Vilebrequin

Le vilebrequin est une pièce de moteur à combustion interne ou de moteur Stirling. Il est l'élément principal du système bielle-manivelle.



Catégories :

Organe d'un moteur à explosion - Moteur à explosion

Recherche sur Google Images :


Source image : www.techno-science.net
Cette image est un résultat de recherche de Google Image. Elle est peut-être réduite par rapport à l'originale et/ou protégée par des droits d'auteur.

Définitions :

  • Manivelle qui associé a la bielle transmet le mouvement de translation du piston en mouvement de rotation en direction de la transmission... (source : home.tele2)
Vilebrequin Renault

Le vilebrequin est une pièce de moteur à combustion interne ou de moteur Stirling. Il est l'élément principal du système bielle-manivelle. Il permet la transformation du mouvement linéaire alternatif du ou des piston (s) en un mouvement de rotation continu[1].

C'est par conséquent le vilebrequin qui va entraîner tout les éléments du moteur qui ont besoin d'un mouvement rotatif comme :

Généralités

Un vilebrequin en action (en rouge)

Le vilebrequin se compose de plusieurs tourillons alignés, sur lesquels il tourne. Entre ces paliers se trouvent, excentrés, des manetons, sur lesquels sont montées les bielles. L'excentricité E, distance entre l'axe d'un maneton et l'axe d'un tourillon, définit la course C du piston.
On obtient alors : C = 2E. Cette distance détermine en partie la cylindrée du moteur.

Les manetons sont reliés aux paliers par des masses (il n'y a pas forcément un tourillon entre chaque maneton - par exemple, la Renault Dauphine n'avait que 3 tourillons pour 4 manetons). Pour les moteurs dont les cylindres sont disposés en ligne, il y a un maneton pour chaque bielle. Dans les moteurs à cylindres opposés (boxer), le nombre de manivelles peut être identique au nombre de cylindres ou à la moitié.

D'autre part, les masses permettent l'équilibrage dynamique du vilebrequin. Leur but est de diminuer les vibrations dues au mouvement alternatif des pistons ainsi qu'à la dissymétrie du dispositif de manivelle.

Dans les moteurs en V, le nombre des manivelles est généralemente identique à la moitié du nombre de cylindres. Le nombre des paliers de ligne d'arbre, cependant, fluctue. Le choix relève généralement de considérations techniques et en particulier économiques. Un moteur à deux paliers est de fabrication plus économique, mais ne permet pas d'atteindre des régimes particulièrement élevés ni de grosses puissances spécifiques[2].

Le diamètre des manetons nécessite d'être important pour diminuer les vibrations qui résultent des flexions du vilebrequin. La section des bras de manivelle devant être dimensionné en conséquence, les pièces du vilebrequin et des bielles prennent un poids important. Les forces d'inertie qui en résultent sont énormes et incompatibles avec des hauts régimes.

C'est pour ces raisons que deux paliers ne sont pas équipés sur les moteurs 4 cylindres. Énormément de moteurs à quatre cylindres sont par conséquent à trois paliers, mais pour les plus modernes, en particulier ceux de cylindrée élevée, on a préféré la solution à cinq paliers, plus coûteuse mais permettant d'atteindre des puissances spécifiques élevées et de diminuer en même temps le poids total du moteur[2].

Le vilebrequin porte, à l'extrémité conçue pour transmettre la puissance, une bride pour l'attaque du volant ; ce dernier à son tour portera l'embrayage. A l'autre extrémité, une forme correcte permet d'assurer le calage de l'engrenage de commande de la distribution et des poulies pour l'entraînement par courroies des organes auxiliaires (pompe à eau, générateur électrique, ventilateur, etc. ) [3].

La forme des manivelles dépend du nombre des cylindres, du nombre des paliers de ligne d'arbre, du dispositif de fabrication et de la présence d'un contrepoids ou non. Les manivelles sont disposées de manière à ce que celles qui correspondent à deux cycles consécutifs se trouvent décalées, l'une comparé à l'autre, d'un angle identique à 180 h/n degrés.

