Bielle (mécanique)

Bielle (mécanique)
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Bielle d'un moteur de Volkswagen Coccinelle.

En mécanique, une bielle est une pièce reliant deux articulations d'axes mobiles dans le but de transmettre une force. Elle est un des éléments constitutifs du système bielle-manivelle qui permet la transformation d'un mouvement de rotation continue en un mouvement alternatif de rotation ou de translation, et réciproquement. Sa création remonte probablement, selon l'historien Bertrand Gilles, au début du IIe siècle après J.-C.

Les bielles sont couramment utilisées dans les moteurs thermiques équipant les automobiles, les motocyclettes ou encore les locomotives à vapeur. C'est d'ailleurs dans le domaine des moteurs à combustion interne qu'elles ont connu le plus fort développement. Dans le cas d'un moteur, la bielle permet la transformation du mouvement rectiligne alternatif du piston en mouvement circulaire quasi continu du vilebrequin ou de la roue de la locomotive.

Sommaire

Origines

Schéma de la scierie de pierre de Hiérapolis, la plus ancienne machine connue utilisant un système de bielles et manivelles[1],[2],[3]

Le système bielle-manivelle représente sans doute la plus importante innovation du XVe 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[4]. 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 reliées à des manivelles.

De plus récentes preuves d'une bielle apparaissent à la fin du IIIe siècle après J.-C. dans la scierie romaine d'Hiérapolis, ainsi que dans deux scieries du VIe siècle découvertes à Éphèse et Jerash. Leur mécanisme converti le mouvement de rotation de la roue hydraulique dans le mouvement linéaire des lames de scies. Ces scieries sont à l'heure actuelle les plus anciennes machines connues à associer une bielle à une manivelle[1],[2],[3].

Machine à vapeur

Les roues d'une locomotive à vapeur sont mises en rotation par plusieurs bielles.

Dans le cas des locomotives à vapeur, et plus généralement des machines à vapeur, la bielle permet la transformation du mouvement alternatif rectiligne du piston — mouvement qui lui est imprimé par la vapeur successivement sur ses deux faces — en un mouvement de rotation d'une roue ou plusieurs roues.

Les locomotives à vapeur sont généralement constituées de plusieurs bielles aux fonctions relativement différentes. Un bielle motrice transmet l'effort de traction de la crosse au maneton de la roue motrice tandis que des bielles d'accouplement transmettent cette force du maneton de la roue motrice aux manetons des roues accouplées afin de répartir l'effort à tous les essieux entraînés[5].

La distribution Walschaerts est le système de distribution le plus répandu dans les locomotives à vapeur. Dans ce cas, deux autres bielles, dénommées bielle d'excentrique et bielle de commande de tiroir, relient quant à elles le système de distribution au système d'entrainement des roues. Elles permettent de commander le tiroir, c'est-à-dire la valve orientant la vapeur d'un côté ou de l'autre du piston[5].

Moteur à combustion interne

Article détaillé : Moteur à combustion interne.
La bielle transmet le mouvement du piston au vilebrequin.

Dans les moteurs à combustion interne, les bielles transforment le mouvement alternatif rectiligne des pistons en un mouvement rotatif quasi continu du vilebrequin. La bielle comporte deux alésages circulaires, l'un de petit diamètre, appelé pied de bielle, et l'autre de grand diamètre, appelé tête de bielle.

Anatomie d'une bielle automobile.

Le pied de bielle est engagé autour de l'axe du piston. 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. 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.

Un manque de lubrification ou un échauffement trop important peut entrainer la fonte du métal antifriction et sa disparition entre les pièces mobiles provoque un jeu engendrant cognements et chocs destructeurs ; on dit que la bielle est coulée. Pour éviter ces désagréments, 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.

Conception et procédé de fabrication

Ensemble bielle et piston d'un moteur thermique automobile.

La bielle se doit d'être à la fois la plus légère possible pour diminuer les effets de balourd sur les axes mais également la plus longue possible pour que le mécanisme bielle-manivelle observe un mouvement suffisamment régulier.

Comme elle agit en transmetteur d'effort, la bielle est soumise à des sollicitations de traction et de compression (le plus souvent de compression). Sa longueur est ainsi limitée par des considérations de résistance au flambage tandis que sa section est la plus élancée possible pour obtenir un grand moment d'inertie.

Évidemment, chaque bielle est un compromis entre légèreté, longueur et résistance. La conception d'une bielle se fait ainsi en même temps que le développement du piston pour permettre une longueur maximale de la bielle sans sacrifier la solidité du piston.

La bielle est généralement une pièce forgée, mais elle peut également être usinée dans la masse. 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. Les coussinets sont ensuite fixés.

Notes et références

  1. a et b (de) Klaus Grewe, « Die Reliefdarstellung einer antiken Steinsägemaschine aus Hierapolis in Phrygien und ihre Bedeutung für die Technikgeschichte. Internationale Konferenz 13.−16. Juni 2007 in Istanbul », dans Bautechnik im antiken und vorantiken Kleinasien, Istanbul, Ege Yayınları/Zero Prod. Ltd., 1re série, vol. 9, 2009, p. 429–454 (429) (ISBN 978-975-807-223-1) [texte intégral] 
  2. a et b (en) Tullia Ritti, Klaus Grewe et Paul Kessener, « A Relief of a Water-powered Stone Saw Mill on a Sarcophagus at Hierapolis and its Implications », dans Journal of Roman Archaeology, vol. 20, 2007, p. 138–163 (161) 
  3. a et b (es) Klaus Grewe (trad. Miguel Ordóñez), « La máquina romana de serrar piedras. La representación en bajorrelieve de una sierra de piedras de la antigüedad, en Hierápolis de Frigia y su relevancia para la historia técnica (traducteur Miguel Ordóñez) », dans Las técnicas y las construcciones de la Ingeniería Romana, 1re série, 2010, p. 381–401 [texte intégral] 
  4. Bertrand Gilles, Les ingénieurs de la Renaissance
  5. a et b Laurent Voisin, « Répertoire technique de la locomotive à vapeur » sur Dlok. Consulté le 26 janvier 2010

Annexes

Bibliographie

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

Articles connexes

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