Vilebrequin (moteur)

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Usine Volkswagen de fabrication de vilebrequins.

Un vilebrequin en action (en rouge)

Scierie romaine de Hiérapolis, la plus ancienne machine connue utilisant un système de bielles et vilebrequin^[1],[2],[3]

Le vilebrequin est un dispositif mécanique présent notamment sur les moteurs thermiques assurant la transmission de l'effort généré par la combustion du carburant vers la boîte de vitesses. En tant qu'élément principal du dispositif bielle-manivelle, il permet la transformation du mouvement linéaire rectiligne non uniforme des pistons en un mouvement continu de rotation.

Le vilebrequin entraîne tous les éléments du moteur ayant besoin d'un mouvement rotatif tels que la transmission primaire, l'alternateur ou les contre-arbres d'équilibrage.

Anatomie

Manetons et tourillons

Le maneton, partie du vilebrequin portant la bielle, est muni d'un contrepoids.

Généralités

Le vilebrequin est composé de plusieurs tourillons alignés formant l'axe central. Entre ces paliers se trouvent, excentrés, des manetons - ou manivelles dans le cas général - 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. Cette distance détermine en partie la cylindrée du moteur. On obtient alors :

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. En augmentant le nombre de cylindres et, par conséquent, celui des manivelles, on diminue le degré d'irrégularité du couple moteur.

Disposition

Pour les moteurs dont les cylindres sont disposés en ligne, le nombre de manetons est égal à celui des bielles. Dans les moteurs à cylindres opposés boxer, le nombre de manivelles peut être égal au nombre de cylindres ou à la moitié. Dans les moteurs en V, le nombre de manivelles est en général égal à la moitié du nombre de cylindres^[4].

Le choix relève habituellement de considérations techniques et surtout économiques. Un moteur à deux paliers est de fabrication plus économique, mais ne permet pas d'atteindre des régimes très élevés ni de grosses puissances spécifiques^[4].

Efforts résultants et contraintes

Le diamètre des manetons nécessite d'être important pour diminuer les vibrations résultant des flexions du vilebrequin, notamment lorsque le piston est au PMH. L'effort de flexion du vilebrequin est d'autant plus important que le diamètre du piston augmente. En effet, l'effort est donné par la formule suivante, où P est la pression des gaz et D, le diamètre du piston^[5] :

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 considérables et incompatibles avec des hauts régimes^[4].

C'est pour ces raisons que les vilebrequins des moteurs 4 cylindres ne sont pas équipés de deux paliers. Beaucoup de moteurs à quatre cylindres sont donc à trois paliers, mais pour les plus modernes, surtout ceux de cylindrée élevée, cinq paliers sont préférés, solution plus coûteuse mais permettant d'atteindre des puissances spécifiques élevées et de réduire en même temps le poids total du moteur^[4]. Des forces d'extension s'exercent également sur les tourillons, notamment lorsque deux manivelles adjacentes sont dans le même plan d'où la nécessité de contrepoids^[6].

Masses

Les manetons sont reliés aux paliers par des masses. Les masses permettent l'équilibrage dynamique du vilebrequin. Leur but est de réduire les vibrations dues au mouvement alternatif des pistons et à la dissymétrie du système de manivelle.

Extrémités

Le vilebrequin porte, à l'extrémité destinée à transmettre la puissance, une bride pour l'attaque du volant qui porte à son tour l'embrayage. A l'autre extrémité, une forme adéquate permet d'assurer le calage de l'engrenage de commande de la distribution et des poulies pour l'entraînement par courroies des organes auxiliaires tels que la pompe à eau, le générateur électrique ou le ventilateur^[7].

Équilibrage

Principe

Comme tout élément tournant, un vilebrequin doit être équilibré de façon statique et dynamique. L'équilibrage du vilebrequin est nécessaire pour réduire 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 provoquées par les pièces en mouvement liées au vilebrequin : les forces centrifuges et les forces alternatives qui provoquent les vibrations^[8]. Il est cependant impossible d'obtenir un équilibrage parfait : on fait donc appel à des contre-arbres d'équilibrage (l'ajout de contrepoids) qui annuleront tout ou partie des vibrations.

"Forces" centrifuges

L'équilibre statique du vilebrequin est obtenu lorsque la résultante des forces centrifuges est nulle, plus précisément lorsque le centre de gravité se trouve sur l'axe de rotation. Néanmoins, l'équilibre statique n'implique pas nécessairement l'équilibre dynamique. En effet, le vilebrequin peut donner lieu à un moment de flexion dû aux forces centrifuges d'autant plus grandes que le mouvement de rotation est important^[9].

