Bielle (mecanique)

Une bielle est une pièce mécanique reliant deux articulations d'axes mobiles et permettant la transmission d'une force. On l'associe à la manivelle dans le système bielle-manivelle qui permet la transformation d'un mouvement de rotation continue en mouvement alternatif de rotation ou translation.

Sommaire 1 Origine 2 Généralité 3 Conception 4 Construction 5 Bibliographie

Origine

Le système bielle-manivelle représente sans doute la plus importante innovation du XV^e siècle. La pensée technique allemande de cette époque nous a légué un manuscrit anonyme, daté des environs de 1430, dit "Anonyme de la guerre hussite"⁽¹⁾. Celui-ci comporte plusieurs dessins de moulins à bras qui constituent la première représentation figurée certaine de ce mécanisme : on y distingue parfaitement les bielles manœuvrées à bras, et les manivelles.

Par ailleurs, les techniciens se sont probablement très vite rendu compte qu'il existe deux points morts qui peuvent bloquer le système, de sorte qu'ils ont rapidement associé un volant d'inertie sur l'axe en rotation, volant constitué d'une roue ou de barres en équerre munies de maillets et qui constituent l'ancêtre du régulateur à boules.

Généralité

Utilisées dans les moteurs thermiques, les bielles transforment le mouvement alternatif rectiligne des pistons en un mouvement rotatif continu (ou presque !) du vilebrequin.

Une bielle de moteur automobile comporte deux alésages circulaires, l'un de petit diamètre, appelé pied de bielle', et l'autre de grand diamètre, appelé tête de bielle.

Le pied de bielle est engagé autour de l'axe du piston. L'axe de piston peut être libre dans le piston et serré dans le pied de bielle, serré dans le piston et libre dans le pied de bielle ou encore libre dans le piston et libre dans le pied de bielle (montage le plus répandu). La friction entre la bielle et l'axe est réduite par l'interposition entre les deux pièces mobiles d'une bague circulaire recouverte ou constituée de métal anti-friction (bronze, par exemple), ou de roulements (à aiguilles le plus souvent).

La tête de bielle, elle, enserre le maneton du vilebrequin. Pour permettre le montage dans le cas d'un vilebrequin assemblé, la tête est coupée en deux dans un plan diamétral perpendiculaire à l'axe général de la pièce. La partie coupée s'appelle le chapeau de bielle. Après montage, le chapeau (ou pontet) est réassemblé au reste de la bielle par des boulons. À l'inverse, la bielle peut être d'une seule pièce si le vilebrequin est constitué de parties assemblées après montage de la bielle ; c'est la cas du moteur à 2 cylindres des 2CV qui est assemblé par emmanchements serrés. L'embiellage (manivelle et bielle) n'est plus démontable.

La friction entre l'ensemble bielle/chapeau et maneton est réduite par l'interposition entre les pièces mobiles de deux demi-coussinets en acier recouverts sur leurs faces internes de métal anti-friction (généralement métal rose ou régule), ou de roulements.

Par suite d'un manque de lubrification ou d'un échauffement trop important, le métal antifriction (à l'époque ou le régule etait utilisé) peut fondre, et sa disparition entre les pièces mobiles provoque un jeu engendrant cognements et chocs destructeurs: on dit que la bielle est coulée, (en fait c'est le régule qui a fondu et coulé)... . La bielle subit aussi des chocs lorsque le moteur subit le phénomène de cliquetis. Cela peut entraîner le bris de la bielle Pour éviter ces désagréments, encore assez fréquents il y a quelques années, têtes et pieds de bielles sont percés de petits conduits qui permettent à l'huile moteur de circuler, de lubrifier et de refroidir les faces métalliques en contact. La conception moderne des chambres de combustion limite le phénomène de cliquetis. Ceux-ci peuvent, toutefois, réapparaître lorsque l'on utilise un système de compresseur sur les moteurs à essence (les moteurs Diesel ne sont pas affectés).

Conception

La bielle doit être la plus légère possible pour diminuer les effets de balourd sur les axes. L'ensemble bielle + piston nécessite une masse d'équilibrage qu'on trouve sur la manivelle. Comme elle agit en transmetteur d'effort, la bielle est soumise à des sollicitations de traction/compression (le plus souvent compression). Sa longueur est limitée par des considérations de résistance au flambage. Sa section est donc la plus élancée possible (grand moment d'inertie). D'autre part, elle doit être la plus longue possible pour que le mécanisme bielle-manivelle observe un mouvement suffisamment régulier. Évidemment, tout est un savant dosage : une longue bielle rend aussi le moteur moins compact et sera forcément plus lourde. On cherche donc la forme optimale permettant la légèreté, la longueur et la résistance. Ce travail se fait en même temps que le développement du piston pour permettre une longueur maximale de la bielle sans sacrifier la solidité du piston.

Construction

La bielle est une pièce de forge, mais peut être aussi usiné dans la masse. Un piston peut etre forgé ou moulé. les pistons forgés sont de meilleur qualité. Une matrice emboutit la bielle avec ses œilletons sous-dimensionnés. Les œilletons sont usinés, la tête de bielle est alors coupée avec l'aide d'une guillotine pour permettre la fixation sur le vilebrequin (bielle démontable seulement). On peut ensuite fixer les coussinets. L'expression couler une bielle concerne ces coussinets qui, par défaut de lubrification, chauffent et...fondent. On notera aussi que, sur un moteur thermique monté dans le sens habituel (culasse en haut), la tête de bielle est en bas !

Bibliographie

1. Bertrand Gille Les ingénieurs de la Renaissance, Thèse Histoire, Paris, 1960. Seuil, coll. « Points Sciences » 1978