Enfin, en augmentant le nombre de cylindres et , donc, celui des manivelles, on diminuera le degré d'irrégularité du couple moteur.

Équilibrage

Un vilebrequin doit être équilibré de façon statique[4] et dynamique. L'équilibrage du vilebrequin est indispensable pour diminuer les vibrations du moteur causées par les forces et moments produites par la pression des gaz dans les cylindres et par les pièces en mouvement alternatif et de rotation, et pour diminuer les charges exercées sur les coussinets de la ligne d'arbre. Deux types de forces sont génèrées par les pièces en mouvement liées au vilebrequin : les forces centrifuges et les forces alternatives qui provoquent les vibrations[5].

Il est cependant impossible d'obtenir un équilibrage parfait : on fait par conséquent appel à des contre-arbres d'équilibrage (l'ajout de contrepoids) qui annuleront tout ou partie des vibrations.

Forces centrifuges

Le vilebrequin est équilibré statiquement quand la résultante des forces centrifuges est nulle, c'est-à-dire lorsque le centre de gravité se trouve sur l'axe de rotation. Un vilebrequin équilibré statiquement n'est pas obligatoirement équilibré dynamiquement, c'est-à-dire qu'il peut donner lieu, quand il est en rotation, à un moment de flexion dû aux forces centrifuges localisées dans des plans différents.

Les forces centrifuges, qui s'exercent sur le vilebrequin à deux manivelles d'un moteur quatre temps à deux cylindres opposés, sont dans des plans différents, scindés par une distance identique à la distance des axes des cylindres. Le moment résultant est identique au produit de la force centrifuge par cette distance. Il peut être équilibré par un moment identique et opposé, au moyen de contrepoids.

L'équilibrage ne pose pas de problème lorsqu'il s'agit de vilebrequins possédant un nombre de manivelles supérieur à deux. La structure fait que les manivelles ont une disposition angulaire telle que les combustions se produisent à distances identiques les unes des autres. Donc, la disposition des manivelles conduit automatiquement à un équilibre statique sans l'adjonction de contrepoids.

L'équilibre dynamique, cette fois-ci, est aussi automatique si le vilebrequin admet un plan de symétrie perpendiculaire à l'axe de rotation, comparé auquel les manivelles sont symétriques en nombre, position et dimensions. Pour les autres cas, l'équilibrage nécessite des contrepoids. Cependant, énormément de vilebrequins tout en étant équilibrés dynamiquement dans leur ensemble, même sans contrepoids, ont leurs manivelles équilibrées individuellement par des contrepoids. En pourvussant de contrepoids chacune des manivelles, on réduit ou annule les moments de flexion individuelle qui, en agissant sur les diverses parties du vilebrequin, tendraient à le faire fléchir[6].

Forces alternatives

Les manetons subissent aussi des forces dues aux masses animées d'un mouvement alternatif. Ces forces, causées par les variations de vitesse du piston et de la bielle, se subdivisent en forces alternatives du premier et du deuxième ordre.

Les premières ordres atteignent leur maximum à chaque fois que le piston se trouve au point mort haut et au point mort bas. Une force du premier ordre peut être équilibrée par la composante suivant l'axe des cylindres d'une force centrifuge produite par une masse identique à celle de la masse alternative et appliquée au vilebrequin en opposition avec le maneton reconnu. Il apparaît cependant une force de même amplitude et de même fréquence, normalement à l'axe du cylindre. La moitié de la masse alternative est équilibrée par des contrepoids. Il reste par conséquent, exercée sur l'axe du cylindre, la moitié de la force alternative du premier ordre, alors que l'autre moitié est transformée en une force perpendiculaire à l'axe du cylindre[7].

Pour les moteurs multi-cylindriques, l'équilibre statique du vilebrequin génère l'équilibre des forces alternatives du premier ordre. De même, l'équilibre dynamique génère l'équilibre des moments dus aux forces alternatives du premier ordre.

Les deuxième ordres fluctuent avec une fréquence double de celle des premières. Il n'existe par conséquent pas par conséquence de possibilité de les diminuer au niveau de la fabrication du vilebrequin dans la mesure où elles fluctuent avec une fréquence double du régime de rotation. Dans les voitures automobiles, les vibrations causées par les forces du deuxième ordre sont absorbées par des systèmes spéciaux de suspension du moteur[7].

