grandes que le rapport Longueur de bielle/Course du piston est petit. Elles augmentent aussi proportionnellement à la masse et la vitesse des pièces en mouvement.
Dans les moteurs à quatre cylindres à plats, la vitesse instantanée des pistons opposés est toujours égale. Par conséquent les forces du deuxième ordre sont nulles mais en revanche, le désaxage des deux rangées de cylindres entre elles donne lieu à un couple parasitaire du deuxième ordre.
Par analogie avec le 4 cylindres en ligne, les V8 utilisant un vilebrequin dit "plat", comme les berlinettes Ferrari (360/F430/458 Italia...) ou les V8 de compétition sont également confrontés aux mêmes problématiques que les 4 cylindres en ligne. Du fait de leur fréquence double des forces de premier ordre, les motoristes ont appris à équilibrer les 4 cylindres en ligne en leur ajoutant deux arbres d'équilibrage à contrepoids, tournant en sens inverse à une vitesse double de celle du vilebrequin. Cette application brevetée par Mitsubishi fît une apparition remarquée notamment sur la Porsche 944. Sur le V8 à vilebrequin en croix, généralement ouverts à 90°, on peut disposer deux bielles sur un maneton commun et l'équilibrage est optimal. Il en va de même pour les V10 à 72° et les V12 à 60°.
A ce propos, il convient de ne pas confondre l'architecture et le calage d’un moteur, qui dépend du positionnement des manetons sur le vilebrequin. Ainsi, on peut avoir un moteur avec un V ouvert à 90° (Cf. V6 PRV, V6 Maserati Biturbo) et un décalage des manetons qui permet de retrouver un calage idéal (à 120° pour un V6). De même, un moteur douze cylindres à plat peut être soit un boxer ou un V à 180 degrés (Ferrari Testarossa), selon la configuration de son vilebrequin. On trouve ainsi des forces de 2ème ordre sur les moteurs V6 à 60° ou pire, sur un V6 à 90° sans manetons décalés comme l'était le premier PRV.
Afin de répartir également l'intervalle angulaire entre les combustions, l'angle entre les manetons d'un 6 cylindres 4-temps doit être de 720°/6 = 120°. On peut disposer deux bielles par maneton d'un moteur en V si l'angle entre ses deux rangées de cylindres est égal à l'angle entre les manetons. Un V6 devrait donc présenter deux rangs de 3 cylindres en V à 120° pour satisfaire à la condition d'intervalles égaux entre ses combustions avec deux bielles par maneton. Or, pour des raisons d'encombrement, et parfois de production sur les mêmes chaînes et machines-outils que des V8, les V6 ont un angle de 90° ou de 60° entre leurs rangs de cylindres. Certains, à 90° tels les premiers PRV et Buick V6, ont tout de même été produits avec deux bielles sur le même maneton, si bien que l'intervalle entre leurs combustions successives était irrégulier, en séquence de 90°-150°-90°-150°-90°-150°, ce qui, en s'en doute, est loin d'être idéal.
Nous retiendrons donc que pour les moteurs les plus classiques en automobile, les seuls exempts de forces ou de couples parasitaires du premier et du deuxième ordre, sont les 4 cylindres avec arbres d’équilibrage, les 6 cylindres en ligne ou à plat, les V8 à 90 degrés avec manetons calés à 90 degrés et les V12 à 60, 120 ou 180 degrés. Ajoutons que ces moteurs ont en outre l’avantage d’avoir une séquence d’allumage régulière, ce qui nous amène au dernier point.
L'ORDRE D'ALLUMAGE
L'ordre d'allumage correspond au passage successif des pistons au P.M.H., au début de la course motrice. On tentera donc d'obtenir un couple moteur aussi régulier que possible en évitant les allumages consécutifs de deux cylindres voisins. Les manetons alignés 2 à 2 dans le cas du 6 cylindres en ligne, correspondant à l'alignement de deux vilebrequins de 3 cylindres en ligne font qu'il n'on utilise un ordre d'allumage bien précis (1-5-3-6-2-4), imposé la nécessité de ne pas allumer successivement deux cylindres adjacents au même tourillon de vilebrequin, afin de ne pas trop le solliciter.
CONCLUSION
Sources : si vous souhaitez approfondir le sujet nous vous invitons à visiter les pages ci-dessous.
http://fr.wikipedia.org/wiki/Vilebrequin_(moteur)
http://www.ccdmd.qc.ca/sites/default/files/forces_1.pdf
http://eric.cabrol.free.fr/Moteur/equilibrage.html
http://www.problemauto.com/?277/Rappel-et-notions-d-equilibrage-des-moteurs
http://philippe.boursin.perso.sfr.fr/pdgmoteu.htm
http://histomobile.com/dvd_histomobile/fr/tech/155-1.htm