Équilibre statique

Les forces centrifuges, qui s'exercent sur le vilebrequin à deux manivelles d'un moteur quatre temps boxer, sont dans des plans différents et séparés par une distance égale à la distance des axes des cylindres. Étant donné que le moment résultant est le produit de la force centrifuge par cette distance, le vilebrequin est équilibré dynamiquement par un moment égal et opposé par l'ajout de contrepoids^[9].

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 telle que les combustions se produisent à distances égales les unes des autres ». Par conséquent, la disposition des manivelles l'équilibre statique sans l'ajout de contrepoids^[9].

Équilibre dynamique

L'équilibre dynamique est obtenu sans adjonction de poids si le vilebrequin, équilibré statiquement au préalable, admet un plan de symétrie perpendiculaire à l'axe de rotation, « par rapport auquel les manivelles sont symétriques en nombre, position et dimensions »^[9]. Pour les autres cas, l'équilibrage nécessite des contrepoids. La plupart des vilebrequins équilibrés dynamiquement dans leur ensemble ont également leurs manivelles équilibrées individuellement par des contrepoids. En munissant 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^[9].

Forces alternatives

Les manetons subissent également 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 premiers 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 égale à celle de la masse alternative et appliquée au vilebrequin en opposition avec le maneton considéré. 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 donc, exercée sur l'axe du cylindre, la moitié de la force alternative du premier ordre, tandis que l'autre moitié est transformée en une force perpendiculaire à l'axe du cylindre^[10]. Pour les moteurs multi-cylindriques, l'équilibre statique du vilebrequin engendre l'équilibre des forces alternatives du premier ordre. De même, l'équilibre dynamique engendre l'équilibre des moments dus aux forces alternatives du premier ordre.

Les deuxième ordres varient avec une fréquence double de celle des premières. Il n'existe donc pas par conséquence de possibilité de les réduire au niveau de la fabrication du vilebrequin puisqu'elles varient 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 dispositifs spéciaux de suspension du moteur^[10].

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, habituellement, 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 souvent, deux bielles par maneton, soit côte à côte (maneton légèrement rallongé), soit entrecroisées (Harley-Davidson).

Vilebrequin de moteur à 4 cylindres à calage dit "Cross Plane"

Développé en MotoGP (par Yamaha notamment), ce moteur, aussi appelé moteur "Big Bang", a la particularité de ne pas monter tous les pistons en PMH en même temps, le calage est de 90° chacun. Ainsi, les explosions sont successives et permettent de passer le couple plus régulièrement.

Imaginez un cycliste appuyant sur les pédales alternativement: la roue supporte une force et un appui pendant l'effort, puis une latence avant que le deuxième pied ne prolonge le mouvement. Dans un moteur à calage classique, les explosions se font par PMH successifs (2 en haut, 2 en bas), ce qui donne un phénomène d'appui et d'effort discontinu sur les pneumatiques. Dans le cas du "Cross Plane", l'effort est bien réparti, dispersant l'explosion suivante sur 90° de rotation et non 180°. Ceci permet une usure moins importante des pneumatiques ainsi qu'une répartition plus linéaire dans la chaine cinématique.

Types et modes d'assemblage

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 donc de pistons. Les paliers hydrostatiques sont chers à mettre en œuvre puisqu'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 permet de maintenir la continuité du film d'huile entre la bielle et son maneton.

Il en va de même pour la liaison entre le bâti, communément appelé bloc moteur, et le vilebrequin au niveau des tourillons. L'huile sous pression est amenée à tous les 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 est composé d'un axe faisant office de maneton et de deux masses arbrées. Les vilebrequins assemblés sont peu rigides, ils sont donc 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 acier : acier au carbone normalement, sinon acier au nickel-chrome ou au chrome-molybdène-vanadium pour les fortes sollicitations^[11].

Les vilebrequins ainsi obtenus sont monoblocs et imposent l'utilisation de bielles démontables. Les parties frottantes, tourillons et manetons, sont usinées très précisément 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 réduire 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 de ces dernières. Ces perçages sont observables sur la photo.

Les vilebrequins 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 très 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 construits en les forgeant par des opérations successives de matriçage à chaud^[12]. 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^[11].

Les premiers vilebrequins pour les véhicules de série étaient en fonte nodulaire permettant, 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). Par exemple, dans un moteur à 2 cylindres 2 temps (voir aussi moteur thermique 4 temps), le vilebrequin devra être construit de manière 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.

Notes

Références

Annexes

Sources bibliographiques

• Raymond Brun, Science et technique du moteur diesel industriel et de transport, vol. 2, Editions TECHNIP, 1984 (ISBN 978-2710804734) [lire en ligne] 

Liens externes

• Calcul des efforts dynamiques internes et externes d'un moteur à combustion interne
• Calcul de la cinématique et des efforts dynamiques de la distribution (poussoir plan & linguet)

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