Architectures

Chaque architecture est illustrée schématiquement, voir ci-dessous.

Vilebrequin de moteur monocylindre

Le calage de l'allumage est de 360°.

Vilebrequin de moteur bicylindre

Sur les moteurs à deux cylindres, les deux manetons peuvent être alignés (calage de l'allumage à 360°) ou en opposition (calage à 180°). La présence d'un tourillon entre les deux manetons n'est pas obligatoire. Sur les moteurs à plat (boxer) bicylindre, les deux manetons sont diamétralement opposés (calage à 180°)  ; il en va de même pour les 4 cylindres (flat four) et les 6 cylindres à plat (flat six).

Vilebrequin de moteur à trois cylindres en ligne

Sur les moteurs à trois cylindres disposés en lignes, le calage est , généralement, de 120°. Ce type de vilebrequin est utilisé sur les moteurs de Smart. On a aussi vu un calage à 180° (certains modèles de Laverda 1000).

Vilebrequin de moteur à 4 cylindres en ligne

Sur les moteurs à quatre cylindres, les deux manetons extérieurs sont alignés, et les deux manetons intérieurs sont alignés entre eux, à 180° avec les extérieurs.

Vilebrequin de moteur à 6 cylindres en lignes

Sur les moteurs à 6 cylindres, le calage est de 120° ; les manetons sont alignés 2 à 2. C'est le cas du vilebrequin en photo.

Sur les moteurs en V, il y a, le plus fréquemment, deux bielles par maneton, soit côte à côte (maneton un peu rallongé), soit entrecroisées (Harley-Davidson).

Vilebrequin monobloc à palier (s) hydrostatiques

Ce type de vilebrequin offre une meilleure rigidité et permet d'y mettre un plus grand nombre de manetons et par conséquent de pistons. Les paliers hydrostatiques sont chers à mettre en œuvre dans la mesure où ils nécessitent une circulation d'huile sous pression. C'est pourquoi ces vilebrequins sont utilisés pour les moteurs de forte cylindrée. C'est le cas des automobiles, bateaux et engins de chantier.

Un vilebrequin monobloc impose l'utilisation de bielles démontables dont les deux demi-paliers sont vissés autour des manetons. Deux demi-bagues sont insérées dans les parties de la bielle ; leur forme spécifique sert à maintenir la continuité du film d'huile entre la bielle et son maneton.

Il en va de même pour la liaison entre le bâti, couramment nommé bloc moteur, et le vilebrequin au niveau des tourillons. L'huile sous pression est amenée à l'ensemble des tourillons ; elle est ensuite acheminée aux manetons par l'intermédiaire d'un perçage traversant les masses.

Vilebrequin assemblé, paliers à roulements

Ce type de vilebrequin est peu coûteux car l'usinage des pièces est simple. Il se compose d'un axe jouant le rôle de maneton et de deux masses arbrées. Les vilebrequins assemblés sont peu rigides, ils sont par conséquent généralement utilisés pour les moteurs monocylindres de faible cylindrée. C'est le cas par exemple des mobylettes, scooters et tronçonneuses.

L'assemblage du vilebrequin est effectué une fois que la bielle monobloc a été introduite sur l'axe servant de maneton. La liaison pivot entre la bielle et l'axe est assurée par une cage à aiguilles.

Fabrication

Les vilebrequins sont généralement en fonte GS moulée pour les moteurs de faible puissance spécifique (jusqu'à 40kW/l). Pour les moteurs plus puissants, suralimentés ou turbocompressé (puissance spécifique de 40 à 60 kW/l), les vilebrequins sont en aciers : acier au carbone normalement ou, aciers au nickel-chrome ou au chrome-molybdène-vanadium pour les fortes sollicitations[8].

Les vilebrequins ainsi obtenus sont monoblocs et imposent l'utilisation de bielles démontables. Les parties frottantes, tourillons et manetons, sont usinées particulièrement exactement en accordant une grande importance à leur état de surface. Elles subissent ensuite un traitement thermique superficiel afin d'en augmenter la dureté et ainsi de diminuer la vitesse d'usure.

Dans le cas des vilebrequins à paliers hydrostatiques, des perçages en biais relient les manetons aux tourillons les plus proche en passant à travers les masses d'équilibrages. Ces perçages permettent d'apporter l'huile sous pression à l'interface bielle-maneton. Les orifices de ces perçages sont visibles sur la photo ci-dessus. L'équilibrage dynamique, obtenu grossièrement par la géométrie des masses, est ajusté par des perçages peu profonds sur la périphérie des ces dernières. Ces perçages sont observables sur la photo.

Les vilebrequin sont désormais en alliage cuproplomb ou duralumin, les portées du vilebrequin sont durcies par cémentation, par trempe superficielle ou par nitruration. Le durcissement s'effectue par un chauffage superficiel obtenu par induction électrique, suivi d'un refroidissement à l'eau. Ce procédé est particulièrement rapide. Un autre durcissement de ce genre correspond à la «trempe au chalumeau», dans lequel le chauffage est obtenu par la flamme du chalumeau.

Les vilebrequins sont construit en les forgeant par des opérations successives de matriçage à chaud[9]. L'ébavurage, le tournage des portées et manetons sont effectués sur machine. Ils sont suivis d'une rectification à la meule, et d'un équilibrage statique et dynamique par enlèvement de matériau[10].

Les premiers vilebrequins pour les véhicules de série étaient en fonte nodulaire donnant la possibilité, lors de l'usinage, de diminuer les quantités de matière à enlever, sous forme de copeaux.

Distribution des temps du moteur

Le vilebrequin permet la distribution, entre les cylindres, des différents temps (admission, compression, combustion/détente, échappement). A titre d'exemple, dans un moteur à 2 cylindres, le vilebrequin devra être construit de façon à avoir la distribution suivante :

  • cylindre 1 :
    • temps 1 : admission ou combustion/détente
    • temps 2 : compression ou échappement
  • cylindre 2 :
    • temps 1 : compression ou échappement
    • temps 2 : admission ou combustion/détente

Le choix entre admission ou détente et entre compression ou échappement s'effectue par un arbre à cames qui gère l'ouverture et la fermeture des soupapes.

Références

  1. Le mouvement linéaire alternatif est dû aux déflagrations successives du mélange carburant-comburant dans la chambre de combustion.
  2. ab (fr) Motorlegend, Technique : Le vilebrequin, p1
  3. (fr) Motorlegend, Technique : Le vilebrequin, p2
  4. Quelle que soit la position du vilebrequin sur son axe, il doit être au repos, l'idéal étant d'avoir un équilibrage avec un vilebrequin équipé des bielles, axes et pistons
  5. (fr) Mecamotors, le vilebrequin
  6. (fr) Motorlegend, Technique : Le vilebrequin, p3
  7. ab (fr) Motorlegend, Technique : Le vilebrequin, p4
  8. (fr) Motorlegend, Technique : Le vilebrequin, p5
  9. La technique du matriçage permet actuellement de modeler les bras de manivelle de manière à inclure les contrepoids. Ceux-ci sont par conséquent forgés avec le vilebrequin
  10. (fr) Motorlegend, Technique : Le vilebrequin, p5

Liens externes

Recherche sur Amazone (livres) :



Ce texte est issu de l'encyclopédie Wikipedia. Vous pouvez consulter sa version originale dans cette encyclopédie à l'adresse http://fr.wikipedia.org/wiki/Vilebrequin_(moteur).
Voir la liste des contributeurs.
La version présentée ici à été extraite depuis cette source le 09/03/2009.
Ce texte est disponible sous les termes de la licence de documentation libre GNU (GFDL).
La liste des définitions proposées en tête de page est une sélection parmi les résultats obtenus à l'aide de la commande "define:" de Google.
Cette page fait partie du projet Wikibis.
Accueil Recherche Aller au contenuDébut page
ContactContact ImprimerImprimer liens d'évitement et raccourcis clavierAccessibilité
Aller au menu